新型複合材料推動木質素作為可再生3D列印材料

使用多達50％重量的木質素

ORNL創造的新複合材料非常適合用於3D列印

據《3D列印商情》了解

美國能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家已開發出一種可再生3D列印原料的配方，這可能會刺激一種難以處理的生物選礦副產品——木質素的新用途。

這項研究的論文詳見《Science Advances》，該項目通過創造木質素的新用途——生物質加工遺留下的材料，擴大了ORNL在降低生物產品成本方面的成就。木質素賦予植物剛性，並且還使生物質不被分解成有用的產品。

「尋找木質素的新用途可以提高整個生物精鍊過程的經濟效益，」ORNL項目主管Amit Naskar說。

研究人員將熔融穩定的硬木木質素與傳統塑料、低熔點尼龍和碳纖維相結合，創造出一種複合材料，在列印過程中具有恰當的擠出和焊縫強度特性，以及優異的力學性能。

這項工作很棘手。木質素很容易炭化，與由石油基熱塑性塑料製成的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）等主力複合材料不同，木質素只能加熱到一定溫度，以便從3D列印噴嘴進行軟化和擠出。長時間的熱暴露會顯著增加其粘度——它變得太厚而不易擠出。

但是當研究人員將木質素與尼龍結合起來時，他們發現了一個令人驚訝的結果：複合材料的室溫剛度增加了，而其熔體粘度卻降低了。木質素-尼龍材料的拉伸強度與單獨的尼龍相似，且比傳統的ABS或高抗沖聚苯乙烯具有更低的粘度。

科學家們在高通量同位素反應堆中進行了中子散射，並在納米材料科學中心（OREL的DOE科學用戶設施辦公室）使用先進的顯微鏡來探索複合材料的分子結構。他們發現木質素和尼龍的組合「似乎對複合材料幾乎具有潤滑或塑化作用。」Naskar指出。

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「木質素的結構特徵對於提高材料的可3D列印性至關重要，」ORNL的Ngoc Nguyen說道，他也參與了這個項目。

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科學家們還能夠將更高百分比的木質素混合——按重量計40％至50％——這是尋求木質素基列印材料的新成就。然後，ORNL科學家在混合物中添加了4％至16％的碳纖維。新複合材料更容易加熱、流速更快、列印速度更快、產品更堅固。

「ORNL在材料表徵和合成方面的世界級能力對於將木質素等副產品轉化為共同產品，為工業創造潛在的新收入來源以及為先進位造創造新型可再生複合材料的挑戰至關重要。」能源與環境科學副實驗室主任Moe Khaleel說。

來源：3D列印商情

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