特拉华大学探索开发出3D打印制造生物树脂技术
特拉华大学探索开发出3D打印制造生物树脂技术
特拉华大学(UD)的研究人员发布了一篇新的研究论文，探讨了经济地将生物质升级为新的3D打印材料的方法。
该论文由美国国家科学基金会日益趋同研究(NSF GCR)计划资助，重点研究了木质素，这是一种纸制品制造过程中遗留下来的废物，并证明了将其有效地转化为生物基3D打印树脂是可能的。他们声称的方法与类似的石油基产品具有竞争力。
“能够采用技术木质素之类的物质，不仅将其分解并将其转化为有用的产品，而且以低于石油材料的成本和对环境的影响来做到这一点，这是之前没有人真正能够做到的，”UD的NSF GCR负责人Thomas Epps说。
UD研究人员和同事正在研究的最终产品之一是为3D打印制造生物树脂
重新利用木质素进行3D打印
木质素是一种为植物细胞壁提供强度和刚度的化学物质，植物会不断产生木质素以保护自己免受捕食者的侵害。因此，木质素是一种广泛可用的资源，世界各地的纸浆和零件厂每年产生约1亿吨技术性木质素废料，UD表示。虽然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打印公司也在这一领域取得了进展。
2020年，弗莱堡大学的研究人员将木质素与纤维素相结合，呼吁开发他们自己的环保型木质3D打印材料，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细胞，这些细胞含有木质素增强的墙壁，可以构成一种新的、更可持续的3D可打印生物材料的基础。尽管仍处于早期阶段，但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，以应对日益严重的全球森林砍伐危机。
迄今为止，该领域最显着的发展可能是Desktop Metal于去年中推出的全新Forrust木材3D打印技术。该工艺将木材中的废物副产品（如木质素和锯末）升级，以创造与其粘合剂喷射技术兼容的可持续3D打印材料。
弗莱堡的研究人员使用DIW 3D打印技术来测试他们的新型生物材料
经济地升级木质素
UD研究与该领域其他研究的不同之处在于它专注于升级过程的经济学。升级木质素的主要缺点之一是许多现有工艺在非常高的温度下运行，因此价格昂贵且难以规模化。当前的工业技术还伴随着与传统溶剂、温度或压力相关的安全问题、资本成本和能源消耗。
为了应对这些挑战，UD研究团队将甲醇（一种用于木质素解构的传统溶剂）替换为甘油，以使该过程能够在正常大气压下进行。甘油是一种廉价的成分，通常用于液体化妆品、肥皂和洗发水中，具有保湿功效，但也可用于将木质素分解为其化学成分，从中可以生产出多种生物基产品，如3D打印树脂制成。
特拉华大学探索开发出3D打印制造生物树脂技术
用甘油代替甲醇提供了相同的化学功能，但蒸汽压低得多，无需封闭系统。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，可以将该方法从小批量扩大到连续运行，他们说这将创造出更多更便宜、更快、更少体力劳动的材料。
特拉华大学探索开发出3D打印制造生物树脂技术
在市售的SLA打印机中使用SLA树脂3D打印“UD”
评估经济可行性
该方法是在一年的时间里开发出来的，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。
该团队可以使用他们新创建的SLS 3D打印材料创建哪些类型的产品的数据集，并估计它们的物理特性。这使团队能够对系统进行建模，以查看创建的材料是否在经济上可行。
这些模型评估了从加拿大项目合作伙伴CanmetENERGY获得的各种制浆过程中的技术木质素废物。这使他们能够考虑上游成本（如原料价格或产量）将如何进一步影响该方法的经济性。
根据模型，与传统的高压工艺相比，UD的低压方法可以将软木牛皮纸木质素生产生物基压敏粘合剂的成本降低多达60%。虽然科学家承认研究中使用的其他类型的技术木质素的成本优势不太明显，但软木牛皮纸木质素是纸浆和造纸工业最常产生的技术木质素类型之一。
研有价值的副产品。该团队还进行了生命周期评估（LCA），以了解该过程产生了多少温室气体排放，其数据可用于未来探索进一步优化该过程的方法。
由于其环境压力工艺目前正在申请专利，研究人员认为，该方法为使用可再生资源制造各种类型的塑料提供了“很大的潜力”，有利于化石燃料。
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