Un nouveau composite de lignine et de nylon s'extrude facilement lors de l'impression 3D et présente une bonne résistance mécanique dans les produits finis. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont créé une recette pour une matière première d'impression 3D renouvelable qui pourrait stimuler une nouvelle utilisation rentable d'un sous-produit de bioraffinerie insoluble :la lignine.
La découverte, détaillé dans Science Advances, étend les réalisations de l'ORNL en matière de réduction du coût des bioproduits en créant de nouvelles utilisations pour la lignine, le matériau restant du traitement de la biomasse. La lignine donne de la rigidité aux plantes et rend également la biomasse résistante à la décomposition en produits utiles.
« Trouver de nouvelles utilisations pour la lignine peut améliorer la rentabilité de l'ensemble du processus de bioraffinage, " a déclaré Amit Naskar, chef de projet ORNL.
Les chercheurs ont combiné une lignine de bois dur stable à la fusion avec du plastique conventionnel, un nylon à bas point de fusion, et de la fibre de carbone pour créer un composite avec juste les bonnes caractéristiques pour l'extrusion et la résistance de la soudure entre les couches pendant le processus d'impression, ainsi que d'excellentes propriétés mécaniques.
Le travail est délicat. La lignine se carbonise facilement ; contrairement aux composites performants comme l'acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS) qui sont fabriqués à partir de thermoplastiques à base de pétrole, la lignine ne peut être chauffée qu'à une certaine température pour le ramollissement et l'extrusion à partir d'une buse d'impression 3D. Une exposition prolongée à la chaleur augmente considérablement sa viscosité - elle devient trop épaisse pour être extrudée facilement.
Utilisant jusqu'à 50 % de lignine en poids, un nouveau matériau composite créé à l'ORNL est bien adapté à une utilisation en impression 3D. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
Mais lorsque les chercheurs ont combiné la lignine avec du nylon, ils ont trouvé un résultat surprenant :la rigidité à température ambiante du composite a augmenté tandis que sa viscosité à l'état fondu a diminué. Le matériau lignine-nylon avait une résistance à la traction similaire au nylon seul et une viscosité inférieure, En réalité, que l'ABS conventionnel ou le polystyrène résistant aux chocs.
Les scientifiques ont procédé à la diffusion des neutrons dans le réacteur isotopique à haut flux et ont utilisé la microscopie avancée au Center for Nanophase Materials Science (tous deux du DOE Office of Science User Facilities à ORNL) pour explorer la structure moléculaire du composite. Ils ont constaté que la combinaison de lignine et de nylon "semblait avoir presque un effet lubrifiant ou plastifiant sur le composite, " a noté Naskar.
« Les caractéristiques structurelles de la lignine sont essentielles pour améliorer l'imprimabilité 3D des matériaux, " a déclaré Ngoc Nguyen de l'ORNL qui a collaboré au projet.
Les scientifiques ont également pu mélanger un pourcentage plus élevé de lignine (40 à 50 pour cent en poids), une nouvelle réalisation dans la quête d'un matériau d'impression à base de lignine. Les scientifiques de l'ORNL ont ensuite ajouté 4 à 16% de fibre de carbone au mélange. Le nouveau composite chauffe plus facilement, s'écoule plus rapidement pour une impression plus rapide, et donne un produit plus fort.
Les scientifiques de l'ORNL ont créé un nouveau matériau composite pour la fabrication additive qui utilise de la lignine, un sous-produit des biocarburants. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge
« Les capacités de classe mondiale de l'ORNL en matière de caractérisation et de synthèse de matériaux sont essentielles au défi de transformer des sous-produits comme la lignine en coproduits, générer de nouvelles sources de revenus potentielles pour l'industrie et créer de nouveaux composites renouvelables pour la fabrication de pointe, " a déclaré Moe Khaleel, directeur de laboratoire associé pour les sciences de l'énergie et de l'environnement.
Le composite lignine-nylon est en instance de brevet et des travaux sont en cours pour affiner le matériau et trouver d'autres moyens de le traiter.
