橡樹嶺國家實驗室：發(fā)現(xiàn)適合3D打印的天然材料

導讀：研究人員已經(jīng)證明了生物質纖維適合于增強聚乳酸(PLA)生物復合材料，可以用于增材制造(3D打印)中。這表明了在增材制造中利用來自生物質分餾的高灰分生物質流的潛力，從而增加了整個生物質供應和預處理系統(tǒng)的價值，并降低了生物燃料生產(chǎn)和增材制造的原料成本。然而，生物質纖維的灰分含量如何影響所得復合材料的相關熱機械特性的問題尚未得到解答。



南極熊獲悉，來自橡樹嶺國家實驗室制造科學部的研究人員探究了生物質中高灰分濃度對復合材料強度和加工的影響。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在了《Composites Part C: Open Access 》上。


研究內(nèi)容
在這項研究中，研究人員利用天然纖維(玉米秸稈和柳枝稷)增強聚合物聚乳酸行程復合材料，測試原料類型對纖維可變性的影響，并研究這些分析結論的穩(wěn)健性。當前研究的新穎性是生產(chǎn)和表征具有不同灰分含量的天然纖維，并研究不合格的高灰分天然纖維是否可用于生產(chǎn)具有可接受機械性能的大規(guī)模3D打印應用的生物復合材料。高灰分天然纖維主要作為低價值產(chǎn)品銷售，但這項研究正在創(chuàng)造一種新的戰(zhàn)略，為高灰分天然纖維創(chuàng)造新的高價值流，為生物質供應鏈增加高價值收入流有助于提高生物燃料行業(yè)的經(jīng)濟可行性。


△通過為生物質的高灰分部分創(chuàng)造新的高價值流，該途徑有可能提高生物燃料的經(jīng)濟可行性

此外，這項研究揭示了在增材制造中和其他基于擠出的聚合物工藝中利用高灰分天然纖維的潛力，從而降低復合材料制造的原料成本。對不同灰分含量的生物復合材料性能變化的機理進行了研究和討論。通過拉伸應力-應變、差示掃描量熱法(DSC)、動態(tài)力學分析(DMA)、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)和熱重分析(TGA)研究了制備的生物復合材料的各種特性。


△復合粘度(A和B)和儲能模量(C和D)隨材料角頻率變化。所有柳枝稷/PLA和玉米秸稈/PLA生物復合材料都有望滿足大規(guī)模3D打印熱塑性復合材料的粘性流動標準。

研究結果
本研究中開發(fā)的不同灰分含量(0.7-11.9 wt %)的天然纖維用于生物復合材料應用。隨著生物質供應鏈的高價值流，它可以幫助促進生物能源行業(yè)的經(jīng)濟活動?；曳趾康脑黾訉α︷?PLA生物復合材料的拉伸強度有輕微的負面影響，但對玉米秸稈/PLA復合材料的影響較小?；曳趾繉α︷?PLA和玉米秸稈/PLA復合材料的結晶溫度、玻璃化轉變溫度和熔融溫度也有較小的影響。所有柳枝稷/PLA和玉米秸稈/PLA復合材料都具有可接受的3D打印特性。

然而，與柳枝稷/PLA復合材料相比，玉米秸稈/PLA復合材料具有較低的起始溫度和峰值溫度，這可能是因為玉米秸稈原料比柳枝稷原料具有較低的木質素含量，木質素起到阻燃劑和抗氧化劑的作用。此外，與柳枝稷/PLA復合材料相比，玉米秸稈/PLA復合材料具有更高的殘?zhí)亢?，這可能是因為玉米秸稈原料中的總無機元素含量高于柳枝稷。

在未來的研究，化學處理(如環(huán)氧樹脂改性和增容劑添加)可以用來改善界面纖維和聚合物基體之間的相容性。還需要研究單個金屬元素(如鈣、硅、鋁)對復合材料性能的影響。此外，還將進行使用天然纖維基復合材料(源自高灰分生物質)的3D打印制造和相關成本分析。


原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2022.100319