Een team onderzoekers van de universiteit van Freiburg heeft een biologisch afbreekbaar houtmateriaal ontdekt waarmee lichtgewichtgebouwen en andere complexe structuren kunnen worden geprint.
Het materiaal is een soort dikvloeibare brij, die bestaat uit 100 procent organisch papiermateriaal. De brij heeft twee bestanddelen, cellulose en lignine, die allebei voorkomen in het hoofdingrediënt van papier: hout.
Printer bevat organisch beton en wapeningsstaal
Cellulose, een complex koolhydraat dat bestaat uit suikermoleculen, is de meest voorkomende organische stof ter wereld. Het is namelijk de voornaamste bouwsteen van de celwanden van de meeste planten. Zuivere katoen bevat 90 procent cellulose en bomen 40-50 procent.
Cellulose is te vergelijken met wapeningsstaal in een betonnen muur: het is het chemische skelet dat de structuur van een plant stevigheid geeft.
Een 3D-printer met een organische brij van 50% cellulose en 50% lignine uit papierproducten print structuren voor de bouw. Als de gebouwen uit elkaar vallen, kan het materiaal opnieuw worden gerecycled.
Het tweede bestanddeel van het nieuwe materiaal is lignine. Als cellulose wapeningsstaal is, is lignine beton. Lignine vult namelijk de holten in de cellulosemoleculen van de celwanden, verbindt ze met elkaar en reguleert de soepelheid van de structuur.
Lignine vormt 30 procent van de organische koolstof in de atmosfeer en komt vooral voor in bomen en andere houtige planten. Het zorgt voor de verhouting die de planten stevigheid geeft.
Slechts 58% van het papier wordt gerecycled
De onderzoekers gebruikten lignine en hydroxypropylcellulose (een vorm van cellulose waarbij de moleculen zich organiseren als kristallen, hoewel de stof vloeibaar is) en verbonden de twee stoffen aan elkaar met een carboxylzuur, dat ervoor zorgt dat overtollig water zich afsplitst. Zo vormden ze een soepel bioplastic, waarmee je in 3D kunt printen.
Een materiaal waarmee in 3D wordt geprint, wordt aan zulke hoge temperaturen blootgesteld dat het smelt. Daarna wordt het door een spuit geperst en uiteindelijk stolt het weer in de gewenste vorm.
Lignine smelt echter niet bij een hoge temperatuur. Het verkoolt, en daardoor wordt het te dik. Maar dankzij de combinatie met cellulose blijft het vloeibaar.
Tot dusver hebben de onderzoekers zuivere lignine uit berken gehaald, maar de volgende stap is te onderzoeken hoe restproducten van de papierproductie kunnen worden gerecycled. De papierindustrie produceert namelijk heel veel lignine als restproduct, die nu doorgaans wordt verbrand. De hoop is dat de papierresten in de toekomst kunnen worden gebruikt voor de bouw van huizen.
Alleen al in de VS wordt per jaar 85 miljoen ton papier verbruikt. En wereldwijd wordt slechts 58 procent van het papier gerecycled.