A path for lignin valorization via additive manufacturing of high-performance sustainable composites with enhanced 3D printability ( Un camino para la valorización de la lignina a través de la fabricación aditiva de compuestos sostenibles ...)

Sección: Materiales

Científicos del Oak Ridge National Laboratory (ORNL), del Departamento de Energía de EE UU, han creado una receta para una materia prima de impresión 3D renovable que podría estimular un nuevo uso rentable para un subproducto biorrefinería intratable: la lignina.

El descubrimiento, detallado en Science Advances, amplía los logros de ORNL en la reducción del coste de los bioproductos mediante la creación de nuevos usos para la lignina, el material sobrante del procesamiento de la biomasa. La lignina proporciona 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 biorrefinería", explica Amit Naskar, líder del proyecto ORNL.

Los investigadores combinaron una lignina de madera dura estable a la fusión con plástico convencional, un nylon de baja fusión y fibra de carbono para crear un compuesto con las características correctas de extrusión y resistencia de 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 materiales compuestos como el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) que están hechos de termoplásticos a base de petróleo, la lignina sólo puede ser calentada a una cierta temperatura para su ablandamiento y extrusión desde una boquilla de impresión en 3D. La exposición prolongada al calor aumenta drásticamente su viscosidad; se vuelve demasiado gruesa para ser extruida fácilmente.

Pero cuando los investigadores combinaron la lignina con el nylon, encontraron un resultado sorprendente: la rigidez del compuesto a temperatura ambiente aumentó mientras que su viscosidad de fusión disminuyó. El material de lignina-nilón tenía una resistencia a la tracción similar a la del nylon 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 isotópico de alto flujo y utilizaron microscopía avanzada en el Centro de Ciencia de Materiales Nanofásicos -ambos con instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL- para explorar la estructura molecular del compuesto. Encontraron que la combinación de lignina y nylon “parecía tener casi un efecto lubricante o plastificante sobre el compuesto”, anotó Naskar.

“Las características estructurales de la lignina son críticas para mejorar la imprimibilidad en 3D de los materiales”, explica Ngoc Nguyen, de ORNL, quien colaboró en el proyecto.

Los científicos también pudieron mezclar un mayor porcentaje de lignina, entre 40 y 50% por peso, un nuevo logro en la búsqueda de un material de impresión a base de lignina. Los científicos de la ORNL agregaron entre 4 y 16% 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 resistente.

“Las capacidades de clase mundial de ORNL en 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 nuevos compuestos renovables para la fabricación avanzada”, dice Moe Khaleel, director asociado del laboratorio de Ciencias Energéticas y Ambientales.

El compuesto de lignina y nylon está pendiente de patente y se está trabajando para refinar el material y encontrar otras formas de procesarlo. El equipo de investigación de la ORNL también incluyó a Sietske Barnes, Christopher Bowland, Kelly Meek, Kenneth Littrell y Jong Keum. La investigación fue financiada por la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables del DOE.

*El trabajo puede consultarse en el siguiente enlace:

http://advances.sciencemag.org/content/4/12/eaat4967

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