賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)可持續(xù)樹(shù)脂來(lái)替代大幅面3D打印塑料

2023年10月23日，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學(xué)的農(nóng)業(yè)和生物工程師團(tuán)隊(duì)宣稱，他們正在研究一種由農(nóng)業(yè)衍生成分制成的可持續(xù)樹(shù)脂材料，該材料有潛力取代目前用于大幅面3D打印的塑料，用于制造家具和船只等物體。

△博士生James Godwin（左）和Kassem Bokhari檢查3D打印的拉伸測(cè)試樣本

為了支持他們研究，該團(tuán)隊(duì)獲得了來(lái)自美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家食品和農(nóng)業(yè)研究所的資助，總額為65萬(wàn)美元（約合475萬(wàn)人民幣），為期三年。這筆資金將用于開(kāi)發(fā)一種替代品，以取代目前昂貴且高度工程化的樹(shù)脂材料，這些樹(shù)脂材料是石化衍生成分的混合物。

領(lǐng)導(dǎo)著科學(xué)和團(tuán)隊(duì)的工作，農(nóng)業(yè)學(xué)院農(nóng)業(yè)和生物工程助理教授Stephen Chmely表示："我們項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的長(zhǎng)期目標(biāo)是通過(guò)利用木質(zhì)纖維素生物質(zhì)（或干植物物質(zhì)）開(kāi)發(fā)可持續(xù)的生物產(chǎn)品，從而在經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)低碳生物經(jīng)濟(jì)。該提案旨在創(chuàng)造一種由農(nóng)業(yè)衍生成分組成的可再生樹(shù)脂材料，這是實(shí)現(xiàn)我們長(zhǎng)期目標(biāo)的一步。通過(guò)立體光刻技術(shù)，這種材料將實(shí)現(xiàn)大幅面的3D打印。”

△大幅面3D打印設(shè)備示意

開(kāi)發(fā)可持續(xù)樹(shù)脂

研究人員正在致力于將植物源材料，包括木質(zhì)素和納米纖維素，進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化，以制造含有這些生物材料和大豆油的可再生立體光刻樹(shù)脂。木質(zhì)素是一種復(fù)雜的有機(jī)聚合物，存在于許多植物的細(xì)胞壁中，賦予它們堅(jiān)硬的木質(zhì)特性。而納米纖維素則包含通常由木漿制備的微小顆粒，但也可以由任何植物纖維素來(lái)源制備。

Chmely解釋說(shuō)，納米纖維素屬于一類令人興奮的纖維素材料，其性質(zhì)和功能與散裝纖維素和木漿不同。因此，研究人員正在探索將其應(yīng)用于以前認(rèn)為無(wú)法實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域。

Chmely表示，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是證明，與現(xiàn)有的商用樹(shù)脂相比，新樹(shù)脂將具有更高的彈性、韌性和耐熱性。為了評(píng)估新材料的性能，研究人員將進(jìn)行光譜和顯微研究、機(jī)械測(cè)試以及熱分析。

△這些材料可以用于制造家具和船只等物體

Chmely指出，該團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行這項(xiàng)研究時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗麄冸`屬于賓夕法尼亞州立大學(xué)的農(nóng)業(yè)和生物工程系，這使得他們能夠從材料科學(xué)、工程與農(nóng)業(yè)和林業(yè)的交叉領(lǐng)域獨(dú)特的視角來(lái)探索這項(xiàng)研究。

他說(shuō)：“我們的團(tuán)隊(duì)在木質(zhì)素化學(xué)、纖維素納米材料和立體光刻3D打印方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)。總的來(lái)說(shuō)，這些突破將對(duì)增材制造和生物精煉行業(yè)、材料科學(xué)和生物質(zhì)化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究人員，以及為這些工作提供生物質(zhì)原料的農(nóng)村社區(qū)產(chǎn)生重大積極影響，因?yàn)檫@些工作的規(guī)模不斷擴(kuò)大和發(fā)展。”

農(nóng)業(yè)和生物工程以及生物倫理學(xué)教授Jeffrey Catchmark是該項(xiàng)目的聯(lián)合首席研究員。