可再生纤维素替代品被设计为3d打印原料的来源

几个世纪以来，纤维素构成了世界上最丰富的印刷材料——纸的基础。麻省理工学院的研究人员正在努力使其成为一种丰富的打印材料——可能提供一种可再生的、可生物降解的替代品，以替代目前用于3d打印材料的聚合物。

“纤维素是世界上最丰富的有机聚合物，”麻省理工学院博士后塞巴斯蒂安·帕丁森说，他是《先进材料技术》杂志上一篇描述新系统的论文的主要作者。该论文由机械工程副教授A. John Hart共同撰写，他是三井现代技术职业发展教授。

帕丁森解释说，纤维素是“赋予木材机械性能的最重要成分。因为它很便宜，它是生物可再生的，可生物降解的，而且在化学上也很通用，它被用于很多产品中。纤维素及其衍生物被用于制药、医疗器械、食品添加剂、建筑材料、服装等各种不同领域。很多这类产品都将受益于增材制造(3d打印)所带来的定制化。”

与此同时，3d打印技术正在迅速发展。帕丁森说，在其他好处中，它“允许你单独定制你制造的每件产品”。

使用纤维素作为增材制造的材料并不是一个新想法，许多研究人员已经尝试过，但面临着重大障碍。当被加热时，纤维素在变得可流动之前就会热分解，部分原因是纤维素分子之间存在氢键。分子间的键合也使高浓度纤维素溶液过于粘稠，不易挤出。

相反，麻省理工学院的研究小组选择使用醋酸纤维素——一种很容易由纤维素制成的材料，而且已经广泛生产，而且很容易获得。本质上，这种物质中的氢键的数量被醋酸基团减少了。醋酸纤维素可以溶解在丙酮中，并通过喷嘴挤出。随着丙酮迅速蒸发，醋酸纤维素在原地凝固。随后的可选处理取代了醋酸基团，增加了打印部件的强度。

“在3d打印之后，我们通过氢氧化钠处理恢复了氢键网络，”帕丁森说。“我们发现我们得到的零件的强度和韧性……比许多常用的3d打印材料都要大”，包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)。

为了展示生产过程中化学成分的多样性，帕丁森和哈特在创新中增加了一个额外的维度。通过在醋酸纤维素油墨中添加少量抗菌染料，他们3d打印出了一对具有抗菌功能的手术镊子。

帕丁森说:“我们证明，当你用荧光灯照射这些零件时，它们会杀死细菌。”这种定制工具“可能对远程医疗环境有用，这些医疗环境需要手术工具，但由于新工具损坏而难以交付，或者需要定制工具。”有了抗菌特性，如果手术室的无菌性不理想，抗菌功能可能是必不可少的。”

由于大多数现有的基于挤压的3d打印机依赖于加热聚合物来使其流动，因此它们的生产速度受到可以在不损坏聚合物的情况下传递给聚合物的热量的限制。帕丁森说，这种室温下的纤维素工艺，仅仅依靠丙酮的蒸发来固化零件，可能会更快。有多种方法可以进一步加快蒸发速度，比如铺上薄薄的材料带来最大化表面面积，或者在上面吹热空气来加速蒸发。生产系统还将设法回收蒸发的丙酮，使该过程更具成本效益和环境友好性。

醋酸纤维素作为一种商品已经广泛使用。研究人员说，这种材料的批量价格与用于注塑成型的热塑性塑料相当，而且比用于3d打印的典型长丝材料便宜得多。这一点，再加上该工艺的室温条件和以各种方式使纤维素功能化的能力，可能使其具有商业吸引力。

麻省理工学院(MIT)

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程离散制造故事．

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