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(dǎo)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(yán)重依賴不可生物降解的合成材料，并且基于化石燃料樹(shù)脂。這主要是因?yàn)樵S多現(xiàn)有的天然水凝膠的機(jī)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(kāi)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(lái)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(fù)合水凝膠墨水，可用于3D打印物體。他們的研究?jī)?nèi)容已經(jīng)發(fā)表在《可持續(xù)材料與技術(shù)》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(fù)合水凝膠油墨的開(kāi)發(fā)過(guò)程，該油墨完全由纖維素基材料組成。眾所周知，DLP能夠通過(guò)光聚合原理生產(chǎn)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這是一種相對(duì)環(huán)保的制造方法，但它仍然使用化學(xué)品。為了更環(huán)保的生產(chǎn)，需要研究天然油墨，以實(shí)現(xiàn)完全環(huán)保的制造過(guò)程。研究人員將來(lái)自油棕櫚空果束的生物廢料來(lái)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(luò)。 研究表明，添加這種填料不會(huì)影響配方的光固化性能，同時(shí)通過(guò)改善機(jī)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(shè)計(jì)特性和復(fù)雜幾何形狀的全天然衍生材料可以在許多領(lǐng)域打開(kāi)進(jìn)一步的前景，如傳感器、生物醫(yī)學(xué)和軟機(jī)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(chǔ)，用從生物廢料中提取纖維素納米晶體對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)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(qiáng)化物存在的情況下，光誘導(dǎo)的聚合會(huì)有小的延遲。但所有開(kāi)發(fā)的油墨結(jié)果都適用于光聚合3D打印。兩種納米復(fù)合水凝膠都可通過(guò)DLP進(jìn)行3D打印的，表明染料的存在對(duì)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(fù)合材料都顯示出更好的機(jī)械性能，同時(shí)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(qiáng)了對(duì)紫外線輻射的反應(yīng)性，并導(dǎo)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(qiáng)度。


△材料膨脹度對(duì)比

總結(jié)與展望
據(jù)預(yù)測(cè)，3D打印將對(duì)工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，預(yù)計(jì)在2026年市場(chǎng)將增長(zhǎng)到52億美元。由于其應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，提高3D打印的生態(tài)可持續(xù)性是非常重要的，實(shí)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(xué)品，特別是在光聚合3D打印中。在這項(xiàng)工作中，纖維素NCs是通過(guò)EFB廢料提取的，同樣的方法也可以應(yīng)用于一些替代的農(nóng)業(yè)廢料。由于供應(yīng)方便、價(jià)格低廉和可持續(xù)的特點(diǎn)，纖維素及其衍生物和納米形式顯示出巨大的增長(zhǎng)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(lǐng)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