纖維素納米纖維水凝膠的3D打印及固化

供稿人:李堅,，魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

從樹木中分離出的纖維素納米纖維有潛力作為儲能,、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和環(huán)境保護領(lǐng)域可持續(xù)產(chǎn)品的原料。將其制作的3D結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在電池和電容器電極,、生物機器人基體等領(lǐng)域,。然而，一個尚未解決的問題是如何將納米水凝膠轉(zhuǎn)化為干燥的三維結(jié)構(gòu),，并且不改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu),。瑞典查爾默斯理工大學(xué)沃倫伯格木材科學(xué)中心的Karl M. O. Håkansson博士等人利用3D打印技術(shù)將纖維素納米纖維（CNF）水凝膠轉(zhuǎn)換成具有可控結(jié)構(gòu)的3D框架。這種水凝膠由2 wt%纖維素納米纖維和98 wt%水組成,，在干燥時結(jié)構(gòu)會坍塌,，但通過使用表面活性劑干燥和冷凍干燥工藝，可以控制坍塌,，并在固化后保存三維結(jié)構(gòu),。此外，還通過添加碳納米管制備了導(dǎo)電纖維素納米纖維油墨,，所制備的3D導(dǎo)電框架在儲能方面具有很大潛力,。

其團隊使用3D打印機運動平臺沉積水凝膠，并使用微型壓電閥和300ɥm噴嘴來精確控制擠出,，打印出了鏈條、微型椅子,、空穴立方體等結(jié)構(gòu),，并經(jīng)過表面活性干燥和冷凍干燥來控制干燥過程中的坍塌程度。通過對比CNF水凝膠3D微結(jié)構(gòu)打印和冷凍干燥前后的實驗數(shù)據(jù),，證明了CNF水凝膠的3D打印技術(shù)和打印結(jié)構(gòu)的固化的可能性,。并且得出以下結(jié)論：
1）通過冷凍干燥印刷立方體、鏈條或微型椅子并保持高度多孔結(jié)構(gòu),，如圖1所示,，可以在不損失外部尺寸的情況下固化物體；

2）通過在空氣干燥前向交聯(lián)浴中添加表面活性劑,，印刷的3D結(jié)構(gòu)縮小了,，但保留了其主要3D特征；

3）在打印過程中將氣穴封閉到3D結(jié)構(gòu)中（只需留下一個沒有打印材料的體積）,，也會導(dǎo)致干燥物體中出現(xiàn)氣穴,，如圖2所示，這意味著可以在毫米尺度上設(shè)計孔,。

4）CNF水凝膠可以通過添加導(dǎo)電CNT進行功能化,，在這種情況下,，許多其他功能應(yīng)以類似的方式實現(xiàn)。

圖1 3D打印水凝膠微結(jié)構(gòu),。 a）打印后的濕雙鏈圖像,。b）兩條干燥的兩條鏈，一條使用冷凍干燥（左側(cè)）,，另一條在CaCl2浴中加入表面活性劑干燥（右側(cè)）,。c）3D打印微型椅子模型，左邊是濕的,，右邊是干燥后的,。所有圖像中的比例尺對應(yīng)10 mm。

圖2 帶有氣泡的3D打印薄片,。a） 印刷結(jié)構(gòu)示意圖,，其中導(dǎo)電油墨為黑色，CNF為基體,，氣泡用白色方塊表示,。b） 打印后的濕結(jié)構(gòu)圖片，黑色線條清晰地分開,，空氣的立方體清晰可見,。c） 薄膜干燥后的圖像，有一個被捕獲的氣泡和被空氣隔開的導(dǎo)電線,。所有圖像中的比例尺對應(yīng)10 mm,。

隨著作者對水凝膠（特別是CNF水凝膠）3D打印及其固化技術(shù)的研究逐漸深入，打印以及后處理工藝會愈加完善,。相信在未來其在能源儲存,、生物醫(yī)療、柔性可穿戴電子設(shè)備等方面會有越來越多的應(yīng)用,。

參考文獻：
HåKansson K M O , Henriksson I C , de la Peña Vázquez, Cristina, et al. Solidification of 3D Printed Nanofibril Hydrogels into Functional 3D Cellulose Structures[J]. Advanced Materials Technologies, 2016:1600096.