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“木頭大王”胡良兵最新力作:木頭與3D打印的完美結合
發布:Iron_MAN10   時間:2020/7/15 16:06:45   閱讀:1183 
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木材是能夠次級生長的植物,如喬木和灌木,所形成的木質化組織。樹木已經在地球上有了上億年的歷史,比人類更早的登上了地球這個舞臺。然而目前木材的應用還局限在一個較低的水平,大多應用于建筑,家具,燃料等領域,僅僅是對木材進行了物理加工,很少有對其進行深加工,賦予其功能化。

馬里蘭大學的胡良兵教授就對木材的功能化,進行了深入的研究,并取得了一些研究成果,實現了超強木頭(Nature, 2018, 554, 224);會呼吸的木頭(Adv. Energy Mater. 2017, 1701203);納米隔熱木頭(Sci. Adv. 2018;4: eaar3724);纖維素離子導體(Nature Mater.,2019,18, 608);高強木材水凝膠(Adv. Mater. 2018, 1801934);海水淡化(Adv. Funct. Mater. 2018, 1707134;Adv. Energy Mater. 2017, 1701028;Adv. Mater. 2017, 1704107)等諸多功能化應用。在木材這一古老的材料上開發出了新的功能,讓傳統材料實現了“老樹發新芽,枯木再開花”。

日前,胡良兵教授課題組,又將木材應用于3D打印領域。通過三嵌段共聚物作為交聯劑與木質素混合制備3D打印油墨,有效的改善了其流變性能,實現了常溫打印,高模量,穩定,環境友好的3D結構。相關工作以“Lignin-Based Direct Ink Printed Structural Sca?olds”為題發表在《small》雜志。
 

(a)天然木材組成示意圖;(b)木質素3D打印蜂窩狀結構的光學照片;(c)木質素顆粒和木質素基墨水直接印刷照片;(d)FDM法與直接墨水印刷法制備3D結構性能對比雷達圖;(e)纖維素與木質素制備3D結構性能對比雷達圖。

在傳統的利用木質素制備3D打印結構的過程中,多使用熔融沉淀成型技術,但是該技術,需要較高(>170 ℃)的加工溫度,且適用范圍有限,僅適合部分木質素使用,因此亟需開發一種新型木質素3D打印技術。

由于木質素本身的結構所限,其流動性較差。研究者通過在3D打印墨水中加入三嵌段共聚物(F127)顯著的改善其流動性能,解決了打印過程中噴嘴易堵塞的問題。F127中末端羥基使油墨具有較高的親水性,一方面,通過利用F127包裹木質素顆粒,實現了室溫下較好的流動性,另一方面,F127的親水性也可以為打印結構提供更好的附著力。
 

(a)木質素與水混合墨水的照片;(b)木質素結構單元的示意圖;(c)木質素/F127/水組成的墨水;(d)木質素與F127相互作用的示意圖;(e)木質素/F127/水組成的墨水由注射器中擠出的照片;(f)儲存模量(G)和損失模量(G)與剪應力的關系;(g)墨水表觀粘度與切變速率之間的關系;(h)墨水中木質素不同含量下的屈服點

通過調節3D打印墨水中木質素與F127的配比,研究者發現木質素占比為38–56 wt%時,3D打印墨水具有合適流變性能且能兼顧打印速度,并且這種策略可以適用于多種木質素。
 

3D打印木質素與纖維素結構對比圖。(a-b)3D打印木質素表面形貌;(c)3D打印纖維素表面形貌;(d)不同組成的3D打印墨水冷凍干燥后質量組成;(e)室溫下,木質素與纖維素結構情況;(f)3D打印條狀木質素的照片(g-h)木質素3D打印火焰結構情況;(i)纖維素3D打印火焰結構情況。

在有了合適的墨水配比之后,研究者又研究了木質素3D打印結構的性能。木質素3D打印結構具有一個較為完整的結構,且表面具有較好的粗糙性。結構通過凍干后木質素含量可以達到50 %,遠高于纖維素的8 %左右。結構也具有很高的強度,首先具有較好的自支撐性能,可以獨立打印成為垂直狀結構,且保持穩定;其次,在開有基槽的模板上進行打印結構也較為完整,相比較而言,纖維素結構會因為收縮產生內應力而斷裂。
 

木質素與纖維素3D打印結構的穩定性對比。(a-b)木質素(a)與纖維素(b)打印結構在水中的穩定性;(c-e)木質素與纖維素打印構建密度(d),濕強度(e),壓縮強度(e)對比。

木質素獨特的分子結構與結構致密性使3D打印的木質素結構具有明顯優于3D打印纖維素的性能。木質素的熱穩定性與其疏水結構使其在水中具有遠優于纖維素的穩定性;木質素的3D打印結構的密度達到1.09 g/cm3,濕強度達到30 MPa,壓縮強度達到1.31 MPa,都遠好于纖維素的性能?;谀举|素中的苯環結構,也使得木質素具有更好的耐高溫性能。

在傳統的3D打印過程中,大都使用聚酰胺、聚碳酸酯、環氧樹脂等石油塑料,因此一種可持續,可降解,環境友好的打印材料亟待開發。但是現有生物質3D打印材料與技術,都存在著許多缺陷。本文中作者即利用造紙廢料木質素與F127共聚物相結合,制備了一種可在室溫條件下進行3D打印,且結構具有一定強度的3D打印材料與技術。通過油墨印刷法3D打印木質素結構在某些應用中具有替代工程塑料的巨大潛力,這將推動循環經濟的可持續健康發展,也極大的促進未來木質材料的工程化應用。

全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201907212


來源:高分子科學前沿
 
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