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导读：木质素是一种为植物细胞壁提供强度和硬度的化学物质，并且植物本体可以无休止地生产它，以保护自己免受捕食者的伤害。因此，木质素是一种用途广泛的资源，全世界的纸浆和部分工厂每年会产生约1亿吨的木质素废物。
2022年1月22日，南极熊获悉，特拉华大学（UD）的研究人员发布了一篇新的研究论文，探索将生物质经济地升级为新型3D打印材料的方法。
该论文在美国国家科学基金会成长融合研究（NSF GCR）项目的资助下完成，主要聚焦于木质素材料——一种制造纸制品时留下的废品。研究人员证明可以将木质素有效地转化为生物基3D打印树脂，他们声称这种方法与类似的石油基产品有竞争力。
UD的NSF GCR负责人Thomas Epps说："像工业木质素这样的东西，不仅能分解并转化为有用的产品，而且能以低于石油材料的成本和环境影响做到这一点，以前并没有人正在重视它的作用。
△UD的研究人员和同事正在调查的最终产品之一是为3D打印创造生物树脂。图片来源：Paula Pranda。
循环利用木质素进行3D打印
虽然UD的研究人员声称他们的研究是独一无二的，但其他几所大学和3D打印公司在这个领域也取得了进展。
2020年，弗莱堡大学的研究人员将木质素与纤维素结合起来，开发出他们自己的环保型木质3D打印材料。这种生物合成聚合物在轻型建筑或工业应用中具有潜在用途。
在其他地方，麻省理工学院的科学家们开发了他们自己的实验室培养的木质细胞，其中含有木质素加固的墙壁，可以构成一种新的、更可持续的3D打印生物材料的基础。虽然仍处于早期阶段，但在未来，这项研究可以作为3D打印环保家具或生产合成木材的一种手段，以解决日益严重的全球森林乱砍滥伐危机。
迄今为止，这一领域最引人注目的发展是Desktop Metal公司去年年中推出的新的Forust木材3D打印技术。该工艺提升了木材废弃副产品（如木质素和锯末）的价值，创造出了与其粘合剂喷射技术兼容的可持续3D打印材料。
△弗莱堡大学的研究人员使用DIW 3D打印技术（如图）来测试他们的新型环保木基3D打印材料。图片来源：Lisa Ebers，弗莱堡大学。
木质素经济效用的提升
UD的研究与该领域其他研究的不同之处在于它对升级过程的经济性的关注。木质素升级的主要缺点之一是，许多现有的工艺在非常高的温度下运行，因此价格昂贵，难以扩展。目前的工业技术也仍然伴随着与传统溶剂、温度或压力有关的安全问题、资本成本和能源消耗。
为了应对这些挑战，UD研究团队用甘油取代了木质素解构过程中使用的传统溶剂--甲醇，使该过程能够在正常的大气压力下进行。甘油是一种廉价的成分，通常用于液体化妆品、肥皂和洗发水，具有保湿作用，但也可用于将木质素分解为化学成分，从这些成分中可以制成广泛的生物基产品，如3D打印树脂。
用甘油代替甲醇提供了相同的化学功能，但蒸汽压力要低得多，不需要一个封闭系统。这使研究人员能够同时完成该过程的反应和分离步骤，从而形成一个更具成本效益的系统。
据研究人员称，在大气压下操作不仅更安全，而且还提供了一条直接的途径，将该方法从小批量扩大到连续运行，他们说这将以更低的成本、更快的速度和更少的手工劳动创造更多的材料。
△使用市面上的SLA打印机中的SLA树脂3D打印的 "UD"。图片来自UD。
评估经济可行性
3D打印木质素材料方法的开发历时一年，以确保其可重复性和一致性，在此期间还评估了该过程的经济可行性。
同时，该团队还研究了这款新型SLS 3D打印材料可以创造哪些类型的产品数据集，并估计其物理特性。这使得研究团队能够对产品系统进行建模，以了解所创造的材料在经济上是否可行。
这些模型评估了从项目合作伙伴加拿大CanmetENERGY公司获得的各种制浆过程中的工业用木质素废弃物。这使他们能够考虑上游成本，如原料价格或产量将如何影响该方法进一步的经济性。
根据这些模型，与传统的高压工艺相比，UD的低压方法可以将从软木卡夫木质素生产生物基压敏胶的成本降低60%。虽然科学家们承认，对于研究中使用的其他类型的工业木质素来说，成本优势并不明显，但软木卡夫木质素是制浆和造纸业最常产生的工业木质素类型之一。
研究人员的分析表明，虽然产量在工厂经济中起着重要作用，但在所有情况下，新的低压工艺的操作成本明显低于传统工艺，从而降低了资本成本，并产生了有价值的副产品。该团队还进行了生命周期评估（LCA），以了解该工艺产生了多少温室气体排放，其数据可在未来用于探索进一步优化该工艺的方法。
目前，他们低压力生产工艺正在申请专利，研究人员认为该方法为利用可再生资源制造各种类型的塑料而不是化石燃料提供了很大的潜力。
关于这项研究的更多信息可以在《Sciences Advances journal》杂志上发表的题为"Ambient-pressure lignin valorization to high-performancepolymers by intensified reductive catalytic deconstruction"的论文中找到。该论文由R. O'Dea, P. Pranda, Y. Luo, A. Amitrano, E. Ebikade, E. Gottlieb,O. Ajao, M. Benali, D. Vlachos, M. Ierapetritou, T. Epps共同撰写。
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