مروری بر چاپ سه بعدی با سلولز گیاهی و مشتقات آن

بسپار/ ایران پلیمر  چاپ سه بعدی به عنوان یک فناوری ساخت تحول¬آفرین و جهش¬آفرین طبقه-بندی شده است. سلولز و برخی مشتقات آن، به طور گسترده برای بسیاری از کاربردها، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. چاپ سه بعدی در کنار به کارگیری مواد اولیه بر پایه سلولز بسیار مورد توجه قرار گرفته است. مقاله مروری حاضر، مطالعات فراوان انجام شده در رابطه با کاربردهای چاپ سه بعدی با سلولز گیاهی و مشتقات آن را به شکل برجسته نشان می‌دهد. اترها/استرهای سلولز، سلولز ریزبلوری (microcrystalline)، مواد نانوسلولزی و سایر محصولات سلولزی از جمله مواد مناسب برای چاپ سه بعدی هستند. گزارش پیش رو بر نقش و سازوکارهای آن‌ها در فرایندهای چاپ سه بعدی و عملکرد محصولات چاپ شده حاصل تمرکز دارد. هم¬چنین چشم¬اندازی بر کارهای آتی فراهم آورده تا موضوعات مهم و فرصت‌ها را برجسته نماید.

1- مقدمه

چاپ سه بعدی (3D) (که با نام ساخت افزایشی نیز شناخته می‌شود) نوآوری‌های اساسی در طیف وسیعی از حوزه ها هم چون انرژی، زیست فناوری، ابزارهای پزشکی و سایر زمینه‌ها را به همراه دارد. اولین فرایند چاپ سه بعدی در سال 1986 میلادی توسط Charles W. Hull با نام “استریولیتوگرافی” (فضا سنگ نگاری) به ثبت رسید. با چاپ سه بعدی، اشیا را می‌توان به طور دیجیتالی طراحی و با الگوی لایه به لایه، کاملا دقیق، بدون نیاز به قالب، ریژه (دای) و نقاب های سنگ نگاری (ماسک‌های لیتوگرافی) تولید کرد. این فرایند زمینه¬ساز شرایطی است که در آن، تولید تا حد زیادی به شکل خودکار و تکرارپذیر انجام می‌گیرد، ضمن این که محیط برای تولید مستقیم ساختارهایی فراهم می‌گردد که تنها می‌توان آن ها را از طریق روش‌های ساخت کاهشی (subtractive) معمول و  به سختی تهیه کرد. چاپ سه بعدی به علت توانمندی‌اش در تهیه نمونه اولیه، طراحی‌های خاص و دلخواه مشتری، پیچیدگی ساختاری زیاد و تولید سریع، بر اساس تقاضا، ساخت محصولاتی با حجم کم و هزینه کم، محبوبیتی رو به رشد دارد. از این رو چاپ سه بعدی انقلابی در نسل آینده تولیدات قلمداد می‌گردد.

روش های چاپ سه بعدی به طور کلی به چهار گروه تقسیم بندی می‌شوند:

1. روش‌های بر پایه‌ی رانشگری (اکستروژن)، مثل مدل رسوب مذاب (FDM) و نوشتن مستقیم با جوهر (DIW) 

2. روش‌های بر پایه ذوب ذرات، مثل تف جوشی (sintering) لیزری انتخابی (SLS)

3. فضاسنگ نگاری (استریولیتوگرافی-SLA)

4. چاپ جوهرافشان (inkjet) 

اگرچه این امکان وجود دارد که یک ماده را توسط فناوری‌های مختلف چاپ سه بعدی، چاپ کرد، “فرمول¬بندی¬های جوهر”، یعنی ترکیبات مواد قابل چاپ، بسیار متنوع هستند. به طور کلی، جوهرهای قابل چاپ با چاپگر سه بعدی می‌بایست یک پاسخ گرانروکشسان (ویسکوالاستیک) قابل کنترل از خود نشان دهند، تا مقاومت کم در برابر رانشگری حین عبور از افشانک¬ها (نازل¬ها) را خنثی کنند. هم¬چنین این مواد باید شبکه‌های پایداری را تشکیل دهند که بتواند در برابر تنش‌های فشاری ناشی از نیروهای مویین (capillary) مقاومت کنند و هم¬چنین باید جمع-شدگی محدودی داشته باشند تا در حین خشک شدن محصول نهایی، مانع تغییرشکل و تشکیل ترک شوند. رایج‌ترین “جوهرهای” چاپ سه بعدی تجاری بر پایه فلزات، گرمانرم‌ها و سرامیک‌ها هستند. 

مواد پایه زیستی، به علت علاقمندی به یک “جامعه پایه زیستی” و دغدغه‌های محیط زیستی مرتبط با استفاده از منابع فسیلی، توجهات زیادی را به خود جلب کرده است. بدین دلیل، انگیزه‌های فراوانی برای به کارگیری مواد سلولزی در چاپ سه بعدی وجود دارد. سلولز به عنوان جز اصلی گیاهان، یک بسپار ماندگار (sustainable) و پایان¬ناپذیر است که برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون ساخت محصولات سازگار با محیط زیست توانمندی کافی را دارد. سلولز از واحدهای تکرارشونده β-D-گلوکوپیرانوز تشکیل شده است که با پیوندهای اشتراکی از طریق گروه‌های استال بین اتم کربن C1 و گروه‌های OH– استوایی (equatorial) از اتم C4 (پیوندهای β-1،4-گلیکوسیدی) متصل شده¬اند. سلولز مشتقات فراوانی دارد که از میان آن‌ها می¬توان به استرها/ اترهای سلولزی، محصولات سلولزی با ابعاد میکرو/ نانو و غیره اشاره کرد. تعداد زیادی از مشتقات سلولز مثل اترها/ استرهای سلولزی و سلولز ریزبلوری (MCC)، برای سال‌های زیادی محصولات تجاری مهمی داشته‌اند. قابل ذکر است که از کاغذهای پایه سلولزی، قرن‌ها، برای چاپ استفاده شده است. با ظهور فناوری چاپ سه بعدی، سلولز و مشتقات آن نیز به “جوهرهای” امیدوارکننده‌ای تبدیل شدند که مسیر مناسبی را برای ساخت ساختارهای ماندگار تشکیل می‌دهند. 

گزارش مروری پیش رو کارهایی را که تاکنون در زمینه استفاده از سلولز و مشتقات آن در روش چاپ سه بعدی انجام شده است به طور خلاصه عنوان می‌کند. در ابتدا، مطالعات انجام شده در رابطه با سلولز در چاپ سه بعدی به عنوان زیرلایه¬ها (substrates) و بلوک‌های ساختاری مطرح می‌شود، سپس پیشرفت‌های اخیر در زمینه کاربرد مشتقات سلولز، شامل اترها/ استرهای سلولزی و ریزبلورهای سلولزی و نانوسلولزی در چاپ سلولزی مطرح می‌گردد. در نهایت، دیدگاه مرتبط با کارهای آتی در این زمینه به اشتراک گذاشته شده است. این گزارش مروری، توجه محققان در هر دو زمینه مواد سلولزی و چاپ سه بعدی را به خود جلب خواهد کرد و توسعه ایده‌های جدید در این فضا را آسان خواهد نمود.

(ادامه دارد…)

متن کامل این مقاله را در شماره 208 ماهنامه بسپار که درنیمه بهمن ماه منتشر شده است، بخوانید. 

در صورت تمایل به دریافت نسخه نمونه رایگان و یا دریافت اشتراک با شماره های 02177523553 و 02177533158 داخلی 3 سرکار خانم ارشاد تماس بگیرید. نسخه الکترونیک این شماره از طریق فیدیبو قابل دسترسی است.