Um novo composto de lignina e náilon é facilmente extrudado durante a impressão 3D e exibe boa resistência mecânica nos produtos acabados. Crédito:Oak Ridge National Laboratory
Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, criaram uma receita para uma matéria-prima de impressão 3-D renovável que poderia estimular um novo uso lucrativo para um subproduto de biorrefinaria intratável:a lignina.
A descoberta, detalhado em Science Advances, expande as conquistas do ORNL na redução do custo dos bioprodutos, criando novos usos para a lignina - o material que sobra do processamento de biomassa. A lignina dá rigidez às plantas e também torna a biomassa resistente a ser decomposta em produtos úteis.
"Encontrar novos usos para a lignina pode melhorar a economia de todo o processo de biorrefinação, "disse o líder do projeto ORNL, Amit Naskar.
Os pesquisadores combinaram uma lignina de madeira dura estável à fusão com plástico convencional, um náilon de baixo ponto de fusão, e fibra de carbono para criar um composto com as características certas para extrusão e resistência de solda entre camadas durante o processo de impressão, bem como excelentes propriedades mecânicas.
O trabalho é complicado. A lignina carboniza facilmente; ao contrário de compostos pesados como acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) que são feitos de termoplásticos à base de petróleo, a lignina só pode ser aquecida a uma determinada temperatura para amolecimento e extrusão a partir de um bico de impressão 3D. A exposição prolongada ao calor aumenta drasticamente sua viscosidade - torna-se muito espesso para ser extrudado facilmente.
Usando até 50 por cento de lignina em peso, um novo material composto criado na ORNL é adequado para uso em impressão 3D. Crédito:Oak Ridge National Laboratory
Mas quando os pesquisadores combinaram lignina com náilon, eles encontraram um resultado surpreendente:a rigidez do composto à temperatura ambiente aumentou enquanto sua viscosidade de fusão diminuía. O material de lignina-náilon tinha resistência à tração semelhante ao náilon sozinho e menor viscosidade, na verdade, do que o ABS convencional ou o poliestireno de alto impacto.
Os cientistas conduziram o espalhamento de nêutrons no High Flux Isotope Reactor e usaram microscopia avançada no Center for Nanophase Materials Science - ambos DOE Office of Science User Facilities no ORNL - para explorar a estrutura molecular do composto. Eles descobriram que a combinação de lignina e náilon "parecia ter quase um efeito de lubrificação ou plastificação no composto, "observou Naskar.
"As características estruturais da lignina são críticas para melhorar a capacidade de impressão 3D dos materiais, "disse Ngoc Nguyen do ORNL que colaborou no projeto.
Os cientistas também conseguiram misturar uma porcentagem maior de lignina - 40 a 50 por cento em peso - uma nova conquista na busca por um material de impressão à base de lignina. Os cientistas do ORNL adicionaram de 4 a 16 por cento de fibra de carbono à mistura. O novo composto aquece mais facilmente, flui mais rápido para impressão mais rápida, e resulta em um produto mais forte.
Os cientistas do ORNL criaram um novo material composto para manufatura aditiva que usa lignina, um subproduto dos biocombustíveis. Crédito:Oak Ridge National Laboratory
"As capacidades de classe mundial do ORNL na caracterização e síntese de materiais são essenciais para o desafio de transformar subprodutos como a lignina em coprodutos, gerando novos fluxos de receita potenciais para a indústria e criando novos compostos renováveis para fabricação avançada, "disse Moe Khaleel, diretor de laboratório associado para Ciências Ambientais e de Energia.
O compósito de lignina-náilon está com patente pendente e o trabalho está em andamento para refinar o material e encontrar outras maneiras de processá-lo.
