3D打印循环复合材料：基于制革固废升级再造的可持续皮革替代材料

针对制革业固体废弃物污染及时尚行业对生物基皮革替代品的需求，研究人员通过优化含30%(w/w)戊二醛处理皮革碎屑和55%(w/w)水解细菌纤维素的明胶-甘油基质复合材料，开发出兼具机械性能（拉伸强度3.8MPa，断裂变形20.1%）与3D打印（Direct Ink Writing）能力的可持续材料，为个性化定制皮革替代品提供了创新解决方案。

　　

皮革工业每年产生数百万吨固体废弃物，其中高达80%的鞣制皮革废料未能得到可持续处理。传统制革工艺使用的铬鞣剂会引发重金属污染，而时尚行业对个性化定制需求的激增，进一步加剧了环境压力。在此背景下，开发兼具生态友好特性和可定制功能的皮革替代材料，成为解决资源浪费与污染问题的关键突破口。

研究人员创新性地将制革厂废弃的皮革碎屑升级再造，通过戊二醛(glutaraldehyde)交联处理增强稳定性，并与水解细菌纤维素(hydrolyzed bacterial cellulose)复合，构建出以明胶-甘油(gelatin-glycerol)为基质的生物基材料。该研究通过材料配比优化（30%皮革碎屑+55%细菌纤维素）和3D打印工艺开发，实现了从废弃物到高附加值产品的闭环转化。相关成果发表于《Applied Materials Today》，为时尚产业的可持续转型提供了技术范式。

关键技术方法包括：1）利用制革厂固体废弃物作为原料；2）戊二醛交联改性处理皮革碎屑；3）细菌纤维素水解工艺优化；4）Direct Ink Writing（直接墨水书写）3D打印技术；5）材料机械性能测试（拉伸强度、杨氏模量等）。

材料优化与表征
通过系统筛选填料比例，确定含30%(w/w)皮革碎屑和55%(w/w)细菌纤维素的复合材料具有最佳性能。干燥后材料机械性能接近植物鞣制皮革，拉伸强度达3.8MPa，断裂变形20.1%，杨氏模量210.2MPa，证实其可作为结构材料使用。

3D打印适应性
水基态复合材料表现出剪切稀化特性和适宜粘度（102-103 Pa·s），满足Direct Ink Writing的流变学要求。创新性地将干燥复合材料作为打印基板，实现了材料自支撑打印和表面图案定制，拓展了个性化设计可能性。

循环经济价值
研究构建了"废弃物-材料-产品"的闭环系统：皮革废料经处理后重新成为原材料，3D打印产生的废料可再次溶解利用。这种设计使材料循环利用率提升至理论最大值，较传统线性生产模式减少92%的原料消耗。

该研究首次将制革固废、细菌纤维素与增材制造技术结合，开发出机械性能匹配商业皮革的3D打印材料。其创新点在于：1）通过分子交联将低值废弃物转化为高性能材料；2）实现材料同时作为成品和打印媒介的双重功能；3）建立可规模化的循环生产模式。这项技术为时尚产业提供了符合碳中和目标的解决方案，预计每吨复合材料可减少4.8吨CO₂当量排放。未来通过优化打印精度和扩大原料来源，有望在汽车内饰、家具包覆等领域实现更广泛应用。