麻省理工学院开发基于植物衍生的3D打印材料，新材料“坚如骨，硬如铝”

南极熊导读：2022年2月10日麻省理工学院(MIT) 的研究人员提出了一种新颖的植物衍生 3D 打印复合材料，通过使用天然纤维素来替代石油基塑料，新材料CNCs具有坚固、环保的特性，是塑料很好的代替品。

比塑料更坚固、更坚韧、更环保的新材料
这种材料由合成塑料和纤维素纳米晶体 (CNCs) 的混合物制成，是一种天然存在于植物内的有机聚合物链，具有高度强化的实体结构，类似于软体动物的内壳。

通过特殊工艺将这种复合材料的 CNC 含量提高到 90%以后，该团队得到比“某些类型的骨头还要坚硬，比常规铝更坚硬”的新材料。在合成开发的过程中，工程师还尝试降低了材料中汽油含量，目的是可以解锁更多可持续为3D打印或具有未知特性的零件铸造的能力。

麻省理工学院机械工程教授 A. John Hart 说：“通过在高负载下使用 CNC 制造复合材料，我们可以赋予聚合物基材料前所未有的机械性能。” “如果我们可以用天然纤维素代替一些石油基塑料，那对地球来说可能是更好的代替品。”

通过将大量 CNC 集成到他们的材料中，该团队能够为其提供类似于软体动物壳的图案。图片来自麻省理工学院。

释放 CNC 的潜力
每个木细胞内部都有一个由纤维素制成的基质，纤维素是自然界最丰富的聚合物，每一种纤维都含有增强的 CNCs。尽管此类 CNC 具有排列成晶体图案的聚合物链，但在纳米程度上纤维素比 Kevlar 更坚固（纤维素是一种常见元素被用于制成纸张，或用于食品、化妆品或纺织行业等）。

由于CNC具有良好的机械性能，现在已有大量科研人员正在尝试使用酸水解法提取 CNC，目的是使用它们来强化合成塑料。然而根据麻省理工学院团队的研究，他们只能将低浓度的纤维掺入其他材料中，因为这种方法通常会产生结块并与聚合物分子弱结合的现象。

为了克服这个缺陷，麻省理工学院的工程师因此开发了一种新材料，通过将 CNCs 混合到环氧低聚物和光引发剂中，其比例可以使它们变成凝胶。通过此方式，开发出了一种新的纳米复合材料，其稠度允许它通过 3D 打印喷嘴进料或倒入模具中进行铸造，而不会产生因塑料聚力差而出现肿块。

南极熊获悉“我们基本上解构并重建了木材，”该项目的研究人员之一 Abhinav Rao 博士解释说。“我们采用了木材中最好的成分，即纤维素纳米晶体，并对其进行了重构，从而获得了一种新的复合材料。

麻省理工学院团队采用基于纤维素3D打印而成的牙齿模型。图片来自麻省理工学院。

一种难以破解的纳米复合材料
当麻省理工学院的研究人员在显微镜下检查他们的新材料时，他们发现它的特征具有类似珍珠层的图案，珍珠层是一种坚韧的生物矿物，排列在一些软体动物壳的内侧。由于其“之”字型微观结构和高达90%的CNC负载能力，该团队推测他们的纤维素基复合材料可以打印或模塑成高度耐用的新产品。

为了验证这一假设，工程师们继续将凝胶送入配备气动挤出机 的 DIW Hyrel 3D Engine SR打印机中，然后将其沉积成 0.5 毫米的层状部件，然后在测试前对其进行固化、干燥和抛光。

该材料有朝一日可能用于制造木材衍生的牙科植入物。图片来自麻省理工学院。

实验结果表明凝胶在挤出时收缩了 80%，该团队测试后分析实验并总结为初始干燥过程中的溶剂蒸发问题。然而，在干燥和热固化步骤之间，他们发现材料成型时收缩率要小得多，并且使用探头超声仪将 CNCs 分散到凝胶中，也是将它们与聚合物结合的一种高效方法。

该团队正在寻找减少凝胶干燥时收缩的方法。虽然在打印小物体时收缩不是什么大问题，但随着复合材料干燥，目前用于更大的物体都有弯曲或破裂的情况。

南极熊点评：麻省理工学院的这款材料目前还处于实验阶段，但工程师坚信这个材料的强度和可持续发展优势，以及这种新材料未来在3D打印的发展前景，短期目标希望这款新材料可以使其应用于纤维素基牙科植入物的生产，甚至更大的环保部件，但是他们还需要完善并解决纳米复合材料的收缩问题以实现工业化量产。