媲美石油的經(jīng)濟(jì)性材料,，研究人員將木質(zhì)素升級(jí)為可持續(xù)3D打印材料

導(dǎo)讀：木質(zhì)素是一種為植物細(xì)胞壁提供強(qiáng)度和硬度的化學(xué)物質(zhì),，并且植物本體可以無(wú)休止地生產(chǎn)它，以保護(hù)自己免受捕食者的傷害,。因此,，木質(zhì)素是一種用途廣泛的資源，全世界的紙漿和部分工廠每年會(huì)產(chǎn)生約1億噸的木質(zhì)素廢物,。

2022年1月22日,，南極熊獲悉,，特拉華大學(xué)（UD）的研究人員發(fā)布了一篇新的研究論文，探索將生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)地升級(jí)為新型3D打印材料的方法,。

該論文在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)成長(zhǎng)融合研究（NSF GCR）項(xiàng)目的資助下完成,，主要聚焦于木質(zhì)素材料——一種制造紙制品時(shí)留下的廢品。研究人員證明可以將木質(zhì)素有效地轉(zhuǎn)化為生物基3D打印樹(shù)脂,，他們聲稱這種方法與類(lèi)似的石油基產(chǎn)品有競(jìng)爭(zhēng)力,。

UD的NSF GCR負(fù)責(zé)人Thomas Epps說(shuō)："像工業(yè)木質(zhì)素這樣的東西，不僅能分解并轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品,，而且能以低于石油材料的成本和環(huán)境影響做到這一點(diǎn),，以前并沒(méi)有人正在重視它的作用。

△UD的研究人員和同事正在調(diào)查的最終產(chǎn)品之一是為3D打印創(chuàng)造生物樹(shù)脂,。圖片來(lái)源：Paula Pranda,。

循環(huán)利用木質(zhì)素進(jìn)行3D打印

雖然UD的研究人員聲稱他們的研究是獨(dú)一無(wú)二的,，但其他幾所大學(xué)和3D打印公司在這個(gè)領(lǐng)域也取得了進(jìn)展,。

2020年，弗萊堡大學(xué)的研究人員將木質(zhì)素與纖維素結(jié)合起來(lái),，開(kāi)發(fā)出他們自己的環(huán)保型木質(zhì)3D打印材料,。這種生物合成聚合物在輕型建筑或工業(yè)應(yīng)用中具有潛在用途。

在其他地方,，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了他們自己的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的木質(zhì)細(xì)胞,，其中含有木質(zhì)素加固的墻壁，可以構(gòu)成一種新的,、更可持續(xù)的3D打印生物材料的基礎(chǔ),。雖然仍處于早期階段，但在未來(lái),，這項(xiàng)研究可以作為3D打印環(huán)保家具或生產(chǎn)合成木材的一種手段,，以解決日益嚴(yán)重的全球森林亂砍濫伐危機(jī)。

迄今為止,，這一領(lǐng)域最引人注目的發(fā)展是Desktop Metal公司去年年中推出的新的Forust木材3D打印技術(shù),。該工藝提升了木材廢棄副產(chǎn)品（如木質(zhì)素和鋸末）的價(jià)值，創(chuàng)造出了與其粘合劑噴射技術(shù)兼容的可持續(xù)3D打印材料,。

△弗萊堡大學(xué)的研究人員使用DIW 3D打印技術(shù)（如圖）來(lái)測(cè)試他們的新型環(huán)保木基3D打印材料,。圖片來(lái)源：Lisa Ebers，弗萊堡大學(xué),。

木質(zhì)素經(jīng)濟(jì)效用的提升

UD的研究與該領(lǐng)域其他研究的不同之處在于它對(duì)升級(jí)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注,。木質(zhì)素升級(jí)的主要缺點(diǎn)之一是，許多現(xiàn)有的工藝在非常高的溫度下運(yùn)行,，因此價(jià)格昂貴,，難以擴(kuò)展,。目前的工業(yè)技術(shù)也仍然伴隨著與傳統(tǒng)溶劑、溫度或壓力有關(guān)的安全問(wèn)題,、資本成本和能源消耗,。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，UD研究團(tuán)隊(duì)用甘油取代了木質(zhì)素解構(gòu)過(guò)程中使用的傳統(tǒng)溶劑--甲醇,，使該過(guò)程能夠在正常的大氣壓力下進(jìn)行,。甘油是一種廉價(jià)的成分，通常用于液體化妝品,、肥皂和洗發(fā)水,，具有保濕作用，但也可用于將木質(zhì)素分解為化學(xué)成分,，從這些成分中可以制成廣泛的生物基產(chǎn)品,，如3D打印樹(shù)脂。

用甘油代替甲醇提供了相同的化學(xué)功能,，但蒸汽壓力要低得多,，不需要一個(gè)封閉系統(tǒng)。這使研究人員能夠同時(shí)完成該過(guò)程的反應(yīng)和分離步驟,，從而形成一個(gè)更具成本效益的系統(tǒng),。

據(jù)研究人員稱，在大氣壓下操作不僅更安全,，而且還提供了一條直接的途徑,，將該方法從小批量擴(kuò)大到連續(xù)運(yùn)行，他們說(shuō)這將以更低的成本,、更快的速度和更少的手工勞動(dòng)創(chuàng)造更多的材料,。

△使用市面上的SLA打印機(jī)中的SLA樹(shù)脂3D打印的 "UD"。圖片來(lái)自UD,。

評(píng)估經(jīng)濟(jì)可行性

3D打印木質(zhì)素材料方法的開(kāi)發(fā)歷時(shí)一年,，以確保其可重復(fù)性和一致性，在此期間還評(píng)估了該過(guò)程的經(jīng)濟(jì)可行性,。

同時(shí),，該團(tuán)隊(duì)還研究了這款新型SLS 3D打印材料可以創(chuàng)造哪些類(lèi)型的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，并估計(jì)其物理特性,。這使得研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)Ξa(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)行建模,，以了解所創(chuàng)造的材料在經(jīng)濟(jì)上是否可行。

這些模型評(píng)估了從項(xiàng)目合作伙伴加拿大CanmetENERGY公司獲得的各種制漿過(guò)程中的工業(yè)用木質(zhì)素廢棄物,。這使他們能夠考慮上游成本,，如原料價(jià)格或產(chǎn)量將如何影響該方法進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)這些模型,，與傳統(tǒng)的高壓工藝相比,，UD的低壓方法可以將從軟木卡夫木質(zhì)素生產(chǎn)生物基壓敏膠的成本降低60%,。雖然科學(xué)家們承認(rèn)，對(duì)于研究中使用的其他類(lèi)型的工業(yè)木質(zhì)素來(lái)說(shuō),，成本優(yōu)勢(shì)并不明顯,，但軟木卡夫木質(zhì)素是制漿和造紙業(yè)最常產(chǎn)生的工業(yè)木質(zhì)素類(lèi)型之一。

研究人員的分析表明,，雖然產(chǎn)量在工廠經(jīng)濟(jì)中起著重要作用,，但在所有情況下，新的低壓工藝的操作成本明顯低于傳統(tǒng)工藝,，從而降低了資本成本,，并產(chǎn)生了有價(jià)值的副產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了生命周期評(píng)估（LCA）,，以了解該工藝產(chǎn)生了多少溫室氣體排放,，其數(shù)據(jù)可在未來(lái)用于探索進(jìn)一步優(yōu)化該工藝的方法。

目前,，他們低壓力生產(chǎn)工藝正在申請(qǐng)專(zhuān)利,，研究人員認(rèn)為該方法為利用可再生資源制造各種類(lèi)型的塑料而不是化石燃料提供了很大的潛力。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《Sciences Advances journal》雜志上發(fā)表的題為"Ambient-pressure lignin valorization to high-performancepolymers by intensified reductive catalytic deconstruction"的論文中找到,。該論文由R. O'Dea, P. Pranda, Y. Luo, A. Amitrano, E. Ebikade, E. Gottlieb,O. Ajao, M. Benali, D. Vlachos, M. Ierapetritou, T. Epps共同撰寫(xiě),。

相關(guān)論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj7523