Лигнин в качестве возобновляемого материала для 3D-печати

Исследователи соединили устойчивый к расплавлению лигнин из лиственных пород деревьев с обычным пластиком, низкоплавким нейлоном и углеродным волокном, чтобы создать композит с необходимыми характеристиками для экструзии и прочности шва между слоями при печати, а также с отличными механическими свойствами.

Работа сложная. Лигнин легко карбонизируется. В отличие от таких рабочих композитов, как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), которые изготавливаются из термопластов на основе нефти, лигнин можно нагреть только до определенной температуры, чтобы размягчить его и выдавить из сопла 3D-принтера. Длительное воздействие тепла резко повышает его вязкость - он становится слишком густым, чтобы его можно было легко экструдировать.

Но когда исследователи соединили лигнин с нейлоном, они обнаружили удивительный результат: жесткость композита при комнатной температуре увеличилась, а вязкость расплава уменьшилась. Лигнин-нейлоновый материал имел прочность на разрыв, схожую с прочностью только нейлона, и меньшую вязкость, чем обычный ABS или высокопрочный полистирол.

Чтобы изучить молекулярную структуру композита, ученые провели рассеяние нейтронов в Высокопоточном изотопном реакторе и использовали передовую микроскопию в Центре нанофазного материаловедения - оба объекта используются Управлением науки Министерства энергетики в ORNL. Они обнаружили, что сочетание лигнина и нейлона "похоже, оказывает почти смазывающее или пластифицирующее действие на композит", - отмечает Наскар.

Ученые также смогли смешать более высокий процент лигнина - от 40 до 50 весовых процентов - новое достижение в поисках печатного материала на основе лигнина. Затем ученые ORNL добавили в смесь от 4 до 16 процентов углеродного волокна. Новый композит легче нагревается, быстрее течет, что позволяет быстрее печатать, и дает более прочный продукт.

"Возможности ORNL мирового класса в области определения характеристик и синтеза материалов необходимы для решения задачи преобразования побочных продуктов, таких как лигнин, в сопродукты, получения новых потенциальных доходов для промышленности и создания новых возобновляемых композитов для современного производства", - сказал Мо Халил, заместитель директора лаборатории по наукам об энергетике и окружающей среде.

Композит лигнин-нейлон находится в стадии патентования, и в настоящее время ведется работа по усовершенствованию материала и поиску других способов его переработки. В исследовательскую группу ORNL также входили Сицке Барнс, Кристофер Боуленд, Келли Мик, Кеннет Литтрелл и Джонг Кеум. Исследование финансировалось Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США (DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy's Bioenergy Technologies Office).

Для получения дополнительной информации посетите сайт https://science.energy.gov.