Ученые продвигают лигнин в качестве возобновляемого материала для 3D-печати

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

Работа сложная. Лигнин легко обугливается; в отличие от таких рабочих композитов, как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), которые изготавливаются из термопластов на основе нефти, лигнин может быть нагрет только до определенной температуры для размягчения и выдавливания из сопла 3D-печати. Длительное воздействие тепла резко повышает его вязкость - он становится слишком густым, чтобы его можно было легко выдавливать.

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 более низкую вязкость, чем обычный ABS или высокопрочный полистирол.

Для изучения молекулярной структуры композита ученые провели рассеяние нейтронов в Реакторе изотопов высокого потока и использовали передовую микроскопию в Центре нанофазного материаловедения - оба объекта, используемые Управлением науки Министерства энергетики в ORNL. Они обнаружили, что сочетание лигнина и нейлона "похоже, оказывает почти смазывающее или пластифицирующее действие на композит", - отметил Наскар.

"Структурные характеристики лигнина имеют решающее значение для улучшения способности материалов к 3D-печати", - сказал Нгок Нгуен из ORNL, сотрудничавший с проектом.

Ученые также смогли смешать более высокий процент лигнина - от 40 до 50 процентов по весу - новое достижение в поисках материала для печати на основе лигнина. Затем ученые ORNL добавили в смесь от 4 до 16 процентов углеродного волокна. Новый композит легче нагревается, быстрее течет для более быстрой печати, и в результате получается 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).

ORNL управляется UT-Battelle для Управления по науке Министерства энергетики, крупнейшего спонсора фундаментальных исследований в области физических наук в США. Управление науки Министерства энергетики работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности. Для получения дополнительной информации посетите сайт https://science.energy.gov.