Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een recept ontwikkeld voor een hernieuwbare grondstof voor 3D-printen die een winstgevend nieuw gebruik zou kunnen stimuleren voor een hardnekkig bijproduct van bioraffinage:lignine.

De vondst, gedetailleerd in Wetenschapsvooruitgang, breidt ORNL's prestaties uit bij het verlagen van de kosten van bioproducten door nieuwe toepassingen voor lignine te creëren - het materiaal dat overblijft bij de verwerking van biomassa. Lignine geeft planten stevigheid en maakt biomassa ook bestand tegen afbraak tot bruikbare producten.

"Het vinden van nieuwe toepassingen voor lignine kan de economie van het hele bioraffinageproces verbeteren, ", zegt ORNL-projectleider Amit Naskar.

Onderzoekers combineerden een smeltstabiel hardhoutlignine met conventioneel plastic, een laagsmeltend nylon, en koolstofvezel om een ​​composiet te creëren met precies de juiste eigenschappen voor extrusie en lassterkte tussen lagen tijdens het drukproces, evenals uitstekende mechanische eigenschappen.

Het werk is lastig. Lignine verkoolt gemakkelijk; in tegenstelling tot werkpaardcomposieten zoals acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) die zijn gemaakt van op aardolie gebaseerde thermoplasten, lignine kan alleen worden verwarmd tot een bepaalde temperatuur voor verweking en extrusie uit een 3D-printnozzle. Langdurige blootstelling aan hitte verhoogt de viscositeit dramatisch - het wordt te dik om gemakkelijk te worden geëxtrudeerd.

Maar toen onderzoekers lignine combineerden met nylon, ze vonden een verrassend resultaat:de stijfheid bij kamertemperatuur van het composiet nam toe terwijl de smeltviscositeit afnam. Het lignine-nylon materiaal had een treksterkte vergelijkbaar met nylon alleen en een lagere viscositeit, in feite, dan conventioneel ABS of slagvast polystyreen.

De wetenschappers voerden neutronenverstrooiing uit in de High Flux Isotoop Reactor en gebruikten geavanceerde microscopie bij het Center for Nanophase Materials Science - beide DOE Office of Science User Facilities bij ORNL - om de moleculaire structuur van de composiet te onderzoeken. Ze ontdekten dat de combinatie van lignine en nylon "bijna een smerend of weekmakend effect op het composiet leek te hebben, ’ merkte Naskar op.

"Structurele kenmerken van lignine zijn van cruciaal belang om de 3D-bedrukbaarheid van de materialen te verbeteren, " zei ORNL's Ngoc Nguyen die aan het project meewerkte.

Wetenschappers waren ook in staat om een ​​hoger percentage lignine te mengen - 40 tot 50 gewichtsprocent - een nieuwe prestatie in de zoektocht naar een op lignine gebaseerd afdrukmateriaal. ORNL-wetenschappers voegden vervolgens 4 tot 16 procent koolstofvezel toe aan de mix. Het nieuwe composiet warmt makkelijker op, stroomt sneller voor sneller afdrukken, en resulteert in een sterker product.

"ORNL's capaciteiten van wereldklasse op het gebied van materiaalkarakterisering en -synthese zijn essentieel voor de uitdaging om bijproducten zoals lignine om te zetten in coproducten, het genereren van potentiële nieuwe inkomstenstromen voor de industrie en het creëren van nieuwe hernieuwbare composieten voor geavanceerde productie, " zei Moe Khaleel, associate laboratoriumdirecteur voor Energie- en Milieuwetenschappen.

Op de lignine-nyloncomposiet is patent aangevraagd en er wordt gewerkt aan het verfijnen van het materiaal en het vinden van andere manieren om het te verwerken.