Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый растительный композит для 3D-печати, который может проложить путь к устойчивым методам производства в будущем.

Изготовленный из смеси синтетического пластика и нанокристаллов целлюлозы (CNC), цепочек органических полимеров, встречающихся в природе в растительной жизни, материал имеет высокоармированную кирпично-строительную структуру, похожую на внутреннюю раковину моллюска.

Подняв содержание CNC в этом композите до 90%, команде удалось укрепить его до такой степени, что, по их словам, он «твёрже, чем некоторые типы костей, и твёрже, чем обычный алюминий». При этом инженеры также значительно уменьшили содержание нефтепродуктов в материале, что теперь может открыть доступ к более устойчивой 3D-печати или литью деталей с ещё невиданными свойствами.

«Создавая композиты с нанокристаллами целлюлозы при высоких нагрузках, мы можем придать материалам на основе полимеров механические свойства, которых у них раньше не было», — говорит А. Джон Харт, профессор машиностроения Массачусетского технологического института. «Если мы сможем заменить немного пластика на нефтяной основе целлюлозой природного происхождения, это, возможно, будет лучше и для планеты».

 

 

Внутри каждой клетки дерева находится матрица из целлюлозы, самого распространенного в природе полимера, и каждое из этих волокон содержит армирующие CNC. Несмотря на то, что такие CNC имеют полимерные цепи, организованные в виде кристаллических узоров, что в наномасштабе делает их прочнее, чем кевлар, сама целлюлоза чаще всего превращается в бумагу или используется в пищевой, косметической или текстильной промышленности.

Из-за их привлекательных механических свойств в настоящее время проводится значительный объем исследований по извлечению CNC с использованием кислотного гидролиза с целью их использования для обогащения синтетических пластиков. Однако, по словам команды Массачусетского технологического института, предыдущие исследователи смогли включить целлюлозу только в низких концентрациях в другие материалы, поскольку они имеют тенденцию к комкованию и слабой связи с полимерными молекулами.

Поэтому, чтобы преодолеть эти недостатки, инженеры Массачусетского технологического института сформулировали новый материал, смешав CNC с эпоксидным олигомером и фотоинициатором в соотношении, при котором они превращаются в гель. Идея заключалась в том, чтобы разработать нанокомпозит с консистенцией, позволяющей подавать его через сопло для 3D-печати или заливать в форму для литья, без каких-либо комков, которые вызывают плохое сцепление пластика.

«Мы в основном разобрали дерево и реконструировали его», — объясняет Абхинав Рао, доктор философии, один из исследователей проекта. «Мы взяли лучшие компоненты древесины, то есть нанокристаллы целлюлозы, и реконструировали их для создания нового композитного материала».

 

 

Когда исследователи из Массачусетского технологического института изучили новый материал под микроскопом, они обнаружили, что он характеризуется узором, похожим на рисунок перламутра — прочного биоминерала, который выстилает внутреннюю сторону раковин некоторых моллюсков. Благодаря своей «зигзагообразной» микроструктуре и загрузке CNC до 90%, команда предположила, что их композит на основе целлюлозы можно печатать или формовать в высокопрочные формы.

Чтобы проверить эту гипотезу, инженеры подали гель в принтер DIW Hyrel 3D Engine SR, оснащенный пневматическим экструдером, который нанес его на детали с толщиной слоя 0,5 мм, а затем отвердил, высушил и отполировал их перед испытанием.

Интересно, что результаты показали, что гель сжимается при экструзии на 80%, что команда объяснила испарением растворителя во время первоначальной сушки. Тем не менее, между этапами сушки и термического отверждения они обнаружили, что материал можно формовать с гораздо меньшей усадкой, а использование ультразвукового зонда для диспергирования CNC в геле также является высокоэффективным средством их объединения с полимерами.

Точно так же во время первоначальных оценок, когда исследователи пытались преднамеренно взломать свои прототипы размером с пенни, они обнаружили, что не могут этого сделать из-за того, как устроены зёрна целлюлозы их композита.

Инженеры считают, что эти прочностные характеристики, а также совместимость их материала с формованием и печатью могут найти применение в производстве зубных имплантатов на основе целлюлозы или даже более крупных экологически чистых деталей, хотя они добавляют, что необходимо улучшить его усадку, чтобы сделать это возможным.

«Если бы вы могли избежать усадки, вы могли бы продолжать масштабирование, возможно, до метровой шкалы», — добавляет Рао. «Тогда, если бы мы мечтали о большем, мы могли бы заменить значительную часть пластмасс целлюлозными композитами».

 

 

Хотя древесина в настоящее время не используется широко в 3D-печати, в настоящее время проводится значительный объём исследований, направленных на раскрытие её потенциала в качестве альтернативы полимерам на нефтяной основе. В прошлом году, например, другая команда из Массачусетского технологического института придумала выращенные в лаборатории деревянные элементы, которые, по их теории, можно было бы напечатать на 3D-принтере для изготовления домашней мебели.

Кроме того, исследователи из Фрайбургского университета также разработали новый 3D-печатный биоматериал на основе древесины, состоящий из шариков лигнина и целлюлозы. Кристаллические полимеры с добавлением растений, разработанные командой разработчиков для решения задач в области легкого строительства или промышленности, доказали свою способность формировать надмолекулярные сети по частям, хотя и за счет прочности, необходимой для масштабируемого использования.

В другом месте, на более коммерческом уровне, Desktop Metal запустила Forust, бренд струйного вяжущего на древесной основе, ориентированный на превращение побочных продуктов отходов в компоненты для конечного использования. Смешивая опилки и лигнин в композит из биоэпоксидной смолы, фирма теперь позволяет архитекторам, дизайнерам и производителям печатать на 3D-принтере нестандартную экологически чистую архитектуру с использованием систем Desktop Metal.

Выводы исследователей подробно изложены в их статье под названием «Пригодные для печати, литьевые нанокристаллические целлюлозно-эпоксидные композиты, демонстрирующие иерархическую прочность, аналогичную перламутру», соавторами которой являются Абхинав Рао, Тибо Диву, Кристал Э. Оуэнс и А. Джон Харт.

 

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/mit-develops-new-plant-based-3d-printing-material-thats-tough-as-bone-and-hard-as-aluminum-204532/