麻省理工學院開發(fā)基于植物衍生的3D打印材料，新材料“堅如骨，硬如鋁”

南極熊導讀：2022年2月10日麻省理工學院(MIT) 的研究人員提出了一種新穎的植物衍生 3D 打印復合材料，通過使用天然纖維素來替代石油基塑料，新材料CNCs具有堅固、環(huán)保的特性，是塑料很好的代替品。

比塑料更堅固、更堅韌、更環(huán)保的新材料
這種材料由合成塑料和纖維素納米晶體 (CNCs) 的混合物制成，是一種天然存在于植物內(nèi)的有機聚合物鏈，具有高度強化的實體結構，類似于軟體動物的內(nèi)殼。

通過特殊工藝將這種復合材料的 CNC 含量提高到 90%以后，該團隊得到比“某些類型的骨頭還要堅硬，比常規(guī)鋁更堅硬”的新材料。在合成開發(fā)的過程中，工程師還嘗試降低了材料中汽油含量，目的是可以解鎖更多可持續(xù)為3D打印或具有未知特性的零件鑄造的能力。

麻省理工學院機械工程教授 A. John Hart 說：“通過在高負載下使用 CNC 制造復合材料，我們可以賦予聚合物基材料前所未有的機械性能�！� “如果我們可以用天然纖維素代替一些石油基塑料，那對地球來說可能是更好的代替品�！�

通過將大量 CNC 集成到他們的材料中，該團隊能夠為其提供類似于軟體動物殼的圖案。圖片來自麻省理工學院。

釋放 CNC 的潛力
每個木細胞內(nèi)部都有一個由纖維素制成的基質，纖維素是自然界最豐富的聚合物，每一種纖維都含有增強的 CNCs。盡管此類 CNC 具有排列成晶體圖案的聚合物鏈，但在納米程度上纖維素比 Kevlar 更堅固（纖維素是一種常見元素被用于制成紙張，或用于食品、化妝品或紡織行業(yè)等）。

由于CNC具有良好的機械性能，現(xiàn)在已有大量科研人員正在嘗試使用酸水解法提取 CNC，目的是使用它們來強化合成塑料。然而根據(jù)麻省理工學院團隊的研究，他們只能將低濃度的纖維摻入其他材料中，因為這種方法通常會產(chǎn)生結塊并與聚合物分子弱結合的現(xiàn)象。

為了克服這個缺陷，麻省理工學院的工程師因此開發(fā)了一種新材料，通過將 CNCs 混合到環(huán)氧低聚物和光引發(fā)劑中，其比例可以使它們變成凝膠。通過此方式，開發(fā)出了一種新的納米復合材料，其稠度允許它通過 3D 打印噴嘴進料或倒入模具中進行鑄造，而不會產(chǎn)生因塑料聚力差而出現(xiàn)腫塊。

南極熊獲悉“我們基本上解構并重建了木材，”該項目的研究人員之一 Abhinav Rao 博士解釋說�！拔覀儾捎昧四静闹凶詈玫某煞郑�即纖維素納米晶體，并對其進行了重構，從而獲得了一種新的復合材料。

麻省理工學院團隊采用基于纖維素3D打印而成的牙齒模型。圖片來自麻省理工學院。

一種難以破解的納米復合材料
當麻省理工學院的研究人員在顯微鏡下檢查他們的新材料時，他們發(fā)現(xiàn)它的特征具有類似珍珠層的圖案，珍珠層是一種堅韌的生物礦物，排列在一些軟體動物殼的內(nèi)側。由于其“之”字型微觀結構和高達90%的CNC負載能力，該團隊推測他們的纖維素基復合材料可以打印或模塑成高度耐用的新產(chǎn)品。

為了驗證這一假設，工程師們繼續(xù)將凝膠送入配備氣動擠出機 的 DIW Hyrel 3D Engine SR打印機中，然后將其沉積成 0.5 毫米的層狀部件，然后在測試前對其進行固化、干燥和拋光。

該材料有朝一日可能用于制造木材衍生的牙科植入物。圖片來自麻省理工學院。

實驗結果表明凝膠在擠出時收縮了 80%，該團隊測試后分析實驗并總結為初始干燥過程中的溶劑蒸發(fā)問題。然而，在干燥和熱固化步驟之間，他們發(fā)現(xiàn)材料成型時收縮率要小得多，并且使用探頭超聲儀將 CNCs 分散到凝膠中，也是將它們與聚合物結合的一種高效方法。

該團隊正在尋找減少凝膠干燥時收縮的方法。雖然在打印小物體時收縮不是什么大問題，但隨著復合材料干燥，目前用于更大的物體都有彎曲或破裂的情況。

南極熊點評：麻省理工學院的這款材料目前還處于實驗階段，但工程師堅信這個材料的強度和可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢，以及這種新材料未來在3D打印的發(fā)展前景，短期目標希望這款新材料可以使其應用于纖維素基牙科植入物的生產(chǎn)，甚至更大的環(huán)保部件，但是他們還需要完善并解決納米復合材料的收縮問題以實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)。