Científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), que depende del Departamento de Energía de Estados Unidos, han encontrado la forma de elaborar una nueva materia prima renovable para impresión 3D. El hallazgo podría impulsar un nuevo uso rentable para un subproducto de las biorrefinerías que hasta el momento no ha encontrado aplicación: la lignina.

El descubrimiento, detallado en Science Advances, permitirá reducir el costo de los bioproductos mediante la creación de nuevos usos para la lignina, el material que queda del procesamiento de la biomasa. La lignina confiere a las plantas rigidez 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 biorrefinación”, dijo Amit Naskar, líder del proyecto en ORNL.

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Los investigadores combinaron lignina obtenida de madera dura con un plástico convencional, un nylon de bajo punto de fusión y fibra de carbono, para crear un compuesto con las características correctas de extrusión y resistencia a la 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 de los otros materiales, como el acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS), que están hechos de termoplásticos a base de petróleo. La lignina solo puede calentarse a una cierta temperatura para ablandarse y extruir por una boquilla de impresión 3D. La exposición prolongada al calor aumenta dramáticamente su viscosidad, se vuelve demasiado espesa para ser extruida fácilmente.

Pero cuando los investigadores combinaron la lignina con el naylon, encontraron un resultado sorprendente: la rigidez a temperatura ambiente del compuesto aumentó mientras que la viscosidad de fusión disminuyó. El material de lignina-naylon alcanzó una resistencia a la tracción similar a la del naylon solo y, de hecho, menor viscosidad que el ABS convencional o el poliestireno de alto impacto.

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Los científicos llevaron a cabo una dispersión de neutrones en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo y utilizaron microscopía avanzada en el Centro para la Ciencia de Materiales de Nanofase, ambas instalaciones ubicadas dentro la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía en ORNL, para explorar la estructura molecular del compuesto. Encontraron que la combinación de lignina y naylon “parece tener casi un efecto de lubricación o plastificación en el compuesto”, contó Naskar.

“Las características estructurales de la lignina son fundamentales para mejorar la capacidad de impresión en 3D de los materiales”, dijo Ngoc Nguyen de ORNL, quien colaboró ​​en el proyecto.

Los científicos también pudieron mezclar un mayor porcentaje de lignina (40 a 50 por ciento en peso), un nuevo logro en la búsqueda de un material de impresión basado en lignina. Los científicos de ORNL luego agregaron de 4 a 16 por ciento de fibra de carbono en la mezcla. El nuevo compuesto se calienta más fácilmente, fluye más rápido para una impresión más rápida y da como resultado un producto más fuerte.

“Las instalaciones de primer nivel de ORNL para la 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”, dijo Moe Khaleel, director asociado de laboratorio de Energía. y Ciencias Ambientales.