Экологически чистая целлюлоза потеснит нефтепродукты в трёхмерной печати

Зародившаяся в 1990-х годах технология трёхмерной, или аддитивной, печати постепенно проникает не только в самые разные отрасли производства, но также находит своё место в науке и даже в повседневной жизни. Уже сегодня с помощью 3D-принтеров возводят дома, изготавливают детали машин и реактивные двигатели, создают имплантаты, ткани тела и многое другое. Другими словами, 3D-принтером уже давно никого не удивишь, и даже все новые возможности трёхмерной печати воспринимаются как должное. Самое время задуматься о безопасности и экологии.

Чаще всего для трёхмерной печати используются синтетические полимеры, такие как термопластик. Но в последнее время проблема загрязнения планеты пластиковыми отходами стала как никогда острой. Поэтому, следуя в ногу с последними тенденциями, исследователи решили поискать более экологически чистый материал для аддитивной печати.

Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) предлагают использовать в качестве сырья всем известную растительную целлюлозу, которая широко применяется для изготовления бумаги и картона. Но, если вы думаете, что речь в данном случае пойдёт об изготовлении лишь хрупких предметов, то стоит вернуться к корням и представить себе ствол дерева, выдающиеся механические свойства которому придают именно целлюлозные волокна. По мнению учёных, этот природный полимер позволит не только повысить прочность изделий, но и снизить стоимость печати.

Стоит отметить, что сама по себе идея не нова. Мы уже писали об использовании целлюлозы для трёхмерной печати. Но в предыдущей работе исходное вещество смешивали с гидрогелем, что требовало сложной и тщательно контролируемой сушки.

«Целлюлоза является наиболее распространённым органическим полимером в мире, — говорит ведущий автор работы Себастьян Паттинсон (Sebastian Pattinson). — Она и её производные используются для создания фармацевтических препаратов, медицинских изделий, пищевых добавок, строительных материалов и одежды. И многие из этих видов продукции только выиграют, если их можно будет производить с помощью трёхмерной печати».

Команда MIT решила максимально упростить процесс печати и работала с ацетилцеллюлозой, в которой меньше водородных связей, чем в целлюлозе, что делает её более податливой. Это легкодоступный материал, производство которого хорошо налажено. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials Technologies, разработчики просто растворили вещество в ацетоне и заправили этой смесью 3D-принтер.

После нанесения на поверхность ацетон быстро испаряется и материал стремительно затвердевает. В дальнейшем, если это необходимо, можно значительно усилить прочность получаемой конструкции, удалив ацетатные группы и восстановив те самые водородные связи.

«После завершения печати мы восстанавливаем сеть водородных связей при помощи обработки гидроксидом натрия, — говорит Паттинсон. — После этого твёрдость и ударная прочность полученных изделий превосходят показатели многих материалов, в том числе и акрилонитрилбутадиенстирола и полилактида».

Для демонстрации потенциальных возможностей технологии, команда также добавила в «чернила» антимикробный краситель и напечатала пару пинцетов. Под воздействием дневного света на изделиях погибали все микроорганизмы.

Еще одним преимуществом нового метода является тот факт, что испарение ацетона и затвердевание печатного объекта происходит при комнатной температуре, в то время как работа большинства 3D-принтеров основана на нагреве полимера. Кроме того, широкая доступность и дешевизна целлюлозы по сравнению с термопластиком может сделать технологию коммерчески привлекательной.