Американські матеріалознавці використовували 3D-принтер для друку дерев’яних конструкцій із суміші целюлози та лігніну. Після гарячого пресування за 180 градусів за Цельсієм брусок із такого матеріалу виявився схожим із натуральною деревиною з бальзи за візуальними та механічними властивостями. Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.
Md Shajedul Hoque Thakur et al. / Science Advances, 2024
У процесі обробки деревини для виготовлення конструкцій непотрібні частини обточують або вирізають для надання потрібної форми, що призводить до утворення колосальної кількості тирси. Тирса, хоч і знаходить застосування при виготовленні деревно-стружкових плит, все ще є нераціональною тратою деревини. У сучасному світі 3D-друк докорінно змінив підходи до виготовлення конструкцій: за допомогою 3D-друку можна друкувати різноманітні вироби від дамаської сталі та вуглецевого транзистора, який можна переробляти, до вушної раковини та десерту з семи інгредієнтів.
Група матеріалознавців під керівництвом Мухаммада Рахмана (Muhammad M. Rahman) з університету Райса та Ок-Ріджської національної лабораторії розробили склад для 3D-друку матеріалу, за властивостями та складом схожого на деревину. На відміну від інших робіт, вони вирішили відмовитися від добавок і органічних розчинників і використовувати водний розчин лігніну з твердих порід дерева і суміші нановолокон і нанокристалів целюлози.
Щоб позбутися залишку газів і розчинника, вчені попередньо нагрівали лігнін до 180 градусів Цельсія протягом години. Цей крок допоміг поліпшити механічні властивості кінцевого виробу. Потім матеріалознавці змішували лігнін, нановолокна і 10-відсотковий розчин нанокристалів целюлози у співвідношенні 10 : 15 : 142. Після цього вони поміщали суміш у планетарний млин для рівномірного розподілу компонентів. Після цього автори завантажували суміш в екструдер для подальшого друку. Подібний матеріал і вироби з нього виявилися перероблюваними – тобто надруковану деревину можна перемолоти і знову завантажити в екструдер заливши достатньою кількістю води.
Під час вимірювання механічних властивостей складу для друку виявилося, що на залежності в’язкості від швидкості зсуву (важливий параметр для 3D-друку методом робокастингу) він поводиться як глина. До того ж склад для друку зазнає переходу з в’язко-пружного твердого тіла в в’язко-пружну рідину за великих зсувних навантажень – тобто під час друку він буде розріджуватися, щоб із достатньою швидкістю виходити з сопла 3D-принтера, і тверднути, щойно навантаження зникне.
За даними термогравіметричного аналізу, надрукований зразок деревини з лігніну та целюлози стійкий до 250 градусів Цельсія, як і справжня деревина, проте розкладання протікає набагато повільніше і при цьому після згоряння залишається на 15 відсотків більше вугільних залишків.
Щоб відтворити волокнисту структуру деревини, автори висушили зразок сухим льодом, потім нагріли до 180 градусів Цельсія для укрупнення частинок лігніну, а потім піддали гарячому пресуванню за 180 градусів у різних конфігураціях з метою відтворення анізотропних властивостей деревини. Виявилося, що з п’яти конфігурацій (непресовані, одноразово пресовані в напрямку друку і в площині друку, і в двічі пресовані в обох напрямках, але в різному порядку) найкращими механічними властивостями володіють двічі пресовані зразки, в яких порожнини між шарами схожі з натуральним деревом.
Модуль пружності непресованого й одноразово пресованих зразків надрукованої деревини поступався у два-три рази натуральній бальзовій деревині, чий модуль дорівнював приблизно 500 мегапаскалів, тоді як для двічі пресованого зразка перевищив його в чотири-п’ять разів. За модулем вигину всі пресовані зразки обійшли натуральну деревину з бальзи, максимальне значення становило 1180 мегапаскаль. При цьому міцність на стиск у двічі пресованих зразків у 6 разів перевищує міцність деревини і досягає значень у 31 мегапаскаль. І хоча ці значення не дотягують до значень міцності деревини (сосна, дуб, ясен і береза мають міцність понад 40-50 мегапаскалів), отриманий матеріал такий самий легкий, як і деревина бальзи, що дасть змогу досягти порівнянної міцності за умови збільшення маси виробу.