利用木質(zhì)素構(gòu)筑微納米球調(diào)節(jié)PLA三維打印的黏度和提高復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度方面取得進(jìn)展
近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)3D打印材料研究中心提出了一種利用環(huán)保簡(jiǎn)單方法制備出木質(zhì)素微納米球，并用于調(diào)節(jié)材料打印黏度以增強(qiáng)成品強(qiáng)度的方法。研究發(fā)現(xiàn)該法在增強(qiáng)打印材料的同時(shí)還顯著提升了作為廢棄物的木質(zhì)素的高附加值。這一成果近期以“Enhancing the performance of polylacticacid composites through self-assembly lignin nanospheres for fused deposition modeling” 發(fā)表于知名期刊《Composites Part B: Engineering》, 2022, 239：109968（影響因子9.078），文章的第一作者是博士研究生龍海波，通訊作者是張淑婷副教授，周武藝教授和董先明教授。
木質(zhì)素的儲(chǔ)存量相當(dāng)大，是自然界第二大可再生聚合物，具有豐度高、成本低、穩(wěn)定性好、生物相容性好、含氧官能團(tuán)充足等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)木質(zhì)素的生物降解性良好。現(xiàn)階段木質(zhì)素大多直接燃燒發(fā)電，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。使木質(zhì)素有利可圖的關(guān)鍵策略是找到應(yīng)用，而不是燃燒它們來(lái)回收能量。與傳統(tǒng)的減法制造方法不同，3D打印是以根據(jù)3D模型數(shù)據(jù)制作對(duì)象的材料成型過(guò)程，這個(gè)過(guò)程通常是逐層進(jìn)行的，不需要采用復(fù)雜模具。熔融沉積成型（Fused Deposition Modelling, FDM）是一種在材料被熔化、冷卻和固化，從而獲得3D幾何圖形的3D打印技術(shù)，即FDM就是在平臺(tái)上逐層鋪設(shè)熔融聚合物。與傳統(tǒng)成型方法相比，這種3D打印法具有節(jié)省材料和制造形狀復(fù)雜的產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。由于可生物降解性、低熔融溫度和易于打印，聚乳酸是FDM中應(yīng)用最多的材料之一。最終產(chǎn)品的機(jī)械性能取決于打印參數(shù)和打印材料，由于零件是通過(guò)在另一層上添加一層來(lái)印刷的，因此成品的最終強(qiáng)度取決于各層之間的附著力。
在此背景下，學(xué)者們使用通過(guò)改性木質(zhì)素，并用于增強(qiáng)聚乳酸聚合物，來(lái)調(diào)節(jié)打印材料間的相互作用力。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)3D打印材料研究中心課題組基于現(xiàn)有打印技術(shù)方法提出了一個(gè)完整、簡(jiǎn)便的利用木質(zhì)素構(gòu)筑形貌均勻的微納米球，并用于調(diào)節(jié)聚乳酸打印黏度進(jìn)一步增強(qiáng)材料強(qiáng)度的方法。利用木質(zhì)素自身的兩親性可以直接制備出形貌規(guī)整，尺徑分布均勻的微納米球，同時(shí)相比傳統(tǒng)高分子球的制備方法，能省略表面活性劑的加入，進(jìn)一步降低成本。成品的最終強(qiáng)度取決于各打印熔絲層之間的附著力。木質(zhì)素可以降低復(fù)合物打印黏度，而木質(zhì)素球可以進(jìn)一步降低復(fù)合物的黏度，且所需摻雜量極低（0.25%~0.75%），低打印黏度可以使聚合物的親密接觸時(shí)間（頸部形成）和重復(fù)時(shí)間（擴(kuò)散和隨機(jī)化時(shí)間）減少因而大大增強(qiáng)打印層之間的作用力.
最后，打印出的成品精度高，強(qiáng)度大。且材料環(huán)保可降解，同時(shí)制備材料所需的試劑皆為無(wú)毒，符合綠色環(huán)保的生產(chǎn)理念。