Badacze z Wielkiej Brytanii opracowują responsywny atrament na bazie celulozy do drukowania 4D

Zespół omówił rozwój nowego, kompozytowego tuszu w postaci papieru, zatytułowany "Elastyczny, kompozytowy, hydrożelowo-hydrożelowy atrament do druku 4D", który niedawno opublikowano w czasopiśmie Materials & Design.

Streszczenie "Niniejsza praca koncentruje się na opracowaniu tuszu kompozytowego celulozowo-hydrożelowego do produkcji dodatków, przedstawiającego rozwój i fizyczną charakterystykę (stabilność, potencjał pęcznienia i reologię) kompozytów celuloza-hydrożel w celu ustalenia jego przydatności do druku 4D struktur reagujących . Zastosowanie hydrokoloidu z karboksymetylocelulozą (CMC) z wprowadzonymi włóknami z pulpy celulozowej dało tusz o wysokiej całkowitej zawartości celulozy (frakcja objętościowa włókna ≈50% dla odwodnionego kompozytu) i dobra dyspersja włókien w matrycy hydrożelowej. Kompozyt atramentu opracowany w tym badaniu pozwolił na płynne wytłaczanie przy użyciu drukarki 3D typu open source w celu uzyskania kontrolowanego umieszczania materiału w przestrzeni 3D przy zachowaniu funkcjonalności celulozy. Dodatek glinki montmorylonitowej nie tylko zapewniał zwiększoną trwałość podczas przechowywania kompozycji kompozytowych tuszów, ale także miał korzystny wpływ na właściwości wytłaczania. Zdolność do precyzyjnego nakładania atramentu poprzez drukowanie 3D została zademonstrowana poprzez wytworzenie złożonej struktury zdolnej do przekształcania się zgodnie z ustalonymi regułami projektowania w odpowiedzi na nawodnienie / odwodnienie. "

Istnieją istniejące przykłady struktur 4D lub struktury 3D, które mogą zmieniać się w czasie, w przyrodzie, takie jak zdolność szekli do przyciągania i utrzymywania cząsteczek wody z otaczającego środowiska. Aby zrealizować ten rodzaj systemu reagującego zgodnie z zasadami projektowania natury, istnieją dwa wymagania: zgodny materiał reagujący na bodziec oraz proces, który pozwala na kontrolowane umieszczenie tego materiału w celu uzyskania odpowiedzi. Celuloza, która jest najobficiej występującą w przyrodzie bio-makrocząsteczką, jest tak podatnym materiałem reagującym na bodźce.

"Wprowadzenie wody do celulozy może skutkować plastyfikacją obszarów amorficznych poprzez osłabienie lub relaksację wiązań wodorowych poprzez tworzenie konkurencyjnych wiązań wodorowych "- wyjaśniają naukowcy. "Te interkalujące cząsteczki wody powodują pęcznienie w całym materiale, który może być wykorzystany do napędzania odwracalnego uruchamiania określonych architektur stworzonych przez te materiały."

Aby osiągnąć ten drugiwymaganie systemu reagującego, można użyć drukowania 3D. Technologia oferuje mnóstwo kontroli nad umieszczaniem materiałów w przestrzeni, co umożliwia projektowanie struktur hybrydowych z "hierarchiczną strukturalną złożonością charakterystyczną dla funkcjonalnych systemów biologicznych."

Niestety, celuloza nie jest zgodna w swojej naturalnej postaci z większością metod drukowania 3D. Aby kontynuować drukowanie 4D, musimy opracować bardziej responsywne, inteligentne materiały do ​​druku 3D.

"Aby rozwiązać ten problem, niniejszy dokument koncentruje się na opracowaniu ekonomicznego, zgodnego z przepisami" atramentowy "materiał, który umożliwia drukowanie trójwymiarowe bodźców reagujących złożonymi formami w celu tworzenia programowalnych struktur 4D. Co więcej, tusz celulozowy będzie specjalnie dostosowany do drukowania 3D za pomocą tanich, otwartych drukarek 3D zapewniających, że wytworzone w ten sposób kompozyty celulozowe będą mogły być dalej rozwijane i szeroko stosowane w badaniach druku 4D ", napisali naukowcy.

"W tym opracowaniu opracowaliśmy kompozytowy tusz celulozowo-hydrożelowy reagujący na bodźce, który jest opłacalny i biodegradowalny. Ten kompozytowy tusz został opracowany do druku 3D, a scharakteryzowano stabilność, reologię i potencjał pęcznienia tuszu. Funkcjonalny złożony kształt został wytworzony przy użyciu druku 3D w celu uzyskania dokładnego umieszczenia materiału w tuszu celulozowym, a uruchomienie poprzez wystawienie na działanie wody wykazało zdolność do wykorzystania tego tuszu do wytworzenia struktur 4D zdolnych do programowalnej transformacji. "

Do swoich badań zespół wykorzystał karboksymetylocelulozę sodową (CMC-Na / CMC), biokompatybilny polimer pochodzący z celulozy o doskonałych właściwościach samonaprawczych, często wykorzystywanych jako środek zagęszczający w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Lintery masy włóknistej z bawełny stosowano jako składnik z włókien celulozowych, a hydrożel stabilizowano glinką. Uzyskane kompozyty celulozowo-hydrożelowe można było ręcznie wytłaczać za pomocą strzykawki, a zespół badał reakcję pęcznienia preparatów, oprócz zachowania reologicznego.

Następnie niestandardowy napęd pozaosiowy sterowany bezpośrednio pasty do wytłaczarki zintegrowano z drukarką 3D Prusa i3 MK2, a zespół zweryfikował możliwości drukowania 3D, a następnie morfing 4D, ich formulacji celulozowych z morfującą architekturą płatków, która ma zaprogramowany "błąd dopasowania grubości", który napędza transformacje. Próbka wyschła w pokojutemperatura, która zapoczątkowała jego przemianę, a następnie została ponownie uwodniona w łaźni wodnej o temperaturze pokojowej; powrócił do swojej konfiguracji 3D po wyschnięciu.

To uruchomienie pomiędzy konfiguracją płaską i 3D obiektu można powtórzyć kilka razy, co pokazuje, że nowy złożony atrament zespołu ma zachowanie pamięci kształtu CD3D .

Naukowcy napisali:" Opracowanie zgodnego kompozytowego celulozowego hydrożelu łączącego dużą ilość materiału celulozowego pozwoliło na zastosowanie standardowa drukarka 3D do kontrolowania umieszczania materiału bez zmniejszania zdolności reagowania celulozy do hydratacji. "

Korzystając z druku 3D, badacze mogą uzyskać większą precyzję umieszczania materiału, a także bardziej złożone architektury i ścieżki uruchamiania w druku 4D. Ponieważ parametry drukowania 3D i wybory projektowe mogą znacząco wpłynąć na zachowanie morfingu materiału, ważne jest, aby mieć kompleksową wiedzę o tym, jak te rzeczy mogą wystąpić.

"Obecnie autorzy badają i opracowują eksperymentalne procedury w celu określenia wpływ tych parametrów; zostanie to odnotowane w kolejnej publikacji "- podsumowali naukowcy.