Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno creato una ricetta per una materia prima rinnovabile per la stampa 3D che potrebbe stimolare un nuovo uso redditizio per un sottoprodotto della bioraffineria intrattabile:la lignina.

La scoperta, dettagliato in Science Advances, amplia i risultati di ORNL nell'abbassare il costo dei bioprodotti creando nuovi usi per la lignina, il materiale rimasto dalla lavorazione della biomassa. La lignina conferisce rigidità alle piante e rende anche la biomassa resistente alla scomposizione in prodotti utili.

"Trovare nuovi usi per la lignina può migliorare l'economia dell'intero processo di bioraffinazione, ", ha affermato il capo del progetto ORNL Amit Naskar.

I ricercatori hanno combinato una lignina di legno duro stabile allo scioglimento con plastica convenzionale, un nylon a basso punto di fusione, e fibra di carbonio per creare un composito con le giuste caratteristiche per l'estrusione e la resistenza della saldatura tra gli strati durante il processo di stampa, oltre ad eccellenti proprietà meccaniche.

Il lavoro è complicato. La lignina si carbonizza facilmente; a differenza dei compositi da lavoro come l'acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) che sono fatti di materiali termoplastici a base di petrolio, la lignina può essere riscaldata solo a una certa temperatura per l'ammorbidimento e l'estrusione da un ugello di stampa 3D. L'esposizione prolungata al calore aumenta notevolmente la sua viscosità:diventa troppo spessa per essere estrusa facilmente.

Ma quando i ricercatori hanno combinato la lignina con il nylon, hanno trovato un risultato sorprendente:la rigidità a temperatura ambiente del composito è aumentata mentre la sua viscosità allo stato fuso è diminuita. Il materiale lignina-nylon aveva una resistenza alla trazione simile al solo nylon e una viscosità inferiore, infatti, rispetto all'ABS convenzionale o al polistirene antiurto.

Gli scienziati hanno condotto la diffusione di neutroni presso l'High Flux Isotope Reactor e hanno utilizzato la microscopia avanzata presso il Center for Nanophase Materials Science, entrambe strutture per gli utenti dell'Office of Science dell'ORNL, per esplorare la struttura molecolare del composito. Hanno scoperto che la combinazione di lignina e nylon "sembrava avere quasi un effetto lubrificante o plastificante sul composito, " ha osservato Naskar.

"Le caratteristiche strutturali della lignina sono fondamentali per migliorare la stampabilità 3D dei materiali, " ha detto Ngoc Nguyen di ORNL che ha collaborato al progetto.

Gli scienziati sono stati anche in grado di aggiungere una percentuale più elevata di lignina, dal 40 al 50 percento in peso, un nuovo traguardo nella ricerca di un materiale di stampa a base di lignina. Gli scienziati dell'ORNL hanno quindi aggiunto dal 4 al 16% di fibra di carbonio nel mix. Il nuovo composito si riscalda più facilmente, scorre più velocemente per una stampa più veloce, e si traduce in un prodotto più forte.

"Le capacità di livello mondiale di ORNL nella caratterizzazione e sintesi dei materiali sono essenziali per la sfida di trasformare sottoprodotti come la lignina in coprodotti, generare potenziali nuovi flussi di entrate per l'industria e creare nuovi compositi rinnovabili per la produzione avanzata, " ha detto Moe Khaleel, direttore associato del laboratorio di Scienze Energetiche e Ambientali.

Il composito lignina-nylon è in attesa di brevetto e sono in corso lavori per perfezionare il materiale e trovare altri modi per lavorarlo.