木材是人类最古老和用途最广泛的建筑材料之一——但将树干变成今天的胶合板和二乘四木材会产生大量废料。 仅在美国，每年就产生约 1800 万吨废木材，其中超过 1200 万吨最终进入垃圾填埋场。 但研究人员现在找到了一种方法，可以将其中一些废料变成木材“墨水”，最终可用于3D 打印家具或建筑元素等物品。 发表在 3 月 15 日的《科学进展》杂志上的一项研究中描述的所得材料，外观、感觉和气味都像天然木材，并且物理特性也与木材相似。
基于木材的 3D 打印本身并不新鲜。 然而，现有的墨水通常是通过将锯末与粘合剂混合制成的。 这会产生一种类似木材的复合材料，但缺乏许多赋予木材吸引力的物理和美学特性。 在新的工艺中，“我们试图模仿天然木材，”莱斯大学材料科学研究员 穆罕默德·拉赫曼 说，他是该研究的作者之一。
天然木材主要由称为纤维素和木质素的有机聚合物以及少量的果胶、蜡和其他化合物组成。 为了将废木材转化为 3D 打印墨水，研究人员首先将木质素和纤维素结合在一起，使这些材料的比例与天然木材中的比例相同。 拉赫曼说，对于工艺的这一部分，可以使用任何种类的木材或废木材。 事实上，“它甚至不需要是木材，”他补充道。 “你可以[使用]任何含有木质素和纤维素的植物[并]解构它，然后混合它。”
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过 订阅来支持我们屡获殊荣的新闻业。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
主要的挑战是创造出具有恰到好处的“流动性”的墨水，科学家称之为流变学特性。 他们使用的 3D 打印方法称为直接墨水书写 (DIW)，涉及将液态墨水挤压通过微米级喷嘴，一次“绘制”一点所需的结构。 DIW 打印机在实验室中很常见，并用于小批量制造，它可以从几乎任何材料（包括聚合物、陶瓷、玻璃、水泥或金属）打印 3D 结构，前提是墨水制造正确。 “你需要完美的流变学，”拉赫曼说。
为了获得完美的混合物，研究人员尝试了两种不同形式的纤维素：长链分子，称为纳米纤维，以及结晶结构，称为水基溶液中的纳米晶体。 “如果你使用的纳米纤维多于纳米晶体，你会得到无法打印的块状球体，或者你需要非常高的压力才能打印，”拉赫曼解释说。 相反，过多的纳米晶体会使墨水变得水状，并且由此打印出的结构无法保持其形状。
研究人员找到了纤维素分子的正确组合，并使用木质素将它们粘合在一起。 因为他们没有包含现有类型的木材打印中使用的任何合成添加剂，所以墨水和由此产生的打印结构都可以回收成其组成部分。
作为概念验证，研究人员打印了微型家具、字母表和一个蜂窝状格子。 这些结构确实需要一些额外的处理才能完全保持其形状：风干会使它们变形，因此研究团队在 -80 摄氏度（-112 华氏度）的真空中将它们冷冻干燥。 接下来，对它们进行 180 摄氏度（356 华氏度）的热处理，这导致木质素软化并更好地粘合。
以这种方式打印的结构具有类似于天然硬木的机械和热性能：它们的弯曲和压缩方式相似，并且具有相当的耐火性，拉赫曼解释说。 “我们的下一个目标是进一步提高机械性能，使其超越硬木的性能，”他说。 例如，某些添加剂可能会使木材更耐火。
凯文·埃斯特尔，华盛顿州立大学微型 DIW 工艺研究员，表示这项新研究对调整木材墨水功效的方法进行了全面评估。 DIW “最适合用于使用各种材料创建高度复杂和定制的零件，”他说。 但他指出，这种类型的 3D 打印速度相对较慢，并质疑像这样的工艺是否可以取代传统的木材零件生产方式，用于更大规模的家具或建筑。
拉赫曼认为，进一步调整新型木材墨水的流变学特性可以加快打印时间。 他和他的团队也在努力减少其打印产品目前需要保持形状的能源密集型后处理。 未来的研究可以比较他们的回收方法的能源和成本与传统木材加工方法的能源和成本。