木質(zhì)素是來源于生物質(zhì)加工的剩余材料。

     “找到木質(zhì)素的新用途可以提高整個(gè)生物精煉過程的經(jīng)濟(jì)性。”ORNL的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Amit Naskar表示。

     研究人員們將熔融穩(wěn)定的硬木木質(zhì)素與傳統(tǒng)塑料——低熔點(diǎn)的尼龍以及碳纖維結(jié)合在一起，創(chuàng)造出了一種復(fù)合材料。

     該復(fù)合材料的特性恰到好處，適合于擠出，并可在打印過程中確保層間的焊接強(qiáng)度，同時(shí)還擁有出色的力學(xué)性能。

     這項(xiàng)研究很微妙：木質(zhì)素易于炭化，與諸如石油基熱塑性塑料制成的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）不同，它只能被加熱到一定溫度而軟化，然后從3D打印噴嘴中擠出。如果長時(shí)間暴露在高溫下，會(huì)顯著增加其黏度，從而使其變得太厚而不易被擠出。

     但是，當(dāng)研究人員將木質(zhì)素與尼龍結(jié)合在一起時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的結(jié)果： 這種復(fù)合材料的室溫剛性提高了，而其熔融黏度減低了。

     這種木質(zhì)素-尼龍材料擁有類似尼龍的拉伸強(qiáng)度，而實(shí)際上其黏度要比傳統(tǒng)的ABS或耐沖擊聚苯乙烯要低。

     這些科學(xué)家們在高通量同位素反應(yīng)堆中進(jìn)行了中子散射，并在納米相材料科學(xué)中心（DOE 在ORNL的科學(xué)用戶設(shè)施辦公室）使用高級顯微鏡來探索復(fù)合材料的分子結(jié)構(gòu)。

     他們發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素與尼龍的結(jié)合，似乎為復(fù)合材料帶來了潤滑或塑化的效果。

     “木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)特征對于增強(qiáng)材料的3D打印能力至關(guān)重要。”參與此項(xiàng)目的ORNL的Ngoc Nguyen表示。

     科學(xué)家們還能夠混合更高比例的木質(zhì)素——重量百分比在40%～50%，這是對木質(zhì)素基打印材料探索而取得的新成就。

     然后，ORNL的科學(xué)家們將4%～16%的碳纖維添加到該混合物中。這種新的復(fù)合材料更易于加熱，對于更快的打印速度而言，流動(dòng)也更快，從而能夠獲得更強(qiáng)的產(chǎn)品。

     “ORNL世界一流的材料表征與合成能力，對于應(yīng)對挑戰(zhàn)，以將像木質(zhì)素之類的副產(chǎn)品轉(zhuǎn)變成聯(lián)產(chǎn)品，從而為行業(yè)創(chuàng)造潛在的新收入來源，以及為先進(jìn)制造創(chuàng)造新的可再生復(fù)合材料是至關(guān)重要的。”能源與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)室副主任Moe Khaleel表示。

     這種木質(zhì)素-尼龍復(fù)合材料正在申請專利，提煉材料以及尋找其他處理方法的工作正在進(jìn)行之中。