德国泰尔托夫亥姆霍兹Hereon中心可持续性功能材料研究所的研究人员，协同勃兰登堡工业大学科特布斯·森夫滕贝格分校材料化学研究所以及柏林的VESC工作室，成功研制出一种水基3D打印墨水。

该墨水的成分中约70%为木质素，这是一种造纸过程和生物质提取的副产品。具体而言，其成分包含70 wt%的木质素磺酸盐，这是一种占木质素废物流约88%的制浆工业副产品，实现了废弃物的高值化利用。

这种墨水专为直接墨水书写技术设计，这是一种通过在室温下逐层挤出材料来构建物体的3D打印技术。该过程无需有机溶剂、化学交联剂、冷冻干燥或热后固化。

研究团队配制出的墨水能够在压力下流过打印机喷嘴，并在无需化学处理或高温固化的条件下固化。所有组分均为水溶性，其中甲基纤维素充当可逆的物理粘结剂，甘油作为增塑剂，所有组分以1:1的干质量与水比例混合。

流变学测量显示，墨水具有剪切稀化行为，粘度随剪切速率增加而下降，这对挤出至关重要。振荡测试确定了约14 Pa的屈服应力。

这克服了早期木质素基墨水通常需要永久性键合工艺的局限性，从而避免了阻碍回收利用的步骤。新配方使得打印出的物体可以通过加水溶解并多次重塑。

该研究的主要作者之一玛丽亚·巴尔克博士表示：“我们想证明，像木质素这样的废弃物衍生材料，既能满足现代3D打印的技术要求，又能提升可持续性。”

为此，研究人员将一种工业废料转化为水基3D打印墨水，只需加水即可完全回收。

该研究已发表在《ACS可持续化学与工程》期刊上。

在测试中，该墨水经过多次加水回收循环后，仍能保持结构性能，并且在打印后材料强度能迅速恢复。它也不需要任何额外的处理来保持形状。

相比之下，大多数聚合物基墨水来源于化石燃料，且无法再加工。

该研究的通讯作者弗朗西斯卡·托马教授指出：“木质素是木材中最丰富的成分之一，但很大程度上未被充分利用。”她表示，将其转化为完全可回收的材料，展示了废弃物如何在一个亟需可持续解决方案的行业中驱动创新。

打印出的结构可通过研磨和再水化进行回收，在多达九次的重複使用循环中，其刚度和热降解行为均得以保持，证实了基于可逆物理交联实现材料多次循环的可行性。

力学性能可随甲基纤维素与甘油的比例变化进行调节，杨氏模量范围可从2.4 MPa至106.9 MPa。

干燥过程中的体积收缩因具体配方而异，复杂几何结构在室温下需要48小时完成干燥。

微计算机断层扫描显示打印样品的孔隙率在14%到19%之间。SEM成像确认了在0.8 mm至0.2 mm的喷嘴直径下可实现层间融合。

该材料在高达200°C下表现出热形状稳定性，在室内条件下能保持尺寸稳定性，但在高湿度环境下会吸水导致力学性能变化。

回收实验显示，经过九个循环的研磨、再水化和重新打印，材料的杨氏模量保持在原始值的约±15%以内，热降解峰也未发生偏移。

生命周期数据表明，该木质素基材料的温室气体排放量在每公斤0.15至1.1千克二氧化碳当量之间。其材料成本计算为每克0.05欧元，与常见热塑性长丝相当，同时室温加工也消除了熔融挤出和后固化所需的能耗。

研究团队表示，计划扩大生产规模，并在那些低能耗加工和材料再利用能带来操作优势的应用领域进行测试。潜在应用领域包括消费品、医疗器械和车辆系统等领域的原型制作和零部件制造。