[发明专利]一种用于3D打印的天然植物纤维及其打印方法

说明书

本发明公开了一种用于3D打印的天然植物纤维及其打印方法。该天然植物纤维的表面被溶解液部分溶解，并与溶解液一起形成具有流动性的凝胶状物，该凝胶状物直接用于3D打印，打印成型后的制品由微米级植物纤维紧密缠绕构成。本发明的打印方法包括如下步骤：先将天然植物纤维的表面部分溶解，然后使用上述溶解后的植物纤维进行3D打印，打印后通过溶剂交换固化和干燥得到由纯微米级植物纤维构成的3D打印成品。本发明实现了全植物纤维制品的直接3D打印，其打印方法具有原料来源广泛，成本低廉，工艺步骤简单等特点，具有良好的发展前景。

技术领域

本发明涉及一种经微结构调控后的植物纤维，可直接用于3D打印，属于人工微结构材料、3D打印领域。

背景技术

由于以石油为基础的化学品和材料的滥用，世界正面临严峻的环境和生态问题，这就需要开发绿色环保的可持续材料作为替代。在这方面，纤维素生物质由于其无处不在的丰富性、可再生性和高机械性能而成为一种合适的解决方案。人类对天然纤维素基材料(如纸张，木材，棉等)的应用已有数千年的历史，而且这些材料在当今社会中仍具有相当可观的用途，如林业，造纸业，纺织业等。使用较为坚固的木材制作家具与工业零配件是天然纤维素材料主要的应用途径之一，对木材的应用也几乎贯穿了人类各文明从古至今的发展流程。木材具有价廉而环保的特点，并具有良好的机械强度，满足建筑、工业等领域所需的强度，利用纤维素制备新型的材料具有重大的科学价值和社会意义。

然而，天然纤维素材料缺乏可设计性与连续性。传统的木材工业多侧重于减材制造的方式，通过对整块的木材进行切削或雕刻，制造出满足使用需求的复杂外形。因此无法对于整块的结构进行塑形，直接设计外形。一种改进的方式为使用几何结构简单的木质零件拼接或胶粘的方法，来制造出几何结构复杂的组合体。这种方式可以避免单独的减材制造所带来的大量原材料浪费，也为木材的应用提供了更多的途径，但这种方式依旧无法解决木材的各向异性，并且在木质零部件的接合点将成为力学上不牢靠的薄弱点。另外，接合点的胶粘剂会引入甲醛等污染物，危害人体。

3D打印可以突破传统材料在设计性与连续性上的限制，使得对复杂外形产品的制备不再费时费力，因此，纤维素3D打印的研究价值与日俱增。以纤维素为主体的3D打印进展目前集中于纳米纤维素的3D打印(如：HaKansson K,Henriksson I C,Cristina D,etal.Solidification of 3D Printed Nanofibril Hydrogels into Functional 3DCellulose Structures[J].Advanced Materials Technologies,2016:1600096)，纳米纤维素来自于植物，具有良好的物理与化学性能，但将纳米纤维从植物纤维中抽取出来的制备时间和成本非常高，工艺复杂，限制了天然植物材料在3D打印方向的进展。

由于纳米纤维素来源于植物的微米纤维，因此若能使用植物的微米纤维，即植物的细胞(如造纸纤维)，来直接作为3D打印的原材料，将极大降低成本，简化工序。但组成植物纤维的天然纤维素没有热塑性，也没有溶剂塑性，因此常用的利用热塑性、溶剂塑性打印的原理和方法都不适用。同时，植物微米纤维间彼此由氢键相连，使其无法分散为可3D打印的状态；微米级的植物纤维彼此间不具备足够的润滑能力，流动性不足，难以挤压出来；且木粉等粉末状天然植物材料之间的接触面积不足，形成的氢键太弱，结合力和强度均不足。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种直接使用天然植物纤维进行3D打印，并保留植物纤维的微米结构的方法。此打印方法得到的成品具有良好的外形保持能力与机械性能。

本发明采用的技术方案为：

一种用于3D打印的天然植物纤维，该天然植物纤维的表面被溶解液部分溶解，并与所述溶解液一起形成具有流动性的凝胶状物，该凝胶状物直接用于3D打印，打印成型后的制品由微米级植物纤维紧密缠绕构成。

进一步地，所述植物纤维为破壁或非破壁的植物细胞。