木材是人類最古老和用途最廣泛的建築材料之一——但將樹幹變成今天的膠合板和二乘四木材會產生大量廢料。 僅在美國，每年就產生約 1800 萬噸廢木材，其中超過 1200 萬噸最終進入垃圾填埋場。 但研究人員現在找到了一種方法，可以將其中一些廢料變成木材“墨水”，最終可用於3D 列印傢俱或建築元素等物品。 發表在 3 月 15 日的《科學進展》雜誌上的一項研究中描述的所得材料，外觀、感覺和氣味都像天然木材，並且物理特性也與木材相似。
基於木材的 3D 列印本身並不新鮮。 然而，現有的墨水通常是透過將鋸末與粘合劑混合製成的。 這會產生一種類似木材的複合材料，但缺乏許多賦予木材吸引力的物理和美學特性。 在新的工藝中，“我們試圖模仿天然木材，”萊斯大學材料科學研究員 穆罕默德·拉赫曼 說，他是該研究的作者之一。
天然木材主要由稱為纖維素和木質素的有機聚合物以及少量的果膠、蠟和其他化合物組成。 為了將廢木材轉化為 3D 列印墨水，研究人員首先將木質素和纖維素結合在一起，使這些材料的比例與天然木材中的比例相同。 拉赫曼說，對於工藝的這一部分，可以使用任何種類的木材或廢木材。 事實上，“它甚至不需要是木材，”他補充道。 “你可以[使用]任何含有木質素和纖維素的植物[並]解構它，然後混合它。”
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主要的挑戰是創造出具有恰到好處的“流動性”的墨水，科學家稱之為流變學特性。 他們使用的 3D 列印方法稱為直接墨水書寫 (DIW)，涉及將液態墨水擠壓透過微米級噴嘴，一次“繪製”一點所需的結構。 DIW 印表機在實驗室中很常見，並用於小批次製造，它可以從幾乎任何材料（包括聚合物、陶瓷、玻璃、水泥或金屬）列印 3D 結構，前提是墨水製造正確。 “你需要完美的流變學，”拉赫曼說。
為了獲得完美的混合物，研究人員嘗試了兩種不同形式的纖維素：長鏈分子，稱為奈米纖維，以及結晶結構，稱為水基溶液中的奈米晶體。 “如果你使用的奈米纖維多於奈米晶體，你會得到無法列印的塊狀球體，或者你需要非常高的壓力才能列印，”拉赫曼解釋說。 相反，過多的奈米晶體會使墨水變得水狀，並且由此打印出的結構無法保持其形狀。
研究人員找到了纖維素分子的正確組合，並使用木質素將它們粘合在一起。 因為他們沒有包含現有型別的木材列印中使用的任何合成新增劑，所以墨水和由此產生的列印結構都可以回收成其組成部分。
作為概念驗證，研究人員列印了微型傢俱、字母表和一個蜂窩狀格子。 這些結構確實需要一些額外的處理才能完全保持其形狀：風乾會使它們變形，因此研究團隊在 -80 攝氏度（-112 華氏度）的真空中將它們冷凍乾燥。 接下來，對它們進行 180 攝氏度（356 華氏度）的熱處理，這導致木質素軟化並更好地粘合。
以這種方式列印的結構具有類似於天然硬木的機械和熱效能：它們的彎曲和壓縮方式相似，並且具有相當的耐火性，拉赫曼解釋說。 “我們的下一個目標是進一步提高機械效能，使其超越硬木的效能，”他說。 例如，某些新增劑可能會使木材更耐火。
凱文·埃斯特爾，華盛頓州立大學微型 DIW 工藝研究員，表示這項新研究對調整木材墨水功效的方法進行了全面評估。 DIW “最適合用於使用各種材料建立高度複雜和定製的零件，”他說。 但他指出，這種型別的 3D 列印速度相對較慢，並質疑像這樣的工藝是否可以取代傳統的木材零件生產方式，用於更大規模的傢俱或建築。
拉赫曼認為，進一步調整新型木材墨水的流變學特性可以加快列印時間。 他和他的團隊也在努力減少其列印產品目前需要保持形狀的能源密集型後處理。 未來的研究可以比較他們的回收方法的能源和成本與傳統木材加工方法的能源和成本。