Американские материаловеды использовали 3D-принтер для печати деревянных конструкций из смеси целлюлозы и лигнина. После горячего прессования при 180 градусах по Цельсию брусок из такого материала оказался схожим с натуральной древесиной из бальзы по визуальным и механическим свойствам. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
В процессе обработки древесины для изготовления конструкций ненужные части обтачивают или вырезают для придания нужной формы, что приводит к образованию колоссального количества опилок. Опилки, хоть и находят применение при изготовлении древесно-стружечных плит, все еще являются нерациональной тратой древесины. В современном мире 3D-печать коренным образом изменила подходы к изготовлению конструкций: с его помощью можно печатать разнообразные изделия от дамасской стали и перерабатываемого углеродного транзистора до ушной раковины и десерта из семи ингредиентов.
Группа материаловедов под руководством Мухаммада Рахмана (Muhammad M. Rahman) из университета Райса и Ок-Риджской национальной лаборатории разработали состав для 3D-печати материала, по свойствам и составу похожим на древесину. В отличие от других работ, они решили отказаться от добавок и органических растворителей и использовать водный раствор лигнина из твердых пород дерева и смеси нановолокон и нанокристаллов целлюлозы. Чтобы избавиться от остатка газов и растворителя, ученые предварительно нагревали лигнин до 180 градусов Цельсия в течение часа. Этот шаг помог улучшить механические свойства конечного изделия. Затем материаловеды смешивали лигнин, нановолокна и 10-процентный раствор нанокристаллов целлюлозы в соотношении 10 : 15 : 142. После этого они помещали смесь в планетарную мельницу для равномерного распределения компонентов. После этого авторы загружали смесь в экструдер для последующей печати. Подобный материал и изделия из него оказались перерабатываемыми — то есть напечатанную древесину можно перемолоть и вновь загрузить в экструдер залив достаточным количеством воды.
При измерении механических свойств состава для печати оказалось, что на зависимости вязкости от скорости сдвига (важный параметр для 3D печати методом робокастинга) он ведет себя как глина. К тому же состав для печати испытывает переход из вязко-упругого твердого тела в вязко-упругую жидкость при больших сдвиговых нагрузках — то есть при печати он будет разжижаться, чтобы с достаточной скоростью выходить из сопла 3D-принтера, и затвердевать, как только нагрузка исчезнет. По данным термогравиметрического анализа, напечатанный образец древесины из лигнина и целлюлозы устойчив до 250 градусов Цельсия, как и настоящая древесина, однако разложение протекает гораздо медленнее и при этом после сгорания остается на 15 процентов больше угольных остатков.
Чтобы воспроизвести волокнистую структуру древесины, авторы высушили образец сухим льдом, после нагрели до 180 градусов Цельсия для укрупнения частиц лигнина, а затем подвергли горячему прессованию при 180 градусах в различных конфигурациях с целью воспроизведения анизотропных свойств древесины. Оказалось, что из пяти конфигураций (непрессованные, однократно прессованные в направлении печати и в плоскости печати, и в дважды прессованные в обоих направлениях, но в разном порядке) лучшими механическими свойствами обладают дважды прессованные образцы, в которых полости между слоями схожи с натуральным деревом.
Модуль упругости непрессованного и однократно прессованных образцов напечатанной древесины уступал в два-три раза натуральной бальзовой древесине, чей модуль был равен примерно 500 мегапаскаль, тогда как для дважды прессованного образца превысил его в четыре-пять раз. По модулю изгиба все прессованные образцы обошли натуральную древесину из бальзы, максимальное значение составило 1180 мегапаскаль. При этом прочность на сжатие у дважды прессованных образцов в 6 раз превышает прочность древесины и достигает значений в 31 мегапаскаль. И хотя эти значения не дотягивают до значений прочности древесины (сосна, дуб, ясень и береза имеют прочность больше 40-50 мегапаскаль), полученный материал так же легок, как и древесина бальзы, что позволит достичь сравнимой прочности при увеличении массы изделия.
3D-печать древесины только набирает обороты, но для цементов и металлов уже используется в полную силу. Почитать подробнее про разные применения 3D печати в современном мире можно в нашем материале «Только без рук».