Laboratorium Krajowe Oak Ridge bada nowy materiał do drukowania 3D z ligniny i nylonu

Lignina jest organicznym polimerem, który jest obecny w ścianach komórkowych wielu roślin, dając im sztywność, taką jak drewno i kora. Jest również produktem ubocznym procesów biorafinerii, a dzięki pracy naukowców z laboratorium Oak Ridge National Laboratory (ORNL) może stworzyć nowy rodzaj materiału do drukowania 3D. Badania zostały udokumentowane w artykule zatytułowanym "Ścieżka do waloryzacji ligniny za pomocą addytywnej produkcji wysokowydajnych, zrównoważonych kompozytów o zwiększonej drukowalności 3D".

"Znalezienie nowych zastosowań ligniny może poprawić ekonomikę całego procesu biorefiningu proces ", powiedział przewodniczący projektu ORNL Amit Naskar.

Naukowcy połączyli stabilną w stanie stopionym ligninę z twardego drewna z konwencjonalnym tworzywem sztucznym - nisko topliwą nylonem - i włóknem węglowym, aby stworzyć kompozyt o doskonałych właściwościach mechanicznych i wytrzymałości między warstwy, a także wytłaczalność. Jednym z problemów związanych z ligniną jest to, że łatwo zapala się i można ją podgrzać do określonej temperatury, zanim stanie się ona zbyt lepka do wytłaczania. Gdy naukowcy połączyli go z nylonem, stwierdzili, że jego sztywność w temperaturze pokojowej wzrosła, podczas gdy jego lepkość stopu zmniejszyła się. Kompozyt miał wytrzymałość na rozciąganie podobny do samego nylonu i niższą lepkość niż ABS lub polistyren.

Naukowcy przeprowadzili rozpraszanie neutronów w reaktorze izotopowym o wysokim strumieniu i zastosowali zaawansowaną mikroskopię w Centrum Nanofazowej Nauk Materiałowych, aby zbadać kompozyt struktura jądrowa. Odkryli, że kombinacja ligniny i nylonu "wydaje się mieć prawie efekt smarowania lub plastyfikacji na kompozycie", zgodnie z Naskar.

"Strukturalne cechy ligniny mają kluczowe znaczenie dla poprawy drukowności 3D materiałów, "Powiedział Ngoc Nguyen z ORNL.

Naukowcy byli również w stanie wymieszać wyższy procent ligniny - 40 do 50 procent wagowych - a następnie dodać od 4 do 16 procent włókien węglowych. Rezultatem był nowy kompozyt, który łatwiej się nagrzewa, przepływa szybciej i daje mocniejszy wydruk 3D.

"Światowe zdolności ORNL w zakresie charakteryzacji i syntezy materiałów są niezbędne do przekształcenia produktów ubocznych jak lignina do produktów ubocznych, generując potencjalne nowe źródła dochodów dla przemysłu i tworząc nowe odnawialne kompozyty do zaawansowanej produkcji ", powiedział Moe Khaleel, Associate Laboratory Director for Energy and Environmental Sciences

Kompozyt ligninowo-nylonowy oczekuje na złożenie wniosku patentowego inaukowcy będą nadal pracować nad tym, aby udoskonalić go i znaleźć inne sposoby jego przetwarzania. ORNL współpracuje z ligniną od kilku lat, a także wykonał wiele pracy z innymi nowymi materiałami do drukowania 3D. Jak podkreślają naukowcy, termoplasty na bazie ropy naftowej nadal dominują na rynku materiałów do drukowania 3D; rynek materiałów do drukowania 3D opartych na drewnie i roślinach jest nadal ograniczony ze względu na ich nieodłączne trudności w przetwarzaniu stopu.

"Nasze badanie otwiera nową drogę stosowania wyizolowanej ligniny jako surowca do formułowania druku 3D materiały o doskonałych właściwościach mechanicznych i drukarskich "- podsumowują. "Nasze odkrycia mogą stworzyć dodatkowe źródła dochodów dla przemysłu przetwarzającego biomasę poprzez wartość dodaną ligniny. Ponadto może przyspieszyć instalację pilotażowych jednostek frakcjonowania biomasy na obszarach wiejskich przed wprowadzeniem całej biomasy do biorafinerii i pobudzić lokalne zakłady wytwarzania polimerów, które produkują lub łączą materiały do ​​druku 3D i formowania wtryskowego. "

Autorzy w publikacji Ngoc A. Nguyen, Sietske H. Barnes, Christopher C. Bowland, Kelly M. Meek, Kenneth C. Littrell, Jong K. Keum i Amit K. Naskar.