生物质衍生复合材料的3D打印

来源：3dprint.com

纽约州立大学环境与森林学院、田纳西大学、橡树岭国家实验室以及田纳西研究所大学的研究人员研究各种各样的3D打印材料，尤其是侧重于基于生物质制成的复合材料。在这项研究中，研究人员专注于木质纤维素生物质及其衍生物，回顾并分析了用于3D打印的各种3D打印材料。作者介绍说：“使用3D打印技术替代基于矿物油的塑料来开发生物质衍生的材料将提供实现可持续和可再生生物经济的机会。”

可再生材料已经成为重要的研究来源，尤其是在纤维素方面。自2015年以来，已有5100项纤维素3D打印专利。作者说：“这种趋势表明，生物质及其组分在3D打印中的应用已成为热门话题，而用于3D打印的纤维素已被广泛使用。”

使用复合材料进行3D打印的常见方法包括FDM、DIW、SLA、DLP以及粘合剂喷射技术。作者认为，DIW 3D打印是纤维素的理想选择，因为具有流动性的特性，这意味着它可以很好地分散在水中，起到悬浮作用。可以通过这种方式创建水凝胶以用于各种生物打印，尤其是由于良好的流变特性、良好的屈服应力以及有限的弹性模量和快速的弹性恢复。先前的研究推荐CNF水凝胶用于神经生物打印。进一步的交联和“机械性能的增强”还可创造智能材料，能够对环境变化（例如温度或湿度水平）做出响应并变形。

对纤维素和纤维素衍生物进行3D打印的各种研究

在SLA 3D打印中，研究人员还越来越多地使用树脂/纤维素混合物，尤其是在材料具有生物相容性的医学应用中。

木质素3D打印研究

作者说：“木质素是仅次于纤维素的第二大丰富的陆地生物聚合物，但尚未得到充分利用，迄今为止，其主要用于直接燃烧。” 因此，木质素的增值在当前的生物精炼过程中引起了极大的关注。鉴于木质素有助于植物细胞壁的疏水性、抗微生物和抗氧化活性，它可以成为3D打印复合材料中的增强剂。”

木质素具有多种潜在用途，尤其是在阻燃产品、抗老化和吸收紫外线方面。先前的研究也证明了其在改善拉伸性能、更好的层间附着力、使用3D打印的PLA /木质素/四环素材料改善药物递送系统以及减少翘曲和收缩方面的用途。粘合剂喷射还用于基于淀粉的药物递送系统的实验中。

与纤维素和木质素的生产和使用相比，整个生物质更易于处理，对物理或化学的复杂处理没有任何要求。研究人员已经创建了用于基础结构建造中的秸秆泥料的材料，木材正在成为“3D打印应用中最受欢迎的生物质之一”。

随着研究人员继续研发新的木质复合材料，FDM 3D打印正被用于提高拉伸强度以及其他性能。但是，对打印参数进行实验，对于打印材料也至关重要。

“了解生物质组分的结构仍然很重要，同时还需要研究超分子结构的利用，例如结晶度、材料各向异性和界面相互作用，以帮助实现3D打印生物质衍生的目标特性材料”，作者总结道，“各种参数（例如打印分辨率和零件生产率）只有进行进一步工程设计，才有可能使3D打印与传统材料制造技术相比更具有竞争力。”

“将来，相容剂的使用和界面化学的应用可能会增强生物质衍生的填料与塑料的结合和分布，这可以显着提高填料的浓度，并具有中等强度，从而减轻石油基材料的消耗。而且，为最终商业应用量身定制的表征技术对于更好地评估打印材料的优缺点可能很有价值。”