木材是能夠次級(jí)生長的植物，如喬木和灌木，所形成的木質(zhì)化組織。樹木已經(jīng)在地球上有了上億年的歷史，比人類更早的登上了地球這個(gè)舞臺(tái)。然而目前木材的應(yīng)用還局限在一個(gè)較低的水平，大多應(yīng)用于建筑，家具，燃料等領(lǐng)域，僅僅是對木材進(jìn)行了物理加工，很少有對其進(jìn)行深加工，賦予其功能化。馬里蘭大學(xué)的胡良兵教授就對木材的功能化，進(jìn)行了深入的研究，并取得了一些研究成果，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)木頭（Nature, 2018, 554, 224）；會(huì)呼吸的木頭（Adv. Energy Mater.?2017, 1701203）；納米隔熱木頭（Sci. Adv.?2018;4: eaar3724）；纖維素離子導(dǎo)體（Nature Mater.,2019,18, 608）；高強(qiáng)木材水凝膠（Adv. Mater.?2018, 1801934）；海水淡化（Adv. Funct. Mater.?2018, 1707134；Adv. Energy Mater.?2017, 1701028；Adv. Mater.?2017, 1704107）等諸多功能化應(yīng)用。在木材這一古老的材料上開發(fā)出了新的功能，讓傳統(tǒng)材料實(shí)現(xiàn)了“老樹發(fā)新芽，枯木再開花”。
日前，胡良兵教授課題組，又將木材應(yīng)用于3D打印領(lǐng)域。通過三嵌段共聚物作為交聯(lián)劑與木質(zhì)素混合制備3D打印油墨，有效的改善了其流變性能，實(shí)現(xiàn)了常溫打印，高模量，穩(wěn)定，環(huán)境友好的3D結(jié)構(gòu)。相關(guān)工作以“Lignin-Based Direct Ink Printed Structural Sca?olds”為題發(fā)表在《small》雜志。
在傳統(tǒng)的利用木質(zhì)素制備3D打印結(jié)構(gòu)的過程中，多使用熔融沉淀成型技術(shù)，但是該技術(shù)，需要較高（＞170 ℃）的加工溫度，且適用范圍有限，僅適合部分木質(zhì)素使用，因此亟需開發(fā)一種新型木質(zhì)素3D打印技術(shù)。
由于木質(zhì)素本身的結(jié)構(gòu)所限，其流動(dòng)性較差。研究者通過在3D打印墨水中加入三嵌段共聚物（F127）顯著的改善其流動(dòng)性能，解決了打印過程中噴嘴易堵塞的問題。F127中末端羥基使油墨具有較高的親水性，一方面，通過利用F127包裹木質(zhì)素顆粒，實(shí)現(xiàn)了室溫下較好的流動(dòng)性，另一方面，F(xiàn)127的親水性也可以為打印結(jié)構(gòu)提供更好的附著力。
通過調(diào)節(jié)3D打印墨水中木質(zhì)素與F127的配比，研究者發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素占比為38–56 wt%時(shí)，3D打印墨水具有合適流變性能且能兼顧打印速度，并且這種策略可以適用于多種木質(zhì)素。
在有了合適的墨水配比之后，研究者又研究了木質(zhì)素3D打印結(jié)構(gòu)的性能。木質(zhì)素3D打印結(jié)構(gòu)具有一個(gè)較為完整的結(jié)構(gòu)，且表面具有較好的粗糙性。結(jié)構(gòu)通過凍干后木質(zhì)素含量可以達(dá)到50 %，遠(yuǎn)高于纖維素的8 %左右。結(jié)構(gòu)也具有很高的強(qiáng)度，首先具有較好的自支撐性能，可以獨(dú)立打印成為垂直狀結(jié)構(gòu)，且保持穩(wěn)定；其次，在開有基槽的模板上進(jìn)行打印結(jié)構(gòu)也較為完整，相比較而言，纖維素結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槭湛s產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而斷裂。
木質(zhì)素獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)致密性使3D打印的木質(zhì)素結(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)于3D打印纖維素的性能。木質(zhì)素的熱穩(wěn)定性與其疏水結(jié)構(gòu)使其在水中具有遠(yuǎn)優(yōu)于纖維素的穩(wěn)定性；木質(zhì)素的3D打印結(jié)構(gòu)的密度達(dá)到1.09 g/cm3，濕強(qiáng)度達(dá)到30 MPa，壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.31 MPa，都遠(yuǎn)好于纖維素的性能。基于木質(zhì)素中的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，也使得木質(zhì)素具有更好的耐高溫性能。
在傳統(tǒng)的3D打印過程中，大都使用聚酰胺、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂等石油塑料，因此一種可持續(xù)，可降解，環(huán)境友好的打印材料亟待開發(fā)。但是現(xiàn)有生物質(zhì)3D打印材料與技術(shù)，都存在著許多缺陷。本文中作者即利用造紙廢料木質(zhì)素與F127共聚物相結(jié)合，制備了一種可在室溫條件下進(jìn)行3D打印，且結(jié)構(gòu)具有一定強(qiáng)度的3D打印材料與技術(shù)。通過油墨印刷法3D打印木質(zhì)素結(jié)構(gòu)在某些應(yīng)用中具有替代工程塑料的巨大潛力，這將推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展，也極大的促進(jìn)未來木質(zhì)材料的工程化應(yīng)用。
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