Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine Methode entwickelt, wie sie aus Zellulose-Nanokristallen und einem synthetischen Kunststoff ein nachhaltiges 3D-Drucker-Material herstellen können. Das Material sei den Forschern zufolge „härter als manche Knochenarten oder Aluminium“. Wir stellen ihre Arbeit vor.
Forscher am am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben laut einer Pressemitteilung einen neuartigen 3D-druckbaren Verbundwerkstoff auf Pflanzenbasis entwickelt. Sie mischten synthetischen Kunststoff mit Zellulose-Nanokristallen (CNCs) sowie Ketten organischer Polymere die in Pflanzen vorkommen. Dabei entstand ein Material mit einer verstärkten Ziegel- und Mörtelstruktur, die dem Inneren einer Molluske ähnelt. Einen anderen Einsatz für Nanozellulose wählten die Forscher der Hebrew University of Jerusalem. Sie entwickeln aus Nanozellulose bestehende, kalorienfreie Mahlzeiten aus dem 3D-Drucker.
Extrem hart aufgrund von hohem Anteil an Verbundwerkstoff
Die Forscher erhöhten den CNC-Anteil des Verbundwerkstoffs auf bis zu 90 %, wodurch das Material laut den Wissenschaftlern „härter als manche Knochenarten und härter als typisches Aluminium“ wurde.
A. John Hart, Professor für Maschinenbau am MIT, sagte:
„Durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit CNCs bei hoher Belastung können wir Materialien auf Polymerbasis mechanische Eigenschaften verleihen, die sie zuvor noch nie hatten. Wenn wir erdölbasierten Kunststoff durch natürlich gewonnene Zellulose ersetzen können, ist das wohl auch besser für den Planeten.“
Für ihr neuartiges Material haben die Forscher des MIT CNCs in ein Epoxid-Oligomer gemischt und einen Photoinitiator ergänzt. Daraus wurde ein Gel. Geplant war ein Nanokomposit mit einer Konsistenz, das durch eine 3D-Druck-Düse geführt oder in eine Form gegossen werden kann, ohne Klumpen zu bilden, die sonst eine schlechte Kunststoffkohäsion verursacht hätten.
Abhinav Rao, PhD, Forscher des Projekts, erklärt:
„Wir haben Holz im Grunde dekonstruiert und wieder aufgebaut. Wir haben die besten Bestandteile von Holz, nämlich Zellulose-Nanokristalle, genommen und sie rekonstruiert, um ein neues Verbundmaterial zu erhalten.“
Test des Materials
Die MIT-Forscher untersuchten ihr Material unter einem Mikroskop, wo sie ein Perlmutt-ähnliches Muster erkannten. Das Team geht aufgrund der „Zick-Zack“-Mikrostruktur und dem CNC-Gehalt von bis zu 90 % davon aus, dass sein Verbundstoff auf Zellulosebasis mit einem 3D-Drucker verarbeitet oder in hochbeständige Formen geformt werden könnte.
Sie führten das Gel in einen DIW Hyrel 3D Engine SR-Drucker ein, der mit einem pneumatischen Extruder ausgestattet war, der das Gel in 0,5 mm-Schichten abgab. Nach dem 3D-Druck härteten sie die Objekte aus, trockneten und polierten sie.
Es zeigte sich, dass das Gel bei der Extrusion um 80 % schrumpfte, was an der Lösungsmittelverdampfung während der Trocknung liegen soll. Ein Sondenbeschallungsgerät zum Dispergieren von CNCs in das Gel war ein hochwirksames Mittel, um sie mit Polymeren zu vereinen. Bei Kratz-Bewertungen versuchten die Forscher, ihre Cent-großen Prototypen absichtlich zu knacken. Die Art der Anordnung der Zellulosekörner im Verbundwerkstoff ließ das nicht zu.
Rao ergänzt:
„Wäre die Schrumpfung zu vermeiden, ließe sich das Ganze weiter skalieren, vielleicht bis in den Metermaßstab. Wenn wir große Träume hätten, könnten wir dann einen erheblichen Teil der Kunststoffe durch Zellulose-Verbundwerkstoffe ersetzen.“