印刷复杂的以纤维素为基础的物体

时间:2020-04-17 20:59 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

印刷复杂的以纤维素为基础的物体

来自苏黎世联邦理工学院和瑞士联邦材料科学与技术实验室(Empa)的研究人员创造了一项新的世界纪录:他们用3d技术打印出的复杂物体,其纤维素含量比任何其他额外制造的纤维素基部件都要高。为了达到这个目的,他们使用了一个聪明的诡计。

树木和其他植物起了带头作用:它们自己产生纤维素,并用它来建造具有非凡机械性能的复杂结构。这使得纤维素对那些寻求制造具有特殊功能的可持续产品的材料科学家很有吸引力。然而,将材料加工成高纤维素含量的复杂结构仍然是材料科学家面临的一大挑战。

苏黎世联邦理工学院和Empa的一组研究人员现在发现了一种利用3d打印技术处理纤维素的方法,从而制造出几乎无限复杂、含有大量纤维素颗粒的物品。

先打印,然后加密

为了实现这一目标,研究人员将直接油墨书写法(DIW)与随后的致密化过程相结合,将打印对象的纤维素含量提高到27%的体积分数。他们的研究成果最近发表在《先进功能材料》杂志上。

诚然,ETH和Empa的研究人员并不是第一个用3d打印机处理纤维素的。然而,以前的方法,也使用了含有纤维素的墨水,没有能够生产出如此高的纤维素含量和复杂性的固体物质。

油墨的成分极其简单。它只由分散了几百纳米的纤维素颗粒和纤维的水组成。纤维素含量占油墨体积的6%到14%。

溶剂浴使纤维素变稠

德国联邦理工学院的研究人员采用了以下方法使打印出来的纤维素产品致密化:在打印出一种以纤维素为基础的水墨之后,他们将这些物体放入一个含有有机溶剂的槽中。由于纤维素不喜欢有机溶剂,所以粒子容易聚集。这一过程导致印刷部分的收缩,从而使材料中纤维素颗粒的相对数量显著增加。

在进一步的研究中,科学家们将这些物体浸泡在含有光敏塑料前体的溶液中。通过蒸发除去溶剂,塑料前体渗入纤维素基支架。接下来,为了将塑料前体转化成固体塑料,他们将物体暴露在紫外线下。这种复合材料的纤维素含量达到了上述的27%。“致密化过程使我们能够从6%到14%的水-纤维素混合物开始,最终得到一个复合物体,其纤维素纳米晶体的体积可达27%,”Hausmann说。

印刷复杂的以纤维素为基础的物体

弹性可以预先确定

似乎这还不够,根据使用的塑料前体的类型,研究人员可以调整打印物体的机械性能,比如它们的弹性或强度。这允许他们创建硬的或软的部分,这取决于应用程序。

使用这种方法,研究人员能够制造出各种各样的复合物体,包括一些精致的物体,比如一种只有1毫米厚的火焰雕塑。然而,壁厚大于5毫米的印刷零件的致密化会导致结构的变形,因为致密化物体的表面比其核心收缩得更快。

印刷复杂的以纤维素为基础的物体

类似于木材的纤维取向

研究人员用x射线分析和机械测试来研究他们的物体。他们的发现表明,纤维素纳米晶体的排列方式与天然材料中的相似。“这意味着我们可以控制打印对象的纤维素微结构,从而制造出与生物系统的微结构类似的材料,比如木材,”ETH教授安德烈·斯达特(Andre Studart)研究小组的高级助理拉斐尔·利巴诺里(Rafael Libanori)说。

你可以说,印刷的部分仍然是小规模的实验室。但是还有许多潜在的应用,从定制的包装到耳朵的软骨替代植入物。研究人员还根据人体模型打印了一只耳朵。然而,在这种产品能够用于临床实践之前,还需要更多的研究,尤其是临床试验。

这种纤维素技术也可能引起汽车工业的兴趣。日本汽车制造商已经制造出了一款跑车的原型,其车身几乎全部由纤维素材料制成。

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