橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室：發(fā)現(xiàn)適合3D打印的天然材料

導(dǎo)讀：研究人員已經(jīng)證明了生物質(zhì)纖維適合于增強(qiáng)聚乳酸(PLA)生物復(fù)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(zhì)分餾的高灰分生物質(zhì)流的潛力，從而增加了整個(gè)生物質(zhì)供應(yīng)和預(yù)處理系統(tǒng)的價(jià)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(zhì)纖維的灰分含量如何影響所得復(fù)合材料的相關(guān)熱機(jī)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(shí)驗(yàn)室制造科學(xué)部的研究人員探究了生物質(zhì)中高灰分濃度對復(fù)合材料強(qiáng)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(xiàng)研究中，研究人員利用天然纖維(玉米秸稈和柳枝稷)增強(qiáng)聚合物聚乳酸行程復(fù)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(jié)論的穩(wěn)健性。當(dāng)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(jī)械性能的大規(guī)模3D打印應(yīng)用的生物復(fù)合材料。高灰分天然纖維主要作為低價(jià)值產(chǎn)品銷售，但這項(xiàng)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(jià)值流，為生物質(zhì)供應(yīng)鏈增加高價(jià)值收入流有助于提高生物燃料行業(yè)的經(jīng)濟(jì)可行性。


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

此外，這項(xiàng)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(fù)合材料制造的原料成本。對不同灰分含量的生物復(fù)合材料性能變化的機(jī)理進(jìn)行了研究和討論。通過拉伸應(yīng)力-應(yīng)變、差示掃描量熱法(DSC)、動態(tài)力學(xué)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(fù)合材料的各種特性。


△復(fù)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(fù)合材料都有望滿足大規(guī)模3D打印熱塑性復(fù)合材料的粘性流動標(biāo)準(zhǔn)。

研究結(jié)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(fù)合材料應(yīng)用。隨著生物質(zhì)供應(yīng)鏈的高價(jià)值流，它可以幫助促進(jìn)生物能源行業(yè)的經(jīng)濟(jì)活動?；曳趾康脑黾訉α︷?PLA生物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度有輕微的負(fù)面影響，但對玉米秸稈/PLA復(fù)合材料的影響較小?；曳趾繉α︷?PLA和玉米秸稈/PLA復(fù)合材料的結(jié)晶溫度、玻璃化轉(zhuǎn)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(fù)合材料都具有可接受的3D打印特性。

然而，與柳枝稷/PLA復(fù)合材料相比，玉米秸稈/PLA復(fù)合材料具有較低的起始溫度和峰值溫度，這可能是因?yàn)橛衩捉斩捲媳攘︷⒃暇哂休^低的木質(zhì)素含量，木質(zhì)素起到阻燃劑和抗氧化劑的作用。此外，與柳枝稷/PLA復(fù)合材料相比，玉米秸稈/PLA復(fù)合材料具有更高的殘?zhí)亢?，這可能是因?yàn)橛衩捉斩捲现械目偀o機(jī)元素含量高于柳枝稷。

在未來的研究，化學(xué)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(gè)金屬元素(如鈣、硅、鋁)對復(fù)合材料性能的影響。此外，還將進(jìn)行使用天然纖維基復(fù)合材料(源自高灰分生物質(zhì))的3D打印制造和相關(guān)成本分析。


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