【科技小知識】以木質(zhì)素為原料開發(fā)生物基3D打印樹脂

幫助我們的地球的一個方法是使用更可持續(xù)的材料，比如那些由生物基材料制成的材料，但問題是這些材料還不夠普遍，在經(jīng)濟上是合理的。特拉華大學和加拿大CanmetENERGY公司的研究人員對此做出了最好的解釋，他們解釋說，如果因為這種生物罐的制造成本太高，牛奶的價格就會漲到每加侖20美元，那么就沒有人會買這種牛奶了。研究人員最近發(fā)表了一篇論文，討論如何將造紙過程中產(chǎn)生的木質(zhì)素廢料更有效地轉化為可持續(xù)發(fā)展的高性能塑料，比如生物基3D打印樹脂。
摘要指出:“在這里，我們提供了一種強化反應蒸餾-還原催化解構(RD-RCD)過程的首次報告，該過程可以同時解構來自不同來源的技術木質(zhì)素，并在環(huán)境壓力下凈化芳香產(chǎn)物。我們展示了RD-RCD生物油通過立體光刻3D打印技術在高性能添加劑制造中的應用，并強調(diào)了其相對于傳統(tǒng)還原催化分餾/RCD工藝的經(jīng)濟優(yōu)勢。”

在自然界中，木質(zhì)素是樹木和植物的一部分，為它們提供硬度和強度，幫助它們站立，但在造紙和紙漿工業(yè)中，木質(zhì)素被認為是無用的，除了添加到輪胎中作為填充物或燃燒它來加熱;這不是很可持續(xù)的選擇。造紙和紙漿廠每年產(chǎn)生大約1億噸木質(zhì)素廢料，研究人員認為，這種材料可以有更大的用途。在美國國家科學基金會增長融合研究(NSF GCR)項目的資助下，他們開始經(jīng)濟地將生物質(zhì)轉化為新產(chǎn)品。

當升級木質(zhì)素時，成本昂貴且難以規(guī)模化，而且大多數(shù)必要的過程都涉及高壓。因此，這個團隊沒有使用甲醇作為溶劑來分解木質(zhì)素，而是使用了甘油，一種日常使用的廉價成分，經(jīng)常用于洗液、肥皂、液體化妝品和洗發(fā)水。這種選擇不僅降低了成本，而且由于它的高沸點，甘油還允許這個過程在環(huán)境大氣壓力下進行，這樣更安全、更快、更容易擴大規(guī)模。

甘油將木質(zhì)素分解成化學成分，有助于生產(chǎn)生物基產(chǎn)品，如抗氧化劑、各種塑料和3D打印樹脂。這種材料具有與甲醇相同的化學功能，但不需要一個封閉的系統(tǒng)，因為甘油需要更低的蒸汽壓，這使得研究小組可以同時進行反應和分離步驟。

團隊花了大約一年的時間開發(fā)這個過程，并確保它是一致的和可重復的;CanmetENERGY為他們提供了不同制漿過程中產(chǎn)生的木質(zhì)素廢料。該研究的聯(lián)合主要作者之一、2021年哈佛大學榮譽研究生葆拉·普拉達(Paula Pranda)查看了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)集，看看他們可以創(chuàng)造出什么產(chǎn)品，并估計了他們需要的材料的物理性能。這使得來自Marianthi Ierapetritou教授團隊的化學工程博士生Yuqing Luo能夠從經(jīng)濟角度分析該系統(tǒng)是否實用。通過經(jīng)濟建模，Luo確定，當該團隊的低壓方法與典型的高壓方法相比，用針葉木硫酸鹽木質(zhì)素生產(chǎn)壓敏型生物基粘合劑的成本降低了60%。

完整的3D打印配方包含40 wt%的丙烯酸生物油，直接從本工作中產(chǎn)生的RD-RCD產(chǎn)品，40 wt%木質(zhì)素衍生物香烯醇二丙烯酸酯，15 wt%的人聚樹脂，和5 wt%的光引發(fā)劑。添加雙丙烯酸酯和聚人樹脂是為了提高整體印刷質(zhì)量，”研究人員寫道。第二種樹脂是由丙烯酸生物油和香草醇二丙烯酸酯制備的，不含人聚樹脂，材料按照相同的程序固化。然而，沒有peopleopoly的印刷品在幾分鐘后就出現(xiàn)了破損/剝落現(xiàn)象?！?/p>

研究人員正在申請環(huán)境壓力法的專利。

“這表明利用可再生資源制造不同類型的塑料有很大的潛力，”普拉達在談到這種低壓方法時說?！澳悴槐厥褂没剂?，來自可再生資源的塑料在經(jīng)濟上也是可行的?！?/p>

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