纖維素來源廣泛，可生物再生，可降解，但是其熱穩(wěn)定性較差，所以在3D打印領(lǐng)域應(yīng)用受限。本文介紹了一種利用纖維素進(jìn)行3D打印的新思路，有望使得纖維素在3D打印領(lǐng)域商業(yè)化。

    幾個世紀(jì)以來，紙一直是世界上應(yīng)用最多的印刷材料，而紙的基本組成是纖維素。現(xiàn)在，由于麻省理工大學(xué)的最新研究，纖維素?fù)u身一變，變身為一種來源廣泛的3D打印材料了。它因?yàn)榫哂锌稍偕⒖缮锝到獾臐撛趦?yōu)勢而可能成為現(xiàn)用3D打印材料——聚合物的替代品。

    麻省理工的博士后Sebastian Pattinson介紹說：“纖維素是世界上最豐富的有機(jī)聚合物。”他作為第一作者在Advanced Materials Technologies上發(fā)表了一篇描述這種新系統(tǒng)的論文。這篇文章的合作作者是機(jī)械工程系的副教授A. John Hart，他同時也是三井當(dāng)代技術(shù)職業(yè)發(fā)展教師。

    Pattinson解釋說，“纖維素是賦予木材機(jī)械強(qiáng)度性質(zhì)的最重要的組成成分。并且因?yàn)槔w維素十分便宜、可生物再生、可生物降解和化學(xué)多功能性，所以被用在很多產(chǎn)品上面。例如，纖維素及其衍生物被用在藥物、醫(yī)療器械、食品添加劑、建筑材料和服裝等各種不同的領(lǐng)域。其中的很多產(chǎn)品將會受益于3D打印帶來的個性化定制。”與此同時，3D打印正在迅速發(fā)展。除了其他的好處，“它可以讓你單獨(dú)的定做每一個產(chǎn)品”，Pattinson說。

    將纖維素用作增材制作的材料已經(jīng)不是什么新想法了，有很多的研究人員進(jìn)行了嘗試，但是遇到了重大阻礙。當(dāng)加熱的時候，纖維素還沒有熔融就會熱分解，有一部分原因是纖維素分子間存在氫鍵。這種分子間鍵會使高濃度的纖維素溶液粘度過高而不容易擠出。

    麻省理工的團(tuán)隊(duì)選擇了醋酸纖維素來進(jìn)行3D打印，醋酸纖維素很容易由纖維素制得并且已經(jīng)廣泛生產(chǎn)。從機(jī)理上看，醋酸基團(tuán)可以減少材料中氫鍵的數(shù)量。醋酸纖維素可以溶解在丙酮中然后通過噴嘴擠出。隨著丙酮的快速蒸發(fā)，醋酸纖維素在恰當(dāng)?shù)牡胤焦袒尚停S后選擇性替代掉醋酸基團(tuán)來增加強(qiáng)度。

    Pattinson說：“我們3D打印之后又通過氫氧化鈉處理恢復(fù)了氫鍵網(wǎng)絡(luò)。我們發(fā)現(xiàn)我們得到的那部分材料的強(qiáng)度和硬度比以前常用的材料都要好。”對于3D打印來說，常用材料包括丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）樹脂和聚乳酸（PLA）。

    為了說明在生產(chǎn)過程中可以對產(chǎn)品進(jìn)行功能化，Pattinson和Hart進(jìn)行了一個新穎的創(chuàng)新。通過向醋酸纖維素溶液中添加少量的抗菌染料，他們3D打印的一對手術(shù)鑷子具有了抗菌功能。

    Pattinson自豪地說：“我們證實(shí)了當(dāng)你用熒光燈照射鑷子時，它會殺死細(xì)菌。在需要手術(shù)器械但是新器械又難以送到或者是需要定制器械的地方，這些定制器械對遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)施會是很有用的。如果手術(shù)室的無菌性不理想的話，那這種抗菌性就很重要了。

    因?yàn)楝F(xiàn)有的擠出成型3D打印機(jī)依靠加熱聚合物來使它流動，所以它的生產(chǎn)速度受限于聚合物分解之前所能吸收的熱量。Pattinson介紹到，他們室溫下纖維素的處理過程只是簡單地依賴于丙酮的揮發(fā)使纖維素成形，所以可能會更快。并且，還有各種方法來進(jìn)一步加速這個過程，比如放在薄絲帶上使表面積最大，或者吹熱空氣加速揮發(fā)。一個好的生產(chǎn)系統(tǒng)也要爭取實(shí)現(xiàn)揮發(fā)丙酮的回收利用來提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

    目前，醋酸纖維素作為一種商品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。研究人員說，大批量的醋酸纖維素在價格上可以和用于注射成型的熱塑料相比擬，并且比3D打印所用的典型單纖維材料便宜很多。這一點(diǎn)再加上室溫操作和纖維素的易功能化就使得它具有了商業(yè)化的潛力。

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