Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han creado una receta para una materia prima de impresión 3D renovable que podría estimular un nuevo uso rentable de un subproducto de biorrefinería intratable:la lignina.

El descubrimiento, detallado en Science Advances, amplía los logros de ORNL en la reducción del costo de los bioproductos mediante la creación de nuevos usos para la lignina, el material que queda del procesamiento de la biomasa. La lignina da rigidez a las plantas y también hace que la biomasa sea resistente a la descomposición en productos útiles.

"Encontrar nuevos usos para la lignina puede mejorar la economía de todo el proceso de biorrefinación, ", dijo el líder del proyecto ORNL, Amit Naskar.

Los investigadores combinaron una lignina de madera dura estable al derretimiento con plástico convencional, un nailon de bajo punto de fusión, y fibra de carbono para crear un compuesto con las características adecuadas para la extrusión y la resistencia de la soldadura entre capas durante el proceso de impresión, así como excelentes propiedades mecánicas.

El trabajo es complicado. La lignina se carboniza fácilmente; a diferencia de los compuestos de caballos de batalla como el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) que están hechos de termoplásticos a base de petróleo, La lignina solo se puede calentar a una cierta temperatura para ablandarla y extruirla desde una boquilla de impresión 3D. La exposición prolongada al calor aumenta drásticamente su viscosidad:se vuelve demasiado espesa para extruirse fácilmente.

Pero cuando los investigadores combinaron lignina con nailon, encontraron un resultado sorprendente:la rigidez a temperatura ambiente del material compuesto aumentó mientras que su viscosidad en estado fundido disminuyó. El material de lignina-nailon tenía una resistencia a la tracción similar al nailon solo y una viscosidad más baja, De hecho, que el ABS convencional o el poliestireno de alto impacto.

Los científicos llevaron a cabo la dispersión de neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo y utilizaron microscopía avanzada en el Centro de ciencia de materiales nanofásicos, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE en ORNL, para explorar la estructura molecular del compuesto. Descubrieron que la combinación de lignina y nailon "parecía tener casi un efecto lubricante o plastificante sobre el compuesto, "señaló Naskar.

"Las características estructurales de la lignina son fundamentales para mejorar la capacidad de impresión 3D de los materiales, ", dijo Ngoc Nguyen de ORNL, quien colaboró ​​en el proyecto.

Los científicos también pudieron mezclar un porcentaje más alto de lignina (40 a 50 por ciento en peso), un nuevo logro en la búsqueda de un material de impresión a base de lignina. Luego, los científicos de ORNL agregaron de 4 a 16 por ciento de fibra de carbono a la mezcla. El nuevo compuesto se calienta más fácilmente, fluye más rápido para una impresión más rápida, y da como resultado un producto más fuerte.

"Las capacidades de clase mundial de ORNL en la caracterización y síntesis de materiales son esenciales para el desafío de transformar subproductos como la lignina en coproductos, generar nuevas fuentes de ingresos potenciales para la industria y crear compuestos renovables novedosos para la fabricación avanzada, "dijo Moe Khaleel, director asociado del laboratorio de Ciencias Energéticas y Ambientales.

El compuesto de lignina-nailon está pendiente de patente y se está trabajando para perfeccionar el material y encontrar otras formas de procesarlo.