新型复合材料推动木质素成为可再生3D打印材料

美国能源部橡树岭国家实验室的科学家开发了一种可再生3D打印原材料的配方，可以为生物炼制的棘手副产品——木质素带来有利可图的新用途。

这一发现可以在《科学进步》中找到，该书拓展了ORNL在降低生物产品成本方面的成就，创造了生物质加工留下的木质素材料的新用途。木质素赋予植物刚性，也使生物质不易分解成有用的产品。

“寻找木质素的新用途可以提高整个生物炼制过程的经济效益，”ORNL项目主任阿米特纳斯卡说。

研究人员已经将可熔融稳定的硬木木质素与传统塑料、低熔点尼龙和碳纤维结合在一起，形成了一种复合材料，该材料具有适当的挤出和焊接强度特性，并且在印刷过程中具有优异的机械性能。

这项工作非常困难。木质素易于缩放；与石油基热塑性塑料制成的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)等主要复合材料不同，木质素只能加热到一定温度才能从3D打印喷嘴软化挤出。长时间暴露在高温下会显著增加它的粘度——它变得太稠，不容易被挤出来。

但是当研究人员将木质素与尼龙结合时，他们发现了一个令人惊讶的结果：复合材料的室温硬度增加，而熔体粘度降低。木质素-尼龙材料的拉伸强度与单独的尼龙相似，实际上比传统的ABS或高抗冲聚苯乙烯具有更低的粘度。

科学家在高通量同位素反应堆中散射中子，并在纳米材料科学中心(OREL的DOE科学用户设施办公室)使用先进的显微镜探索复合材料的分子结构。纳斯卡尔指出，他们发现木质素和尼龙的结合“似乎对复合材料几乎有润滑或塑化作用”。

参与该项目的ORNL Ngoc Nguyen表示：“木质素的结构特征对于提高材料的3D打印性非常重要。

科学家还可以混合更高百分比的木质素-40%到50%的重量-这是寻求木质素基印刷材料的新成就。然后，ORNL科学家在混合物中加入了4%到16%的碳纤维。新型复合材料更容易加热，流速更快，印刷速度更快，产品更坚固。

“ORNL在材料表征和合成方面的世界级能力对于将木质素和其他副产品转化为副产品、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的挑战至关重要，”副能源实验室主任莫卡利尔说。和环境科学。

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