更加環(huán)保！用于數(shù)字光處理3D打印的新型天然水凝膠墨水！

導讀：天然水凝膠具有高生物相容性和生物降解性以及低毒性。目前，3D 打印工藝嚴重依賴不可生物降解的合成材料，并且基于化石燃料樹脂。這主要是因為許多現(xiàn)有的天然水凝膠的機械性能非常差，這使得它們難以用于光聚合3D打印。因此研究人員一直在嘗試開發(fā)具有更理想特性的天然水凝膠，這可能有助于使3D打印在全球范圍內(nèi)更具可持續(xù)性。

2022年6月，南極熊獲悉，來自Politecnico di Torino的研究人員最近研發(fā)出了了基于天然和環(huán)保材料的新型復合水凝膠墨水，可用于3D打印物體。他們的研究內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在《可持續(xù)材料與技術》中，下面跟隨南極熊一起看下去吧！


研究人員再文章中介紹了可用于數(shù)字光處理（DLP）3D打印的天然復合水凝膠油墨的開發(fā)過程，該油墨完全由纖維素基材料組成。眾所周知，DLP能夠通過光聚合原理生產(chǎn)復雜的結(jié)構(gòu)，這是一種相對環(huán)保的制造方法，但它仍然使用化學品。為了更環(huán)保的生產(chǎn)，需要研究天然油墨，以實現(xiàn)完全環(huán)保的制造過程。研究人員將來自油棕櫚空果束的生物廢料來源的纖維素納米晶體（NCs）添加到丙烯酸-羧甲基纖維素（mCMC）水凝膠中，以產(chǎn)生混合聚合物網(wǎng)絡。 研究表明，添加這種填料不會影響配方的光固化性能，同時通過改善機械性能提高其可打印性，即使水的含量很高（97wt%）。此外，可打印的水凝膠具有可控的膨脹和pH值敏感性。使用具有設計特性和復雜幾何形狀的全天然衍生材料可以在許多領域打開進一步的前景，如傳感器、生物醫(yī)學和軟機器人。


△3D打印水凝膠

研究主要內(nèi)容概述
研究人員以甲基丙烯酸羧基甲基纖維素為基礎，用從生物廢料中提取纖維素納米晶體對其進行強化，這些纖維素納米晶體分為在原始狀態(tài)使用和表面甲基丙烯酸化后使用。 研究人員證明了在纖維素強化物存在的情況下，光誘導的聚合會有小的延遲。但所有開發(fā)的油墨結(jié)果都適用于光聚合3D打印。兩種納米復合水凝膠都可通過DLP進行3D打印的，表明染料的存在對于提高結(jié)構(gòu)的分辨率是必要的。與純水凝膠相比，兩種納米復合材料都顯示出更好的機械性能，同時由于添加了NCs，吸水率降低。此外，所有的油墨都顯示出pH值的敏感性。據(jù)觀察，甲基丙烯酸填料增強了對紫外線輻射的反應性，并導致了高的剛性和交聯(lián)密度，但引起了膨脹度的下降。含有原始纖維素納米晶體的試樣反而具有更高的膨脹度和抗壓強度。


△材料膨脹度對比

總結(jié)與展望
據(jù)預測，3D打印將對工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，預計在2026年市場將增長到52億美元。由于其應用的不斷擴大，提高3D打印的生態(tài)可持續(xù)性是非常重要的，實際上，與傳統(tǒng)工藝相比，3D打印工藝造成的環(huán)境影響已經(jīng)減少了70%。然而，3D打印使用的材料仍然主要基于化學品，特別是在光聚合3D打印中。在這項工作中，纖維素NCs是通過EFB廢料提取的，同樣的方法也可以應用于一些替代的農(nóng)業(yè)廢料。由于供應方便、價格低廉和可持續(xù)的特點，纖維素及其衍生物和納米形式顯示出巨大的增長潛力，與3D打印相結(jié)合，它們可以為電子、組織工程和制藥等不同領域的按需制造提供生態(tài)可持續(xù)的創(chuàng)新途徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.susmat.2022.e00444