美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種可再生3D打印原材料的配方，可以為生物煉制的棘手副產(chǎn)品——木質(zhì)素帶來(lái)有利可圖的新用途。
這一發(fā)現(xiàn)可以在《科學(xué)進(jìn)步》中找到，該書拓展了ORNL在降低生物產(chǎn)品成本方面的成就，創(chuàng)造了生物質(zhì)加工留下的木質(zhì)素材料的新用途。木質(zhì)素賦予植物剛性，也使生物質(zhì)不易分解成有用的產(chǎn)品。
“尋找木質(zhì)素的新用途可以提高整個(gè)生物煉制過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益，”O(jiān)RNL項(xiàng)目主任阿米特納斯卡說(shuō)。
研究人員已經(jīng)將可熔融穩(wěn)定的硬木木質(zhì)素與傳統(tǒng)塑料、低熔點(diǎn)尼龍和碳纖維結(jié)合在一起，形成了一種復(fù)合材料，該材料具有適當(dāng)?shù)臄D出和焊接強(qiáng)度特性，并且在印刷過(guò)程中具有優(yōu)異的機(jī)械性能。
這項(xiàng)工作非常困難。木質(zhì)素易于縮放；與石油基熱塑性塑料制成的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)等主要復(fù)合材料不同，木質(zhì)素只能加熱到一定溫度才能從3D打印噴嘴軟化擠出。長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下會(huì)顯著增加它的粘度——它變得太稠，不容易被擠出來(lái)。
但是當(dāng)研究人員將木質(zhì)素與尼龍結(jié)合時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人驚訝的結(jié)果：復(fù)合材料的室溫硬度增加，而熔體粘度降低。木質(zhì)素-尼龍材料的拉伸強(qiáng)度與單獨(dú)的尼龍相似，實(shí)際上比傳統(tǒng)的ABS或高抗沖聚苯乙烯具有更低的粘度。
科學(xué)家在高通量同位素反應(yīng)堆中散射中子，并在納米材料科學(xué)中心(OREL的DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室)使用先進(jìn)的顯微鏡探索復(fù)合材料的分子結(jié)構(gòu)。納斯卡爾指出，他們發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素和尼龍的結(jié)合“似乎對(duì)復(fù)合材料幾乎有潤(rùn)滑或塑化作用”。
參與該項(xiàng)目的ORNL Ngoc Nguyen表示：“木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征對(duì)于提高材料的3D打印性非常重要。
科學(xué)家還可以混合更高百分比的木質(zhì)素-40%到50%的重量-這是尋求木質(zhì)素基印刷材料的新成就。然后，ORNL科學(xué)家在混合物中加入了4%到16%的碳纖維。新型復(fù)合材料更容易加熱，流速更快，印刷速度更快，產(chǎn)品更堅(jiān)固。
“ORNL在材料表征和合成方面的世界級(jí)能力對(duì)于將木質(zhì)素和其他副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)品、為工業(yè)創(chuàng)造潛在的新收入來(lái)源以及為先進(jìn)制造創(chuàng)造新的可再生復(fù)合材料的挑戰(zhàn)至關(guān)重要，”副能源實(shí)驗(yàn)室主任莫卡利爾說(shuō)。和環(huán)境科學(xué)。
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