Композиционный материал из лигнина и нейлона для аддитивного производства
21-03-2019 Coatings Today 146

Специалисты лаборатории ORNL создали состав, способствующий развитию нового прибыльного применения неперерабатываемого побочного продукта биопереработки - лигнина.

«Поиск новых возможностей для использования лигнина может повысить экономику всего процесса биопереработки», - говорит Амит Наскар из Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики, руководитель проекта, в рамках которого ученые из лаборатории ORNL создали формулу возобновляемого сырья для 3D-печати, предлагающую новое выгодное использование лигнина - материала, остающегося после обработки биомассы. Лигнин придает растениям устойчивость, а также не позволяет превратить биомассу в полезные продукты.

Состав, предложенный исследователями, сочетает в себе устойчивый к плавлению лигнин древесины твердых пород с легкоплавким нейлоном и углеродным волокном, и позволяет создать композиционный материал, который, согласно заявлениям, обладает идеальными характеристиками для экструзии, прочностью сварного шва между слоями в процессе печати, а также отличными механическими свойствами. Это весьма тонкая работа, поскольку лигнин легко обугливается. В отличие от таких широко используемых композиционных материалов, как акрилонитрилбутадиенстирол, лигнин можно нагреть только до определенной температуры для размягчения и выдавливания из сопла 3D-принтера. Продолжительное воздействие тепла значительно повышает его вязкость, что затрудняет выдавливание.

Однако когда команда специалистов ORNL объединила лигнин с нейлоном, они были приятно удивлены, обнаружив, что жесткость композита при комнатной температуре увеличилась, а вязкость в расплавленном состоянии снизилась. Фактически, композиционный материал из лигнина и нейлона показал предел прочности, сходный с одним только нейлоном, а вязкость оказалась ниже стандартных значений для акрилонитрилбутадиенстирола или ударопрочного полистирола.

Ученые провели рассеяние нейронов в высокопоточном ядерном реакторе для производства изотопов и воспользовались передовыми средствами микроскопии в Центре наноматериаловедения на базе Управления научно-исследовательских объектов при Министерстве энергетики в ORNL, чтобы изучить молекулярную структуру композиционного материала. Они пришли к следующим заключениям: По словам Наскара, сочетание лигнина и нейлона «оказало на композит почти смазывающее или пластифицирующее действие».  Его коллега Нгок Нгуен добавила: «Структурные характеристики лигнина критически важны для повышения пригодности материалов к 3D-печати».

Ученым из ORNL также удалось ввести лигнин в большем процентном соотношении (40-50 вес.%), что оказалось новым достижением в разработке печатного материала на основе лигнина. Затем в состав добавили 4-16% углеродного волокна. Новый композиционный материал легче нагревается, быстрее течет, что увеличивает скорость печати и повышает прочность изделия. Патентная заявка на новый композиционный материал находится на рассмотрении, и ведутся работы по усовершенствованию материала и поиски других способов его обработки. В команду ученых из ORNL также входили Ситске Барнс, Кристофер Бауленд, Келли Мик, Кеннет Литтрелл и Джонг Кеум. Исследования финансировались подразделением биоэнергетических технологий под руководством Управления по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии при Министерстве энергетики.

«Возможности ORNL по получению характеристик и синтезу материалов находятся на высочайшем уровне и позволяют превращать такие побочные продукты, как лигнин, в полезные компоненты, создавая тем самым новые потенциальные каналы дохода для промышленности и изобретая новые возобновляемые композиционные материалы для передового производства», - говорит Мо Халил, первый помощник директора лаборатории, занимающейся вопросами энергетики и окружающей среды. 

Лаборатория ORNL подчиняется компании UT-Battelle при Управлении по науке Министерства энергетики, являющейся самым крупным спонсором фундаментальных исследований в области естественных наук в США.