Oak Ridge National Laboratory indaga il nuovo materiale di stampa 3D composito Lignina-Nylon
La lignina è un polimero organico presente nelle pareti cellulari di molte piante, dando loro rigidità come nel legno e nella corteccia. È anche un sottoprodotto dei processi di bioraffineria e, grazie al lavoro dei ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), potrebbe costituire un nuovo tipo di materiale di stampa 3D. La ricerca è documentata in un documento dal titolo ” Un percorso per la valorizzazione della lignina attraverso la produzione additiva di compositi sostenibili ad alte prestazioni con una stampabilità 3D migliorata. “
“Trovare nuovi usi per la lignina può migliorare l’economia dell’intero processo di bioraffinazione”, ha affermato Amit Naskar, responsabile del progetto ORNL.
I ricercatori hanno combinato una lignina di legno duro resistente allo scioglimento con plastica convenzionale – un nylon a basso punto di fusione – e fibra di carbonio per creare un composito con eccellenti proprietà meccaniche e resistenza tra gli strati, oltre all’estrudibilità. Uno dei problemi della lignina è che carteggia facilmente e può essere riscaldato solo a una certa temperatura prima che diventi troppo viscoso per essere estruso. Quando i ricercatori l’hanno combinato con il nylon, tuttavia, hanno scoperto che la rigidità della temperatura ambiente aumentava mentre la viscosità del fuso diminuiva. Il composito aveva una resistenza alla trazione simile al solo nylon e una viscosità inferiore rispetto all’ABS o al polistirolo.
I ricercatori hanno condotto la diffusione di neutroni al reattore isotopico ad alto flusso e hanno utilizzato una microscopia avanzata presso il Center for Nanophase Materials Science per studiare la struttura nucleare del composito. Hanno scoperto che la combinazione di lignina e nylon “sembra avere quasi un effetto lubrificante o plastificante sul composito”, secondo Naskar.
“Le caratteristiche strutturali della lignina sono fondamentali per migliorare la stampabilità 3D dei materiali”, ha dichiarato Ngoc Nguyen di ORNL.
I ricercatori sono stati anche in grado di miscelare una percentuale più elevata di lignina – dal 40 al 50% in peso – e quindi aggiungere dal 4 al 16% di fibra di carbonio. Il risultato è stato un nuovo composito che si riscalda più facilmente, scorre più velocemente e si traduce in un prodotto stampato 3D più forte.
“Le capacità di ORNL di classe mondiale nella caratterizzazione e sintesi dei materiali sono essenziali per la sfida di trasformare sottoprodotti come la lignina nei coprodotti, generare potenziali nuovi flussi di reddito per l’industria e creare nuovi materiali compositi rinnovabili per la produzione avanzata”, ha affermato Moe Khaleel, Associate Laboratory Director for Energy e scienze ambientali.
Il composito di lignina e nylon è in attesa di brevetto e i ricercatori continueranno a lavorarci per perfezionarlo e trovare altri modi per elaborarlo. ORNL lavora con Lignin da diversi anni e ha lavorato molto anche con altri materiali di stampa 3D. Come sottolineano i ricercatori, i materiali termoplastici a base di petrolio continuano a dominare il mercato dei materiali di stampa 3D; il mercato dei materiali di stampa 3D a base di legno e vegetali è ancora limitato a causa delle loro intrinseche difficoltà nel processo di fusione.
“Il nostro studio apre una nuova strada per utilizzare la lignina isolata come materia prima per la formulazione di materiali di stampa 3D con caratteristiche meccaniche e di stampa superiori”, concludono. “I nostri risultati hanno il potenziale per creare ulteriori flussi di entrate per le industrie di trasformazione della biomassa attraverso il valore aggiunto della lignina. Inoltre, può accelerare l’installazione di unità pilota di frazionamento della biomassa nelle aree rurali prima di alimentare l’intera biomassa in una bioraffineria e potenziare le industrie di compounding dei polimeri locali che fabbricano o mescolano materiali per la stampa 3D e lo stampaggio a iniezione. “
Gli autori del documento includono Ngoc A. Nguyen, Sietske H. Barnes, Christopher C. Bowland, Kelly M. Meek, Kenneth C. Littrell, Jong K. Keum e Amit K. Naskar.
