Немецкие и швейцарские ученые разработали материал для 3D-печати и отливки в форму, основанный на смеси компонентов древесины — целлюлозы и лигнина. Такой состав позволяет добиться заданных анизотропных свойств напечатанных объектов, а также потенциально использовать для создания материала отходы бумажного производства или переработанную макулатуру, рассказывают авторы статьи в ACS Applied Bio Materials.

Целлюлоза и лигнин — это два самых распространенных биополимера на Земле. Помимо распространенности и, следовательно, низкой стоимости, они привлекательны для ученых своими свойствами и тем, как эти свойства проявляются в древесине: придают ей высокую прочность при низкой плотности и теплопроводности. Немало материаловедов разрабатывают методы «пересборки» целлюлозы или ее смеси с лигнином в новые композиты, но обычно этим методы не приспособлены для аддитивного производства объектов произвольной формы.

Мари-Пьер Лаборье (Marie-Pierre G. Laborie) и ее коллеги из Фрайбургского университета и Швейцарского федерального исследовательского института материаловедения и технологий разработали новый биосостав на основе целлюлозы и лигнина, который можно использовать для создания анизотропных материалов и 3D-печати.

Два основных компонента смеси — это гидроксипропилцеллюлоза, производное от целлюлозы, и буковый лигнин, полученный в результате органосольвной варки при создании бумаги. Исследователи растворили их в смеси уксусной кислоты и деионизированной воды в соотношении целлюлозы к лигнину четыре к одному.

Самой по себе смеси недостаточно, чтобы получить из нее единый материал, поэтому также ученые добавили к ней агент, который при помощи этерификации связывает молекулы двух биополимеров через их гидроксильные группы. Они создали несколько разных вариантов состава с разным веществом-связующим агентом: лимонной кислотой, глицерином или димерной жирной кислотой, известной как Pripol 1017.

Макро- и микроструктура пластинок из целлюлозно-лигниновой смеси / F. Robert Gleuwitz et al. / ACS Applied Bio Materials, 2020

Ученые создали из разных смесей плоские образцы с анизотропной структурой. Ее они получили с помощью потока раствора, благодаря которому во время затвердевания частицы остаются ориентированными вдоль направлению потока.

Также они показали, что материал можно использовать для 3D-печати. Для этого они создали отдельный вариант состава с массовым соотношением целлюлозы и лигнина три к одному, а также лимонной кислотой и Pripol 1017 в качестве связующих агентов.

С его помощью они напечатали несколько решеток и цилиндров.

Примеры напечатанных объектов / F. Robert Gleuwitz et al. / ACS Applied Bio Materials, 2020

В одном из экспериментов авторы показали, что из-за анизотропной внутренней структуры при намокании и высушивании пластинки сворачиваются и разворачиваются в заранее известном направлении. Также им удалось воссоздать похожий эффект в 3D-печатных объектах.