可再生的3D打印材料——木质素

美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家们发明了一种可再生的3D印刷原料配方，该配方可以鼓励木质素（一种难处理的生物炼制副产物）回收利用。

文章发表在Science Advances杂志， 该研究彰显了ORNL在降低生物产品成本方面所取得的成就。

木质素是生物加工过程中留下的废料，它赋予植物刚性，也使相关生物产品（biomass）难分解成有用的产品。

“发现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说。

研究人员将耐融化的硬木质素与常规塑料、低熔点尼龙和碳纤维相结合，以制造在打印过程中具有合适特性的层间挤压和焊接强度，以及优异机械性能的复合材料。

工作很棘手，容易产生木质素炭。不同于由石油基热塑性塑料制成的诸如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）这种吃苦耐劳型复合材料，木质素只能被加热到一定温度以软化和从3D打印喷嘴挤出。长时间处在加热状态会显著增加其粘度——它变得太厚，不容易挤出。

但是当研究人员将木质素和尼龙结合在一起时，他们发现了一个令人惊讶的结果：复合材料的室温刚度增加，而加热状态下的粘度降低。木质素-尼龙材料具有与尼龙单体相似的拉伸强度，并且比传统的ABS或高冲击聚苯乙烯具有更低的粘度。

科学家们在高通量同位素反应堆进行了中子散射，并在纳米材料科学中心（它和美国能源部科学用户设施办公室都位于ORNL）使用先进的显微镜来探索复合材料的分子结构。Naskar指出，他们发现木质素和尼龙的结合似乎对复合材料具有润滑或增塑作用。

“木质素的结构特性对提高材料的三维可打印性至关重要，”ORNL的Ngoc Nguyen说，他参与了这个项目。

科学家们还能够将较高比例的木质素混合——重量百分比为40%至50%——这是在寻找基于木质素的打印材料方面的一项新成就。然后ORNL的科学家将4%到16%的碳纤维加入到混合物中。新的复合材料更容易加热，流动更快，更快的打印，并可获得更强的产品。

“ORNL在材料表征和合成方面的世界级能力对于将木质素等副产品转化为共产品、为工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等挑战中扮演了至关重要的角色，”能源和环境科学实验室副主任Moe Khaleel说。

原文标题：

A path for lignin valorization via additive manufacturing of high-performance sustainable composites with enhanced 3D printability