Celuloza surowcem do druku 3D

Już od stuleci celuloza stanowi najpopularniej stosowany materiał przeznaczonego do druku – papieru. Niedawno, dzięki nowym wynikom badań przeprowadzonych na amerykańskiej uczelni Massachusetts Institute of Technology (MIT), pojawiła się szansa by celuloza stała się popularnym środkiem drukarskim w trójwymiarze - zastosowany jako substancja odnawialna, biodegradowalna alternatywa dla polimerów stosowanych obecnie w druku 3D.

Jak przedstawia to stypendysta post-doktorancki Sebastian Pattinson, autor artykułu na temat nowej technologii druku 3D w dzienniku Advanced Materials Technologies - celuloza stanowi najpopularniejszy polimer organiczny na świecie. - Współautorem artykułu jest profesor nadzwyczajny inżynierii materiałowej oraz prof. katedry nowoczesnych technologii A. John Hart.

Jak twierdzi Pattinson - najcenniejszymi właściwościami drewna są jego parametry mechaniczne. Ponieważ zwykły papier ma tak przystępną cenę, jest odnawialny i biodegradowalny oraz uniwersalny chemicznie, znajduje zastosowanie w wielu produktach. Celuloza wraz z pochodnymi, to substancje znajdujące zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, medycznym, jako dodatek do żywności, materiałów budowlanych czy w branży odzieżowej - we wielu obszarach gospodarki. Większość produktów wykorzystujących celulozę może z powodzeniem zastosować dodatki umożliwiające produkcję w technologii druku 3D. -

Technologie produkcji metodą druku 3D rozwijają się bardzo dynamicznie. Jak przedstawia to Pattinson - poza głównymi zaletami, technologia ta umożliwia spersonalizowanie każdego wytwarzanego produktu.

Wykorzystanie celulozy jako materiału do produkcji substancji wzbogacających nie jest tu nową koncepcją. Wielu badaczy podejmowało w przeszłości takie wyzwania, lecz musieli się oni mierzyć z trudnościami. Podgrzewana celuloza rozkłada się termicznie zanim przejdzie w stan płynny. Częściowo jest to spowodowane wiązaniami wodorowymi znajdującymi się między cząsteczkami celulozy. Wiązania międzycząsteczkowe sprawiają, że roztwory celulozy o wysokiej koncentracji są zbyt lepkie, aby umożliwić łatwe wytłaczanie.

Zespół z MIT zdecydował się na badania nad octanem celulozy. To substancja łatwa do uzyskania z celulozy, aktualnie produkowana w dużych ilościach i powszechnie dostępna. Co najważniejsze, ilość wiązań wodorowych w substancji została zredukowana przez grupy octowe. Octan celulozy jest rozpuszczalny w acetonie i umożliwia wytłaczanie przez dyszę. Ponieważ aceton szybko odparowuje, octan celulozy utwardza się po aplikacji. Następnie, opcjonalna obróbka wymienia grupy acetonowe i zwiększa twardość elementów wydrukowanych w 3D.

- Po wykonaniu wydruku 3D, sieć wiązań wodorowych jest przywracana przy użyciu wodorotlenku sodu. Wytrzymałość i twardość uzyskanych elementów... jest większa niż wielu znanych nam powszechnie materiałów - jak przyznaje profesor Pattinson dotyczy to również wydruków z ABS i PLA.

Pattinson i Hart, chcąc zademonstrować chemiczną wszechstronność procesu produkcyjnego, postanowili nadać wydrukom nowy wymiar. Dzięki dodaniu niewielkiej ilości barwnika antybakteryjnego do atramentu octanu celulozy, udało się wydrukować w 3D parę pęset chirurgicznych o działaniu antybakteryjnym.

- Udowodniliśmy, że te przedmioty podświetlone światłem ultrafioletowym zabijają bakterie - mówi Pattinson. Właśnie takie, specjalnie zaprojektowane narzędzia mają szansę znaleźć zastosowanie w odległych punktach pomocy medycznej. W lokalizacjach, gdzie występuje zapotrzebowanie na narzędzia chirurgiczne, lecz ich dostawy są utrudnione ze względu na występujące uszkodzenia w transporcie lub konieczność zastosowania niestandardowych narzędzi. - Jak twierdzi Pattinson - gdy sterylność sali operacyjnej nie jest idealna, właściwości antybakteryjne mogą okazać się kluczowe. -

Większość aktualnie stosowanych wytłaczarek stosowanych do druku 3D działa w oparciu o podgrzewanie polimeru w celu uzyskania przepływu. Wydajność produkcyjna jest ograniczona ilością ciepła dostarczanego do polimeru bez jednoczesnego uszkadzania go. - Proces formowania celulozy odbywa się w temperaturze pokojowej i opiera się na odparowywaniu acetonu w celu utwardzenia wydrukowanych elementów. Technologia ta jest szybsza, a ponadto dodatkowe rozwiązania techniczne, jak układanie cienkich pasków materiału, mogą dodatkowo przyspieszyć i zwiększyć wydajność aplikacji na powierzchni. Nadmuchiwanie gorącego powietrza może przyspieszać proces parowania. System produkcyjny ma również za zadanie odzyskiwanie parującego acetonu, zwiększając efektywność kosztowną i przyjazność dla środowiska.

Octan celulozy jest powszechnie dostępny, jako towar surowcowy. Oferowany luzem jest porównywalny cenowo z tworzywami termoplastycznymi stosowanymi do formowania wtryskowego. Jest natomiast znacznie tańszy od typowych materiałów filamentowych, używanych do druku 3D. Powyższe zalety połączone z zastosowaniem procesu w warunkach temperatury pokojowej, oraz różnorodnym zastosowaniem celulozy stwarza szanse na sukces komercyjny.

Badania prowadzone były z wsparciem Narodowej Fundacji Nauki (National Science Foundation).