新的复合材料使木质素成为一种可再生的3D打印材料

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们将熔融稳定的硬木木质素与传统塑料——低熔点的尼龙以及碳纤维结合在一起,创造出了一种复合材料,这种新的复合材料使木质素成为一种可再生的3D打印材料。

美国能源部(简称“DOE”)橡树岭国家实验室(简称“ORNL”)的科学家们已为可再生的3D打印原材料创造了一种配方,能够对难处理的生物精练副产品——木质素带来可盈利的新用途。

科学家们在研究
美国能源部橡树岭国家实验室的科学家们为可再生的3D打印原材料创造了一种配方,能够对难处理的生物精练副产品——木质素带来可盈利的新用途

这一发现在《Science Advances》杂志中有详细介绍,它令ORNL在“创造木质素的新用途以降低生物制品的成本”方面扩大了其成就。木质素是来源于生物质加工的剩余材料。

“找到木质素的新用途可以提高整个生物精炼过程的经济性。”ORNL的项目负责人Amit Naskar表示。

研究人员们将熔融稳定的硬木木质素与传统塑料——低熔点的尼龙以及碳纤维结合在一起,创造出了一种复合材料。该复合材料的特性恰到好处,适合于挤出,并可在打印过程中确保层间的焊接强度,同时还拥有出色的力学性能。

这项研究很微妙。木质素易于炭化,与诸如石油基热塑性塑料制成的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)不同,它只能被加热到一定温度而软化,然后从3D打印喷嘴中挤出。如果长时间暴露在高温下,会显著增加其黏度,从而使其变得太厚而不易被挤出。

但是,当研究人员将木质素与尼龙结合在一起时,他们发现了一个惊人的结果: 这种复合材料的室温刚性提高了,而其熔融黏度减低了。这种木质素-尼龙材料拥有类似尼龙的拉伸强度,而实际上其黏度要比传统的ABS或耐冲击聚苯乙烯要低。

可再生3D打印材料
新的复合材料使木质素成为一种可再生的3D打印材料

这些科学家们在高通量同位素反应堆中进行了中子散射,并在纳米相材料科学中心(DOE 在ORNL的科学用户设施办公室)使用高级显微镜来探索复合材料的分子结构。他们发现,木质素与尼龙的结合,似乎为复合材料带来了润滑或塑化的效果。

“木质素的结构特征对于增强材料的3D打印能力至关重要。”参与此项目的ORNL的Ngoc Nguyen表示。

科学家们还能够混合更高比例的木质素——重量百分比在40%~50%,这是对木质素基打印材料探索而取得的新成就。然后,ORNL的科学家们将4%~16%的碳纤维添加到该混合物中。这种新的复合材料更易于加热,对于更快的打印速度而言,流动也更快,从而能够获得更强的产品。

“ORNL世界一流的材料表征与合成能力,对于应对挑战,以将像木质素之类的副产品转变成联产品,从而为行业创造潜在的新收入来源,以及为先进制造创造新的可再生复合材料是至关重要的。”能源与环境科学实验室副主任Moe Khaleel表示。

这种木质素-尼龙复合材料正在申请专利,提炼材料以及寻找其他处理方法的工作正在进行之中。这项研究得到了DOE的能源效率办公室和可再生能源生物能源技术办公室的资助。

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