Ny komposit fremmer lignin som et fornybart 3-D-printmateriale

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har skabt en opskrift på et fornybart 3-D-udskrivningsmateriale, der kunne anspore til en rentabel ny anvendelse af et uoverskueligt bioraffinaderi-biprodukt:lignin.

Opdagelsen, detaljeret i Science Advances, udvider ORNL's resultater med at sænke omkostningerne ved bioprodukter ved at skabe nye anvendelser for lignin - det materiale, der er tilbage fra forarbejdning af biomasse. Lignin giver planter stivhed og gør også biomasse modstandsdygtig over for at blive nedbrudt til nyttige produkter.

"At finde nye anvendelser for lignin kan forbedre økonomien i hele bioraffineringsprocessen, " sagde ORNL-projektleder Amit Naskar.

Forskere kombinerede en smeltestabil hårdttræslignin med konventionel plastik, en lavtsmeltende nylon, og kulfiber for at skabe en komposit med de helt rigtige egenskaber for ekstrudering og svejsestyrke mellem lagene under trykningsprocessen, samt fremragende mekaniske egenskaber.

Arbejdet er vanskeligt. Lignin forkuller let; i modsætning til kompositter til arbejdshest som acrylonitril-butadien-styren (ABS), der er lavet af petroleumsbaseret termoplast, lignin kan kun opvarmes til en bestemt temperatur til blødgøring og ekstrudering fra en 3-D-printdyse. Langvarig udsættelse for varme øger dets viskositet dramatisk - det bliver for tykt til let at blive ekstruderet.

Men da forskere kombinerede lignin med nylon, de fandt et overraskende resultat:kompositmaterialets stuetemperaturstivhed steg, mens dets smelteviskositet faldt. Lignin-nylon-materialet havde en trækstyrke svarende til nylon alene og lavere viskositet, faktisk, end konventionel ABS eller slagfast polystyren.

Forskerne udførte neutronspredning ved High Flux Isotope Reactor og brugte avanceret mikroskopi ved Center for Nanophase Materials Science - begge DOE Office of Science User Facilities på ORNL - for at udforske komposittens molekylære struktur. De fandt ud af, at kombinationen af ​​lignin og nylon "så ud til at have næsten en smørende eller blødgørende effekt på kompositten, " bemærkede Naskar.

"Lignins strukturelle egenskaber er afgørende for at forbedre 3D-printbarheden af ​​materialerne, " sagde ORNL's Ngoc Nguyen, som samarbejdede om projektet.

Forskere var også i stand til at blande en højere procentdel af lignin - 40 til 50 vægtprocent - en ny bedrift i jagten på et ligninbaseret trykmateriale. ORNL-forskere tilføjede derefter 4 til 16 procent kulfiber i blandingen. Den nye komposit opvarmes lettere, flyder hurtigere for hurtigere udskrivning, og resulterer i et stærkere produkt.

"ORNL's verdensklasses evner inden for materialekarakterisering og -syntese er afgørende for udfordringen med at omdanne biprodukter som lignin til biprodukter, generere potentielle nye indtægtsstrømme til industrien og skabe nye vedvarende kompositter til avanceret fremstilling, " sagde Moe Khaleel, associeret laboratoriedirektør for Energi- og Miljøvidenskab.

Lignin-nylon-kompositten er patentanmeldt, og der arbejdes løbende på at forfine materialet og finde andre måder at behandle det på.