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交织的未来：比铁更硬更轻的超级植物材料纳米纤维素助力3D打印

文章和图片来源：        时间：2024.09.12        点击率： 866


作为一款备受瞩目的新型材料，纳米纤维素在制造业中具有广泛的应用前景。根据材料来源、制备方法以及纤维形态的不同，纳米纤维素通常分为纤维素纳米纤丝（CNF）和纤维素纳米晶（CNC）。纳米纤维素属于生物材料范畴，可从玉米秸秆、木浆、藻类等农业废料中提取。尽管纳米纤维素的生产过程需要花费大量能源和水资源，但总体而言，与许多食物原料来源的生物材料相比，它更具可持续性。





纳米纤维素是通过天然纤维素分离得到的直径在10至100纳米的纤维聚集体。这些杆状结构可以按照单一方向排列、重组或配置，以实现极高的抗疲劳、形变、应变和拉伸强度。通过化学、物理、生物或者几者结合的手段，纳米纤维素从细胞壁中剥离。由木质纤维素衍生的纳米纤维素具有很高的强度和多功能性，通过生物方法将具有优异性能的生物材料蛛丝蛋白与纳米纤维素相结合，还可实现高强度、高韧性、高刚度的纳米复合材料。


纳米纤维素本身的机械强度达到140至220GPa，可与碳素纤维（CF）、玻璃纤维（GF）和其他油基纤维等相媲美。使用玻璃纤维、碳素纤维和其他类似材料纤维制成的碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）很难回收利用。

相比较玻璃纤维等非天然纤维原料的生产对环境造成的挑战，采用新型纤维增强聚合物或结构将会是一种有效的具有可持续性的替代方案。对于3D打印而言，纳米纤维素更是具有发展潜力。

*软木和其他纳米纤维素衍生材料



纳米纤维素具有再排列和重组的特性，并且形状记忆性能优异，适用于过滤介质、水凝胶、气凝胶、3D打印电子产品、生物打印以及涂层等多种应用领域。除增材制造外，纳米纤维素还可作为块状塑料的填充物，或在纸张生产和各种包装应用中发挥作用。在过去和未来，纳米纤维素一直是主导材料之一，是可与RFID、QR码、包装所用PLA或技术陶瓷相媲美的存在。假以时日得到广泛应用，纳米纤维素将成为技术上更优越的，具备可行性的替代方案。然而，截至目前纳米纤维素的加工过程仍存在使用许多有害化学物质和大量能源的情况。

为克服这些挑战，不少学者深入研究与反复试验，由不同角度切入，尝试破局，以此扩大纳米纤维素应用范围。

2023年，山东大学微生物技术国家重点实验室赵建教授团队发表论文表示，利用工程菌cEES-XM分泌的纤维素酶系水解BPKP浆制备纤维素纳米晶，同时采用同步酶解糖化和发酵工艺，利用具有不同酶系组成的里氏木霉生产的纤维素酶水解制备纤维素纳米晶过程中产生的含寡糖水解液和固体纤维残渣生成葡萄糖和木糖，进而发酵成燃料乙醇，实现了纤维素纳米晶和纤维素乙醇的联产。


该过程不仅使纤维原料中碳水化合物得到高效利用，而且消除了纤维素纳米晶制备过程的废水污染。论文还通过多种分析手段，对制备的纤维素纳米晶的粒径尺寸分布、形态学特征、聚合度、热稳定性等特征进行了表征，为后续应用提供借鉴。

天下之事在人为，随着不断取得较好进展，纳米纤维素和3D打印技术有望紧密结合起来，纳米纤维素将成为粉末床熔融、光固化以及材料挤出等加工方法的标准强化材料。此外，纳米纤维素还能改善涂层性能，并为零件提供可调性能或形状记忆性能。



近年来由于符合环保、可持续化发展的理念，纳米纤维素市场需求持续不断释放。纳米纤维素作为纤维素的一种特殊形态，是地球上最丰富的可再生聚合物之一。许多学者将研究集中在基材之上。有研究论文表明，通过控制干燥过程可获得149±2 MPa和15±0.8 GPa的弯曲模量。无论是应用于玻璃，或是木材3D打印，通过在不同的湿度条件下进行干燥，可以实现更好的形状保真度。另一篇研究论文也从相同的角度探讨了干燥及由此产生的特性。通常情况下，材料被用于挤出、作为交联形成的凝胶状形式生产。

另有学者致力于制作生物墨水，研究论文对水凝胶和墨水进行了深入探讨。美国莱斯大学MuhammadM. Rahman团队开发了一种由木质素和纤维素制成的无添加剂水性墨水，该墨水可用于直写式3D打印建筑设计的木结构。

该团队使用纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝来复制天然木材中存在的纤维素的结晶和无定形部分。该墨水完全具有木质成分，并且不含任何粘合剂或外来聚合物。经过热处理后，得到的打印结构与天然木材的视觉、纹理、嗅觉和宏观各向异性特性（包括机械特性）非常相似。该研究结果为3D打印木制建筑铺平了道路，为天然木材的升级回收提供了可持续的途径。

*打印木材的直写式流变特性及热稳定性研究

不止于此，纳米纤维素的形状记忆性能备受关注。医疗领域学者试图将纳米纤维素应用于骨组织工程材料或伤口愈合之中。其他领域学者也正在开展类似的研究工作，如形状记忆聚氨酯（PU），利用水凝胶的形状记忆特性以获取抗菌效果。

此外，学者们还在研究更大规模的应用，如利用剪切稀化使纳米纤维素成为可行材料应用于建筑领域。PLA丝材尝试添加从椰壳提取出的纳米纤维素强化性能，一些先进技术领域甚至尝试使用直写式将纳米纤维素运用到微型超级电容器之中。

《中国食品学报》2024年刊载了由中国农业大学宋弋副教授等学者提出的植物基纳米纤维素在食品3D打印中的应用，研究表示，将纳米纤维素结合3D打印技术应用到食品产业中，主要包括4种形式。除直接将其作为食品添加剂用于3D打印食品中外，在食品包装材料、食品新鲜度指示器、功能物质载体等相关食品领域的应用研究也已开展。

*3D打印添加纤维素纳米晶的泥糊类食品实物图

多方学者正积极探索各种途径来获得最终的3D打印材料，一些企业已试图将基于纳米纤维素的3D打印材料商业化。不过总体而言，目前主要是视纳米纤维素为一种通用黏合剂。

纳米纤维素是与3D打印技术密切相关的一项重大技术进步，作为一种环保友好型强化材料，它可以极大地提高3D打印零件的可回收性和环保性。使用纳米纤维素代替碳素纤维或玻璃纤维作为强化材料，可以有效促进发展。此外，其形状记忆性能和可调性能也将带来重要机遇。这项技术进步可以为调整、设计和执行零件的正确特性提供便利，因此纳米纤维素是聚合物3D打印领域密切关注的材料。


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