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

導讀：木質(zhì)素是一種為植物細胞壁提供強度和硬度的化學物質(zhì)，并且植物本體可以無休止地生產(chǎn)它，以保護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（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)濟地升級為新型3D打印材料的方法。

該論文在美國國家科學基金會成長融合研究（NSF GCR）項目的資助下完成，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打印樹脂，他們聲稱這種方法與類似的石油基產(chǎn)品有競爭力。

UD的NSF GCR負責人Thomas Epps說："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，以前并沒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)造生物樹脂。圖片來源：Paula Pranda。

循環(huán)利用木質(zhì)素進行3D打印

雖然UD的研究人員聲稱他們的研究是獨一無二的，但其他幾所大學和3D打印公司在這個領(lǐng)域也取得了進展。

2020年，弗萊堡大學的研究人員將木質(zhì)素與纖維素結(jié)合起來，開發(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，麻省理工學院的科學家們開發(fā)了他們自己的實驗室培養(yǎng)的木質(zhì)細胞，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，這項研究可以作為3D打印環(huán)保家具或生產(chǎn)合成木材的一種手段，以解決日益嚴重的全球森林亂砍濫伐危機。

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。

△弗萊堡大學的研究人員使用DIW 3D打印技術(shù)（如圖）來測試他們的新型環(huán)保木基3D打印材料。圖片來源：Lisa Ebers，弗萊堡大學。

木質(zhì)素經(jīng)濟效用的提升

UD的研究與該領(lǐng)域其他研究的不同之處在于它對升級過程的經(jīng)濟性的關(guān)注。木質(zhì)素升級的主要缺點之一是，許多現(xiàn)有的工藝在非常高的溫度下運行，因此價格昂貴，難以擴展。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)的安全問題、資本成本和能源消耗。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，UD研究團隊用甘油取代了木質(zhì)素解構(gòu)過程中使用的傳統(tǒng)溶劑--甲醇，使該過程能夠在正常的大氣壓力下進行。甘油是一種廉價的成分，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打印樹脂。

用甘油代替甲醇提供了相同的化學功能，但蒸汽壓力要低得多，不需要一個封閉系統(tǒng)。這使研究人員能夠同時完成該過程的反應(yīng)和分離步驟，從而形成一個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大到連續(xù)運行，他們說這將以更低的成本、更快的速度和更少的手工勞動創(chuàng)造更多的材料。

△使用市面上的SLA打印機中的SLA樹脂3D打印的 "UD"。圖片來自UD。

評估經(jīng)濟可行性

3D打印木質(zhì)素材料方法的開發(fā)歷時一年，以確保其可重復性和一致性，在此期間還評估了該過程的經(jīng)濟可行性。

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

這些模型評估了從項目合作伙伴加拿大CanmetENERGY公司獲得的各種制漿過程中的工業(yè)用木質(zhì)素廢棄物。這使他們能夠考慮上游成本，如原料價格或產(chǎn)量將如何影響該方法進一步的經(jīng)濟性。

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%。雖然科學家們承認，對于研究中使用的其他類型的工業(yè)木質(zhì)素來說，成本優(yōu)勢并不明顯，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)素類型之一。

研究人員的分析表明，雖然產(chǎn)量在工廠經(jīng)濟中起著重要作用，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)生了有價值的副產(chǎn)品。該團隊還進行了生命周期評估（LCA），以了解該工藝產(chǎn)生了多少溫室氣體排放，其數(shù)據(jù)可在未來用于探索進一步優(yōu)化該工藝的方法。

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

關(guān)于這項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。

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