Method Article
Bir kağıt yapma işlemi kullanılarak sert ve sağlam bir kısa doğal elyaf preforme üretimi için yeni bir yöntem sunulmaktadır. Bakteriyel selüloz gevşek lifler için bağlayıcı olarak hareket eder ve aynı zamanda elyaf ön-parçaları için sertlik sağlar. Bu preform Gerçekten yeşil hiyerarşik kompozit malzemelerin üretilmesi için bir reçine ile infüze edilebilir.
Sert ve sağlam bir doğal elyaf ön imalatı için yeni bir yöntem burada sunulmuştur. Bu yöntem, gevşek ve kısa sisal elyafları bakteri selüloz içeren bir su süspansiyonu içinde disperse edilir, böylece bir kağıt yapma yöntemi, dayanır. Elyaf ve nanocellulose Süspansiyon daha sonra (yerçekimi ve vakum kullanarak), filtre edilmiş ve ıslak filtre keki, ve fazla suyun sıkılarak çıkarılması için preslenmiş, bir kurutma adımı takip eder. Bu arada gevşek doğal elyaflar tutan, bakteri selüloz ağının Hornifikasyon neden olur.
Önerilen yöntem, özel olarak su sever fiberlerin sert ve sağlam bir preform üretimi için uygundur. Bu tür elyaf ve gözenekli hidrofilik doğa süspansiyon içinde dağılmış bakteri selüloz çizim, önemli bir su emme ile sonuçlanır. Bakteriyel selüloz daha sonra bir bakteri selüloz kaplamanın oluşturulması, bu liflerin yüzeyine karşı filtre edilecektir. Ne gevşek fiber-bakteriyel hücreulose süspansiyon filtre edildi ve kurutuldu, bitişik bakteri selüloz bir ağ oluşturur ve birlikte başka bir gevşek liflerin tutmak için hornified.
Ön formun içine bakteri selüloz giriş elyaf ön-mekanik özelliklerinin önemli bir artış ile sonuçlanmıştır. Bu bakteri selüloz ağının yüksek sertlik ve mukavemet atfedilebilir. Bu ön-ile, yenilenebilir yüksek performanslı hiyerarşik kompozit malzemeler, aynı zamanda, reçine tabakası infüzyon (RFI) veya reçine transfer kalıplama (RTM) gibi geleneksel kompozit üretim yöntemleri kullanılarak imal edilebilir. İşte, biz de reçine infüzyon destekli iki torba vakum kullanarak yenilenebilir hiyerarşik kompozit üretim açıklar.
Giderek artan petrol fiyatları ve sürdürülebilir bir gelecek için halkın artan talep yol açtı ve yeşil malzemeler, özellikle polimerler ve kompozit araştırma ve geliştirme canlandırdı var. Ne yazık ki, yeşil veya yenilenebilir polimerlerin termo-mekanik performans geleneksel petrol bazlı polimerler, genellikle 1 ile karşılaştırıldığında daha düşüktür. Örneğin, ticari olarak temin edilebilen kopolimerler, polilaktid (PLA) ve polihidroksi (PHB) kırılgandır ve düşük bir ısı ile bozulma sıcaklıklarını sahiptirler. Yaygın olarak kullanılan petrol esaslı mühendislik malzemelerinin performansını maç hatta aşmak yenilenebilir malzemeler yaratmanın bir çözüm geçmişten öğrenmek için; Henry Ford yenilenebilir polimerlerin özelliklerini geliştirmek için, örneğin, bir takviye 2 bio-based/renewable polimerler birleştirerek birleşik bir strateji kullanılmıştır. Genellikle, doğal lifler, düşük maliyet, düşük yoğunluk, renewabili takviye olarak ideal bir aday olarak hizmet ettiği iddia edilmektedirty ve biyobozunurluk 3. Doğal elyaf kompozit hakemli bilimsel yayınların sayısındaki üstel artış (Şekil 1) 4 tarafından görülebileceği gibi 1990 yılında bir rönesans gördük. Bununla birlikte, doğal elyaf ve en termoplastiklerin hidrofobik özelliklerinden dolayı hidrofilik doğası çoğu zaman elde edilen fiber takviyeli polimer kompozitlerin zayıf mekanik performans ile sonuçlanan zayıf fiber matris yapışma 5 sonuçlanması sorumlu edilir. Bu sorunu çözmek için, birçok araştırmacılar kimyasal doğal liflerin 6,7 yüzeylerini değiştirmek için çalıştı. Bu kimyasal modifikasyonlar asetilasyonunu 8, sililasyonu 9, 10, aşılama polimer, bir izosiyanat tedaviler 11,12, maleatlanmış bağlama maddeleri 13-17 kullanımını, ve benzoilasyon 18 içerir. Bu kimyasal işlemler arasında doğal lifler, daha hidrofobik hale gelmiş olsa da, elde edilen doğal elyaf-güçlendirmekd polimerler halen mekanik performans 19 açısından sunmak için başarısız oldu. Thomason 20 bu hata anisotropicity ve doğal liflerin genişlemesinin termik katsayısı yüksek doğrusal bir sonucu olabilir varsayıldı. Buna ek olarak, doğal lifler, aynı zamanda, sınırlı işlem sıcaklığının 21, partiden partiye değişkenlik 3, örneğin cam, aramid ya da karbon elyafları ve uygun üretim süreçlerinin eksikliği gibi sentetik elyaflar ile karşılaştırıldığında, düşük gerilme mukavemeti gibi birtakım mahsurlar Polimer kompozitler doğal elyaf üretmek. Bu durumda, takviye gibi doğal elyaflar kullanılarak yeşil bir malzeme ve petrol bazlı polimerler arasında daha önce zikredilen özellik-performans boşluğu kapatmak için yeterli olmayacaktır.
Nanocellulose bir çıkan yeşil takviye ajandır. Özellikle, bu tür nanocellulose bakteriyel SELÜLOZDEN olarak bilinen türler Acetobacter 22, ikinci gibi bakterilerin ürettiğie bağlı selüloz kristaller 24, yüksek sertlik ve mukavemet istismar olasılığına yeşil parçalar 23'ün tasarımı için ilgi çekici bir alternatif olarak hizmet eder. Tek bir kristalin selüloz sertliği X-ışını kırınımı, Raman spektroskopisi ve sayısal simülasyonları 25-27 kullanılarak yaklaşık olarak 100-160 GPa olarak tahmin edilmiştir. Bu cam lifleri, ancak daha yoğun olan ~ 70 GPa, daha yüksektir. Bakteriyel selüloz (BC), aynı zamanda doğal olarak, nano-boyutlu, yaklaşık 50 nm ve uzunluğu 28 birkaç mikrometrelik bir çap ile. Doğal elyaf 5,29,30 mevcudiyetinde Acetobacter xylinius kültürlenmesiyle BC tabakaları ile kat doğal (sisal ve kenevir) lifler için bir yöntem rapor etmiştir. Bu PLLA ve BC-kaplanmış, doğal liflerden 29,31 arasında daha iyi ara yüz yapışma yol açtı. Bu liflerin kaplama sürecini basitleştirmek amacıyla, Lee ve ark. 31. doğal (sisal) fibe kaplama bir yöntem geliştirdiBiyoreaktör kullanılmadan rs. Kuru lifler, sisal BC süspansiyona batırılır ve böylece bu yöntem, bulamaç, daldırma işlemi dayanır. Bu yöntemin 32'nin bir uzantısı, tipik kompozit yapıların imalatı için müsait sisal fiber preform üretilmesi için gevşek sisal elyafları ve BC ihtiva eden su süspansiyonu filtre etmektir.
Bakteriyel Selüloz-sisal Fiber Süspansiyon 1. Hazırlanması
Sisal elyaf ön-parçanın 2. Üretim
3.. BC-sisal Fiber Preform Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)
V kullanılarak 4. Bileşik Üretimacuum Destekli Reçine İnfüzyon (VARI)
Bir BC bağlayıcı olmadan, kısa, sisal elyafları, sadece gevşek lifler arasında sürtünme ve bir karışıma ile bir arada tutulur. Sonuç olarak,. Şekil 3, 3-noktalı bir bükme tarzı uygulanan bir yük ile, bağlayıcı madde olarak BC olmadan sisal elyaf ön-parçanın gösteren bu ön form gevşek ve çok ağırlığını mümkün değildi. Preform oldukça gevşek olduğu görülebilir ve bir yük polipropilen kap içine su eklenerek uygulandığında, preform ciddi saptırmak için başlar. Uygulanan yük 40 g su eşdeğerdir. 20 wt.% BC Bu kısa ve sisal gevşek lifler için bağlayıcı olarak kullanılmıştır, ancak, katı bir fiber ön kalıp üretilir. Bu preform önemli bir sapma (Şekil 3) olmadan tam polipropilen fincan yükü (~ 170 g) dayanabilir.
Tipik bir BC-sisal fiber ön formun Taramalı elektron mikrografları, Şekil 4 'de gösterilmiştir. BC yüzeyin kaplama için görülebilirsisal elyafları. Bu etki, sisal elyafları (ya da başka herhangi bir doğal elyaflar) hidrofilik doğasına bağlıdır. Sisal elyafların hidrofilik doğa ortam içinde dağılmış olan BC çizim, su emer. BC doğal liflerden gözeneklerinden daha büyük olduğu için, liflerin içine nüfuz etmek mümkün değildi. Bunun yerine, sisal liflerin yüzeyine karşı süzüldü ve lifler kurutuldu BC kaplamanın bir tabaka oluşturur edilmiştir.
Gerilim altında bu elyaf ön-mekanik performansı Tablo 1 de verilmiştir. Nedeniyle ~% 70 bir gözenekliliğe sahip elyaf ön-gözenekli doğası nedeniyle, ön-gerilme mukavemeti (birim alan başına yük) iyi tanımlanmamıştır. Bu yüzden, çekme kuvveti ve numunenin gerilme indeksi (birim başına gramaj çekme kuvveti) (malzemenin, bizim deney 15 mm olan birim genişlik başına numune başarısız için gereken yük) çizelgeye. 12.1 kN · m -1 bir çekme kuvveti ve gerilme indeksi 20 wt.% BC bağlayıcı olarak kullanıldığında ve 15 N · · m g -1 sırasıyla ölçülmüştür. Fiber preform gevşek Ancak, düzgün sisal elyaf ön-gerilme özellikleri ölçülebilir değildi.
Şekil Açıklamaları:
Doğal elyaf ve kompozit alanındaki yayınların Şekil 1.. Sayısı. Veriler sırasıyla 'doğal yalan *' VE 'kompozit *', bir anahtar kelime kullanarak arama Web of Knowledge toplanmıştır. American Scientific Publishing Ltd tür izni ile Bismarck ve ark. 4'ten elde edilen
files/ftp_upload/51432/51432fig2.jpg "/>
Şekil 2.. Çift torba vakum destekli reçine infüzyon şematik.
Şekil 3.. (Üst iki görüntü olmadan) ve bağlayıcı olarak (Alttaki iki resim) BC ile sisal elyaf ön sertliğini bükme farkı gösteren fotoğraflar.
.. Çeşitli büyütme de bağlayıcı olarak M.Ö. kullanarak tipik bir doğal elyaf preform Şekil 4 Taramalı elektron mikroskop Top: 100X, orta: 1.000 X ve alt: 25.000 X, sırasıyla. (A) ve (b) 'si belirtmektedirsal lif ve M.Ö. nanofibrils, sırasıyla.
Malzemeler | Çekme kuvveti (kN · m -1) | Çekme indeksi (N · m · g -1) |
Neat sisal preform | Ölçülemez | Ölçülemez |
BC-sisal preform | 12.1 ± 2.4 | 15 ± 3 |
Tablo 1.. Bağlayıcı olarak ve M.Ö. olmadan sisal elyaf ön gerilme özellikleri,.
Bu gevşek sisal elyafları BC ile bağlı olabilir, bu deneyde göstermiştir. Bununla birlikte, liflerin seçimi sadece sisal lifleri ile sınırlı değildir. Örneğin, keten ve kenevir gibi elyafların, diğer türleri de kullanılabilir. Buna ek olarak, biz de bu odun unu, geri dönüştürülmüş kağıt ve kağıt hamuru eriterek de (henüz yayınlanmadı sonuçları) BC bağlayıcı kullanılarak sert ve sağlam preform haline bağlı olabilir göstermiştir. Kriter kullanılan elyaflar hidrofilik olacak ve su absorbe gerektiğidir. Daha önce belirtildiği gibi, elyafların doğası hidrofilik ortam içinde dağılmış olan M.Ö. çekme, suyu absorbe edecektir. BC bu hidrofilik liflerin yüzeyine karşı süzüldü ve lifler kurutuldu BC bir kaplama tabakası oluşturur. Bakteri selüloz, doğal liflerden 5, 29, 30 mevcudiyetinde Acetobacter xylinus kültürlenerek doğal lifler etrafında tevdi edilebilir iken, bu işlem zahmetli ve yeniden birzı pH sıkı kontrol ve çözünmüş oksijen içeriği ile pahalı Biyoreaktörler. Bizim geliştirilmiş işlem, diğer taraftan, bir kağıt yapım metodu (örneğin: bir BC süspansiyon içinde doğal elyaflar dağıtıcı) dayanır ve biyoreaktörler 31 için herhangi bir gerek yoktur.
Rasgele dokunmamış (kısa ve rasgele yönelimli) doğal fiber ön gevşek sıkıştırılmış elyaf 33 boyunca polimer lifleri (tipik olarak bir polyester) (esas olarak dikiş) iğne ile üretilmektedir yönlendirilmiş bileşiklerde doğal lifler, uygulama ile ilgili olarak. Bir bileşik için, fiber ön kalıpları ardından bir kalıp içine yerleştirilir ve bir reçine ile aşılanmış. Polimerler elyaf, aynı zamanda (genelde keten, kenevir veya hint keneviri) ya da doğal bir fiber süspansiyon ve vakum içinde dağılmış yüksek polimer hacim fraksiyonu (50 hac.%), 35 numara, süzüldü doğal elyaflar 34 ile karıştırılabildikleri edilebilir. Bu polimer, fiber-fiber mat, doğal (ön kalıp), daha sonra, daha sonra p polimeri eritmek için ısıtılırkompozit yapı roduce. Kompozit üretilmesi için ikinci süreçler matrislerin türü mevcuttur, bu nedenle, preform yapmak ve kullanılabilir (polimer elyafların bozunma sıcaklığından daha düşük bir sıcaklıkta erimesi gereklidir) içsel ölçeklenebilir ama polimer liflerinin seçimi ile sınırlıdır kompozit yapmak. Bizim yöntemi kullanarak, BC, bir bağlayıcı olarak hareket etmez, aynı zamanda, bir nano-takviyeli 32 olarak işlev görür. Daha önce belirtildiği gibi, tek bir BC nano of Young modülü 114 GPa olarak tahmin edilmiştir. BC tek lif çekme mukavemeti bilinmemekle birlikte, tek TEMPO oksitlenmiş ahşap ve zarlı elyaflarının gerilme kuvvetinin, ultrasonik kaynaklı kavitasyon 36 kullanılarak ölçülmüştür. 0.8-1.5 GPa arasında bulunan bir gerilme kuvveti bu tek nanoliflerden ölçülmüştür. Bu mekanik özellikler, M.Ö. bağlama potansiyeli ile birlikte, gerçekten yeşil ve rastgele odaklı kısa natur üretmek için mükemmel bir aday M.Ö. yaptıgeleneksel fiber takviyeli polimer aşan mekanik performansa sahip al elyaf takviyeli, bakteri selüloz takviyeli kompozitler yenilenebilir.
Kompozit üretim açısından, bizim tercih edilen üretim işlemi (ayrıca Seemann işlemi 38 olarak da bilinir) bir veya daha fazlası tek torba vakum destekli reçine infüzyon, DBVI farklı Waldrop et al. 37 tarafından geliştirilen tartışılan iki torba vakum destekli reçine infüzyon (DBVI) 'dir demleme süreci (bkz. Şekil 2) boyunca iki bağımsız Vakum torbaları kullanılmaktadır. Seemann proses üretim kompozitler için çalışacak olsa da, bu süreç reçinenin akışı önünde arkasında vakum torbası rahatlama muzdarip olabilir. Bu durumda, gevşeme oluşur alan yumuşak ve süngerimsi hissedeceksiniz. Vakum torbası gevşeme vakum torbası nedeniyle en az direnç yolunda, sıvı reçinenin tercihli akışına uzak akış ortamından hareket neden olur. Tonun üretilen kompozit malzemeler düzgün olmayan fiber hacim fraksiyonları (yani rahat alan vakum torbasının olmayan rahat bir alanda daha düşük bir elyaf hacim oranı olacaktır) sahip olmasına neden olur. Iç vakum torbası sıvı reçine akış önünde arkasında rahatlatır asla DBVI, bu mahsuru yok. Bunun bir sonucu olarak, elde edilen kompozit paneller, ortalama fiber hacminde parçacık ve daha muntazam bir kalınlığa göre daha yüksek olacaktır. Ayrıca, dış vakum torbanın kullanımı sisteme bir artıklık sağlar ve sıvı infüzyon sürecinin vakum bütünlüğünü geliştirir.
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Yazarlar SRS ve çalışmaları (EP/J013390/1) finanse etmek için bir İzleme üzerinde Fonu için Kyl ve İngiltere Mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (EPSRC) desteklemek için Viyana Üniversitesi'ne teşekkür etmek istiyorum.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Bacterial cellulose | fzmb | 9004-34-6 | The CAS number is based on the CAS number for cellulose |
Sisal fibers | Wigglesworth Co. Ltd, UK | The type of fibers can be substituted with any type of natural fibers | |
Prime 20 ULV | SP Gurit | The type of resin can be substituted with any type of liquid resin designed for vacuum assisted resin infusion | |
Formax standard sheet mould | Adirondack Machine Corporation | This piece of equipment could be replaced with a Büchner funnel. | |
Vacuum pump | Edwards, UK | XDS 5 | |
Hot plate | Wenesco Inc, USA | HP 1836-AH | |
Porous PTFE coated glass release fabric | Tygavac Advaced Materials Ltd, UK | TFG075P | |
Omega tubes | Tygavac Advaced Materials Ltd, UK | Omegaflow 313 | |
Breather cloth | EasyComposites Ltd, UK | ||
Pressure sensitive tapes | Aerovac, UK | SM5127 | |
Vacuum bagging film (FEP) | Tygavac Advaced Materials Ltd, UK | RF260 | |
Vacuum bagging film (Nylon) | Aerovac, UK | Capran 519 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır