Lignin in sustainable 3D printing through Neutron Scattering
- Reference number
- SNP24-0010
- Project leader
- Åhl, Agnes
- Start and end dates
- 250721-280721
- Amount granted
- 3 998 750 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
This project aims to facilitate the valorization of lignin in sustainable 3D printing by combining small angle neutron scattering (SANS) and quasielastic neutron scattering (QENS). The project has three main goals: understanding the impact of lignin aggregates on the properties of the printed materials; correlating the structure-viscosity relationship of lignin-polylactic acid (PLA) blends; and provide in-situ insights into the complex structural and dynamical behavior of lignin-PLA melts during 3D printing. Year one, focuses on lignin extraction and the formulation of blends with PLA. The lignin-PLA blends will be processed into 3D printed filaments, and the mechanical properties evaluated and related to lignin aggregation probed with SANS. Year two, the influence of shear on the structure of lignin-PLA blends will be probed in a combined rheology and SANS experiment and correlated with the dynamics through QENS. A QENS sample environment will be developed during the project, allowing for measurements during extension flow. The sample environment is based on a similar SANS sample environment, and the combination of the two will allow a mimicked 3D printing set-up, providing in-situ structural and dynamic insights into the lignin-PLA blends. The sample environments will be compatible with ESS and have the potential to push the development of 3D printing further. The third year will be dedicated to data analysis and manuscript writing, and three publications are planned.
Popular science description
Lignin, en av huvudkomponenterna i träd, är av stort intresse för utvecklingen av hållbara material för att ersätta de nuvarande fossil-baserade materialen. Ett område där lignin har stor potential är i 3D utskrift. 3D utskrift tillåter exakt design av material och reducerar den mängd råvara som behövs till ett färdigt material och genom att inkorporera lignin i 3D utskrift kan användandet av fossil-baserade polymerer reduceras vilket bidrar till mer hållbara material. Lignin är dock komplext och påverkas till stor del av källa och extraktionsmetod. För att göra det möjligt att använda lignin i 3D utskrift krävs det därför att olika lignin-baserade formuleringar karakteriseras och testas med syfte att försäkra att materialen håller hög kvalité i både utseende och egenskaper. I detta syfte kommer projektet använda lågvinkel- och kvasielastisk neutronspridning i kombination med reologi för att undersöka hur lignin påverkar strukturen och dynamiken under 3D utskrift, samt hur fördelningen av lignin påverkar de mekaniska egenskaperna av de 3D utskrivna materialen. Genom lågvinkel neutronspridning kan strukturell information på nanometer skala nås och utvärderas vid de olika 3D utskrifts stadierna där temperatur, tryck och skjuvhastighet kan varieras. Kvasielastisk neutronspridning ger åtkomst till de dynamiska processerna på en atom och molekylär skala vid liknande förhållanden. I kombination med den strukturella informationen från lågvinkel neutronspridning, kan kvasielastisk neutronspridning ge essentiell information för implementeringen av lignin i hållbar 3D utskrift.