La stampa 3D dei compositi derivati ​​dalla biomassa: approcci di applicazione e caratterizzazione

I ricercatori hanno esaminato la stampa 3D con compositi derivati ​​da biomassa

I ricercatori del State University of New York College of Environmental Science and Forestry , University of Tennessee , Oak Ridge National Laboratory e The University of Tennessee Institute of Agriculture si sono uniti per ricercare materiali per la stampa 3D, in particolare con un focus sui compositi a base di biomassa .

I compositi vengono utilizzati più ampiamente quando gli utenti esplorano materiali magnetici , additivi PLA , miscele di polimeri riciclati , grafene e altro ancora. Materiali più naturali come il legno, e in particolare la lignina , sono stati anche una fonte di studi sperimentali, nel tentativo di rafforzare determinati materiali per determinate applicazioni.

In questo studio, gli autori si concentrano sulla biomassa lignocellulosica e derivati, rivedendo e analizzando una varietà di additivi per la stampa 3D. I loro risultati sono stati pubblicati nella recente stampa 3D dei compositi derivati ​​dalla biomassa: approcci di applicazione e caratterizzazione .

Lo studio dei materiali è spesso solo un mezzo per la realizzazione di parti ad alte prestazioni; tuttavia, c’è anche la necessità di polimeri più biocompatibili e rispettosi dell’ambiente. Poiché la biomassa lignocellulosica è naturale – e abbondante – viene utilizzata nella creazione di biocarburanti, carta e altro, composta da:

Cellulosa
emicellulosa
La lignina
proteine
Altri estratti
“Lo sviluppo di materiali derivati ​​dalla biomassa utilizzando la tecnologia di stampa 3D come alternativa alla plastica a base di olio fossile offrirà l’opportunità di raggiungere una bioeconomia sostenibile e rinnovabile”, hanno spiegato gli autori.

Numero di brevetti per cellulosa e biomassa derivati ​​nella stampa 3D.

I materiali rinnovabili sono stati una fonte sostanziale di studio, soprattutto in termini di cellulosa.

(a) Schema della struttura gerarchica dell’albero che illustra il ruolo della cellulosa. Ristampato con il permesso di rif. 44. Copyright 2011 Recensioni sulla società chimica. (b) Immagine SEM del CNF, scala della barra 6 μm. Ristampato con il permesso di rif. 30. Copyright 2019 Advanced Functional Materials. (c) Immagine TEM dei CNC, barra di scala 100 nm. Ristampato con il permesso di rif. 30. Copyright 2019 Advanced Functional Materials. (d) Immagine SEM di BC prodotta da Komagataeibacter xylinus. Barra di scala 5 μm. Ristampato con il permesso di rif. 46. ​​Copyright 2017 RSC Advances.

Dal 2015 sono stati 5.100 i brevetti per la stampa 3D con cellulosa:

“Questa tendenza implica che l’applicazione della biomassa e dei suoi componenti nella stampa 3D è diventata un argomento caldo e la cellulosa per la stampa 3D è stata ampiamente utilizzata”, hanno affermato gli autori.

(a) Meccanismo di FDM / FFF. (b) “Zona di stampa” definita in una stampa FDM (ABS, HIPS e NBR41 – HW rappresentano acrilonitrile-butadiene-stirene, polistirene ad alto impatto e gomma acrilonitrile-butadiene con rispettivamente il 41% in moli di nitrile). Ristampato con l’autorizzazione del copyright da rif. 25. Copyright 2018 Science Advances.

Metodi comuni di stampa 3D con compositi includono la modellazione a deposizione fusa (FDM), la scrittura a inchiostro diretto (DIW), la stereolitografia (SLA), l’elaborazione della luce diretta (DLP) e il getto di legante.

Meccanismo di SLA / DLP. Ridisegnato in base al rif. 86. Copyright 2019 ACS Omega.

La stampa 3D DIW è considerata dagli autori un buon candidato per l’uso con la cellulosa, grazie alle sue proprietà fluidiche, il che significa che si disperde bene in acqua, agendo come una sospensione. Gli idrogel possono essere creati in questo modo per una varietà di attività di bioprinting, in particolare a causa delle buone proprietà reologiche come l’assottigliamento del taglio, il buon stress di snervamento per favorire la stabilità e sia il modulo elastico finito che il rapido recupero elastico. Ricerche precedenti raccomandano l’idrogel CNF per l’uso nella bioprinting neurale, mentre altri additivi come la chitina (aggiunta tra le lacune delle fibre) possono essere utilizzati in applicazioni come la costruzione di pale di turbine eoliche. L’ulteriore reticolazione e il “miglioramento delle prestazioni meccaniche” possono anche comportare materiali intelligenti, in grado di rispondere e deformarsi a cambiamenti nell’ambiente come temperatura o livelli di umidità.

Vari studi sulla stampa 3D di cellulosa e derivati ​​della cellulosa. (a) L’allineamento di nanofibre di cellulosa (CNF) e nanocristalli (CNC) controllati dal flusso in una stampa DIW (a sinistra), portando a un gancio ad aerogel forte (a destra). Ristampato con il permesso di rif. 30. Copyright 2019 Advanced Functional Materials. (b) Stampa DCW di compositi di cellulosa con altre biomasse. Ristampato con il permesso di rif. 36. Copyright 2019 Advanced Materials Technologies. (c) La struttura che imita le celle di legno combinava la struttura di stampa FDM con resina polimerizzata UV e CNC. Ristampato con il permesso di rif. 67. Copyright 2018 Materiali e design. (d) Stampa SLA della struttura rinforzata CNC che può essere utilizzata in campo medico. Ristampato con il permesso di rif. 39. Copyright 2017 ACS Materiale applicato e interfacce. (e) La sospensione in ceramica assistita da MC ha mostrato un comportamento reologico unico sulla stampa. Sotto due immagini mostravano il prototipo (a sinistra) e la controparte sinterizzata (a destra). Ristampato con il permesso di rif. 76. Copyright 2019 Journal of Alloys and Compounds. (f) Rete di separazione olio / acqua a base CA e proprietà antivegetative. Ristampato con il permesso di rif. 77. Copyright 2019 ACS Materiale applicato e interfacce.

Nella stampa 3D SLA, i ricercatori hanno anche usato miscele resina / cellulosa più spesso, e specialmente in applicazioni mediche quando i materiali sono biocompatibili.

Studi sulla stampa 3D di lignina. (a) Processo di stampa FDM del composito incluso nella lignina che possiede il più alto contenuto di lignina riportato (60% in peso) e la foglia di quercia stampata. Ristampato con il permesso di rif. 93 Copyright 2018 Science Advances. (b) Stampa SLA della resina inclusa nella lignina che ha mostrato un miglioramento della resistenza alla trazione. Ristampato con il permesso di rif. 86. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsomega.9b02455, Copyright 2019 ACS Omega. Ulteriori autorizzazioni relative al materiale estratto devono essere indirizzate all’ACS. (c) La lignina modificata nella stampa SLA può essere stampata con la massima concentrazione del 15% in peso. Ristampato con il permesso di rif. 41. Copyright 2018 ACS Materiale applicato e interfacce. Ulteriori autorizzazioni relative al materiale estratto devono essere indirizzate all’ACS.

“La lignina, il secondo biopolimero terrestre più abbondante dopo la cellulosa, è stata sottoutilizzata e, ad oggi, è principalmente utilizzata per la combustione diretta”, hanno affermato gli autori. “Pertanto, la valorizzazione della lignina ha attirato grande attenzione nell’attuale processo di bioraffineria. Dato che la lignina contribuisce alle attività idrofobiche, antimicrobiche e antiossidanti della parete cellulare delle piante, può essere un agente di rinforzo nei compositi per la stampa 3D. “

Stampa 3D di compositi di lignina

Lignin offre una gamma di potenziali usi, ma soprattutto nei prodotti ritardanti di fiamma, anti-invecchiamento e assorbimento dei raggi UV. Ricerche precedenti hanno anche dimostrato i suoi usi per migliorare le prestazioni di trazione con una migliore adesione degli strati, un miglioramento dei sistemi di rilascio dei farmaci con materiali stampati in 3D PLA / lignina / tetraciclina, nonché diminuzioni di deformazione e contrazione. Il getto di legante è stato utilizzato anche nella sperimentazione di sistemi di rilascio di farmaci a base di amido.

A differenza della produzione e degli usi della cellulosa e della lignina, la biomassa intera è più semplice da gestire, priva di requisiti per la lavorazione complicata, sia fisica che chimica. I ricercatori hanno creato materiali come le pareti di paglia di fango nella costruzione di strutture di base, con il legno che emerge come “una delle biomasse più popolari nelle applicazioni di stampa 3D”.

Stampa 3D di materiali compositi in legno

Mentre i ricercatori continuano a creare nuovi compositi di legno, la stampa 3D FDM viene utilizzata per aumentare la resistenza alla trazione, insieme ad altre proprietà; tuttavia, la sperimentazione dei parametri di stampa è stata fondamentale anche per la stampa di materiali come il PLA con un additivo per legno di pino riciclato.

“… la comprensione della struttura dei componenti della biomassa rimane importante, insieme all’utilizzo delle strutture supramolecolari, come la cristallinità, l’anisotropia materiale e le interazioni interfacciali devono essere ben studiate per aiutare a raggiungere la proprietà target della biomassa stampata in 3D materiali “, hanno concluso gli autori. “Per l’elaborazione, vari parametri come la risoluzione di stampa e il tasso di produzione dei pezzi sono le aree che devono essere ulteriormente ingegnerizzate per rendere la stampa 3D competitiva con le tradizionali tecnologie di fabbricazione dei materiali.

“In futuro, l’uso di compatibilizzanti e la modifica della chimica interfacciale potrebbe migliorare il legame e la distribuzione di riempitivi derivati ​​dalla biomassa con materie plastiche, il che potrebbe migliorare significativamente la concentrazione dei riempitivi con una forza moderata per alleviare l’esaurimento, almeno parzialmente, del petrolio materiali a base di. Inoltre, le tecniche di caratterizzazione adattate all’applicazione commerciale finale possono essere utili per valutare meglio i punti di forza e di debolezza dei materiali stampati. Una caratterizzazione in loco che è stata applicata alla stampa 3D in metallo è anche un possibile approccio in questo campo per promuovere la qualità di stampa. “

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