Neues Composite Advanced Lignin als nachwachsendes 3D-Druckmaterial

Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) der Energiebehörde haben ein Rezept für ein nachwachsendes Rohmaterial für den 3D-Druck entwickelt, das eine profitable neue Verwendung für ein hartnäckiges Nebenprodukt der Bioraffinerie auslösen könnte: Lignin.

Die in Science Advances ausführliche Entdeckung erweitert die Erfolge von ORNL bei der Senkung der Kosten für Bioprodukte, indem neuartige Verwendungen für Lignin geschaffen werden – das Material, das bei der Verarbeitung von Biomasse übrig geblieben ist. Lignin verleiht den Pflanzen Steifheit und macht Biomasse resistent gegen die Aufspaltung in nützliche Produkte.

“Die Suche nach neuen Verwendungsmöglichkeiten für Lignin kann die Wirtschaftlichkeit des gesamten Biorefining-Prozesses verbessern”, sagte Amit Naskar, Projektleiter bei ORNL.

Die Forscher kombinierten ein schmelzfestes Hartholz-Lignin mit herkömmlichem Kunststoff, einem niedrigschmelzenden Nylon und Kohlefasern, um einen Verbundstoff mit genau den richtigen Eigenschaften für Extrusion und Schweißfestigkeit zwischen den Schichten während des Druckprozesses sowie hervorragenden mechanischen Eigenschaften herzustellen.

Die Arbeit ist schwierig. Lignin verkohlt leicht; Im Gegensatz zu Arbeitstierkompositen wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), die aus thermoplastischen Kunststoffen auf Erdölbasis hergestellt werden, kann Lignin nur aus einer 3D-Druckdüse auf eine bestimmte Temperatur zum Erweichen und Extrudieren erhitzt werden. Eine längere Einwirkung von Wärme erhöht die Viskosität dramatisch – sie wird zu dick, um leicht extrudiert zu werden.

Wenn Forscher Lignin mit Nylon kombinierten, fanden sie ein überraschendes Ergebnis: Die Steifigkeit bei Raumtemperatur wurde erhöht, während die Schmelzviskosität abnahm. Das Lignin-Nylon-Material hatte eine Zugfestigkeit ähnlich zu Nylon allein und tatsächlich eine niedrigere Viskosität als herkömmliches ABS oder schlagfestes Polystyrol.

Die Wissenschaftler führten am High Flux Isotope Reactor eine Neutronenstreuung durch und nahmen am Centre for Nanophase Materials Science mikroskopische Untersuchung der molekularen Struktur des Composites vor. Sie stellten fest, dass die Kombination aus Lignin und Nylon “anscheinend fast schmier- oder plastifizierend auf das Komposit wirkte”, stellte Naskar fest.

“Strukturelle Eigenschaften von Lignin sind entscheidend, um die 3D-Bedruckbarkeit der Materialien zu verbessern”, sagte Ngoc Nguyen von ORNL, der an dem Projekt mitgearbeitet hat.

Wissenschaftler konnten auch einen höheren Ligninanteil (40 bis 50 Gewichtsprozent) einmischen – eine neue Errungenschaft auf der Suche nach einem Lignin-basierten Druckmaterial. ORNL-Wissenschaftler fügten der Mischung dann 4 bis 16 Prozent Kohlefaser hinzu. Der neue Verbundwerkstoff lässt sich leichter erwärmen, fließt schneller für ein schnelleres Drucken und führt zu einem stärkeren Produkt.

“Die erstklassigen Fähigkeiten von ORNL in Bezug auf Materialcharakterisierung und -synthese sind von wesentlicher Bedeutung für die Herausforderung, Nebenprodukte wie Lignin in Nebenprodukte umzuwandeln, potenzielle neue Einnahmequellen für die Industrie zu schaffen und neuartige nachwachsende Verbundstoffe für die fortschrittliche Fertigung zu schaffen”, sagte Moe Khaleel, Laborleiter bei Energy und Umweltwissenschaften.

Der Lignin-Nylon-Verbundstoff ist zum Patent angemeldet. Das Material wird weiter verfeinert und es werden andere Wege gefunden, es zu verarbeiten. Zum ORNL-Forschungsteam gehörten auch Sietske Barnes, Christopher Bowland, Kelly Meek, Kenneth Littrell und Jong Keum. Die Forschung wurde vom Büro für Bioenergietechnologien des DOE für Energieeffizienz und erneuerbare Energien finanziert.