Использование древесины в качестве 3D-печатных чернил

Использование древесины в качестве 3D-печатных чернил

Использование древесины в качестве 3D-печатных чернил

31 мая
Покажи другу:

На протяжении последнего года исследователи Empa использовали метод 3D-печати под названием «Direct Ink Writing» в производстве трехмерных микроструктурированных материалов для применения в качестве композитов. Исследователи из Empa, Гильберто Сикейра (Gilberto Siqueira) и Таня Циммерман из Лаборатории прикладных древесных материалов, в сотрудничестве с коллегами из Гарвардского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха, добились создания новой экологически чистой 3D-печатной краски из целлюлозных нанокристаллов (CNC).

Основными компонентами в составе древесины являются целлюлоза, лигнин и гемицеллюлозой. Разработанный биополимер состоит из цепей глюкозы, организованных в длинные волокнистые структуры. В определенных местах волокна целлюлозы имеют более упорядоченную структуру. «Места с более высокой степенью организации начинают проявляться в кристаллической форме, и именно эти отделы, которые мы способны очищать кислотой, мы исследует», объясняет Сикейра. Окончательный продукт –нанокристаллы целлюлозы, крошечные стержнеобразные структуры длиной 120 нанометров и диаметром всего лишь 6,5 нанометров. И именно эти нанокристаллы исследователи планируют использовать для создания нового типа экологически чистых трехмерных печатных красок. Ранее разработанные чернила содержали только небольшую долю «биоматериалов» с максимальным содержанием нанокристаллов в 2,5%. Команда Empa хотела увеличить это соотношение, а поскольку им это удалось, новые чернила на 20% состоят из материала CNC.

«Самая большая проблема заключалась в достижении вязкой эластичной консистенции, которая также могла бы быть выдавлена через сопло 3D-принтера», объясняет Сикейра. Чернила должны быть плотными, чтобы печатный материал сохранял форму до того, как будет высушен или отвержден. Первые смеси с нанокристаллами разрабатывались на водной основе, в результате чего материал на выходе получался излишне хрупким. Поэтому Сикейра и его коллеги разработали улучшенную версию чернил на основе полимера, который имел ключевое преимущество: после печати и отверждения с помощью УФ-излучения, нанокристаллы «сшивались» с полимерными строительными блоками, что придавало композитному материалу значительно более высокую степень механической жесткости.

Несмотря на то, что это звучит довольно просто, у команды Empa на реализацию этой идеи ушло много времени. «Большинство полимеров обладают водоотталкивающими или гидрофобными свойствами, в то время как целлюлоза, наоборот, притягивает воду – она ​​гидрофильна, в результате чего эти материалы менее совместимы», поясняет Сикейра. Поэтому исследователям прежде всего пришлось изменить состав поверхности материала CNC посредством химических процессов.

После первых попыток печати и рентгеновского анализа полученных микроструктур исследователи заметили, что материал CNC в готовом объекте почти идеально совпадал с направлением, в котором он был напечатано. Они пришли к выводу, что механическая прочность, используемая для выдавливания чернил через печатающую головку, была достаточной, чтобы выровнять его. «Интересен тот факт, что так легко можно управлять направлением нанокристаллов, например, если есть цель напечатать то, что должно иметь определенную механическую жесткость в определенном направлении», отметил Сикейра.

Эти выдающиеся механические свойства являются решающим преимуществом по сравнению с другими материалами, такими как углеродные волокна. Кроме того, новый вид чернил из лаборатории Empa изготовлен из возобновляемого материала – целлюлозы. «Целлюлоза - наиболее часто встречающийся природный полимер на Земле», объясняет Сикейра. Он встречается не только в составе деревьев, но и в других растениях и даже бактериях. Кристаллы, выделенные из различных источников целлюлозы, морфологически отличаются друг от друга по размеру, но не по своим свойствам. И они также могут представлять интерес, например, для автомобильной промышленности или для создания упаковки. «Однако самая важная область применения лично для меня – биомедицина», делится Сикейра. «Например, использование материала в имплантатах или протезах». Исследователи Empa убеждены, что материал CNC подходит для широкого круга различных применений благодаря своим выдающимся механическим свойствам, а также возможности химической модификации и выравнивания во время печати.

Возможности материала изучаются дальше. В настоящее время создатели нацелены на дальнейшую разработку материалов и метода печати для применения в других областях. Кроме того, Гильберто Сикейра намерен разрабатывать и другие виды биочернил: «Это лишь первые шаги в исследованиях в этой области. Печать с применением биополимеров в настоящее время является очень обсуждаемой и перспективной темой».

Источник: https://www.empa.ch/web/s604/cellulose-ink





Комментарии (0)


Чтобы оставить комментарий вам необходимо авторизоваться


количество
пользователей

2268

количество
работ

4718