橡树岭国家实验室：发现适合3D打印的天然材料

导读：研究人员已经证明了生物质纤维适合于增强聚乳酸(PLA)生物复合材料，可以用于增材制造(3D打印)中。这表明了在增材制造中利用来自生物质分馏的高灰分生物质流的潜力，从而增加了整个生物质供应和预处理系统的价值，并降低了生物燃料生产和增材制造的原料成本。然而，生物质纤维的灰分含量如何影响所得复合材料的相关热机械特性的问题尚未得到解答。



南极熊获悉，来自橡树岭国家实验室制造科学部的研究人员探究了生物质中高灰分浓度对复合材料强度和加工的影响。他们的研究已经发表在了《Composites Part C: Open Access 》上。


研究内容
在这项研究中，研究人员利用天然纤维(玉米秸秆和柳枝稷)增强聚合物聚乳酸行程复合材料，测试原料类型对纤维可变性的影响，并研究这些分析结论的稳健性。当前研究的新颖性是生产和表征具有不同灰分含量的天然纤维，并研究不合格的高灰分天然纤维是否可用于生产具有可接受机械性能的大规模3D打印应用的生物复合材料。高灰分天然纤维主要作为低价值产品销售，但这项研究正在创造一种新的战略，为高灰分天然纤维创造新的高价值流，为生物质供应链增加高价值收入流有助于提高生物燃料行业的经济可行性。


△通过为生物质的高灰分部分创造新的高价值流，该途径有可能提高生物燃料的经济可行性

此外，这项研究揭示了在增材制造中和其他基于挤出的聚合物工艺中利用高灰分天然纤维的潜力，从而降低复合材料制造的原料成本。对不同灰分含量的生物复合材料性能变化的机理进行了研究和讨论。通过拉伸应力-应变、差示扫描量热法(DSC)、动态力学分析(DMA)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TGA)研究了制备的生物复合材料的各种特性。


△复合粘度(A和B)和储能模量(C和D)随材料角频率变化。所有柳枝稷/PLA和玉米秸秆/PLA生物复合材料都有望满足大规模3D打印热塑性复合材料的粘性流动标准。

研究结果
本研究中开发的不同灰分含量(0.7-11.9 wt %)的天然纤维用于生物复合材料应用。随着生物质供应链的高价值流，它可以帮助促进生物能源行业的经济活动。灰分含量的增加对柳枝稷/PLA生物复合材料的拉伸强度有轻微的负面影响，但对玉米秸秆/PLA复合材料的影响较小。灰分含量对柳枝稷/PLA和玉米秸秆/PLA复合材料的结晶温度、玻璃化转变温度和熔融温度也有较小的影响。所有柳枝稷/PLA和玉米秸秆/PLA复合材料都具有可接受的3D打印特性。

然而，与柳枝稷/PLA复合材料相比，玉米秸秆/PLA复合材料具有较低的起始温度和峰值温度，这可能是因为玉米秸秆原料比柳枝稷原料具有较低的木质素含量，木质素起到阻燃剂和抗氧化剂的作用。此外，与柳枝稷/PLA复合材料相比，玉米秸秆/PLA复合材料具有更高的残炭含量，这可能是因为玉米秸秆原料中的总无机元素含量高于柳枝稷。

在未来的研究，化学处理(如环氧树脂改性和增容剂添加)可以用来改善界面纤维和聚合物基体之间的相容性。还需要研究单个金属元素(如钙、硅、铝)对复合材料性能的影响。此外，还将进行使用天然纤维基复合材料(源自高灰分生物质)的3D打印制造和相关成本分析。


原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2022.100319