Name: fabrication and design of wood-based high-performance composites
Uploaded: 2019-11-09T14:00:00
Duration: 8 min 8 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites at JoVE.com

Forfatterne takker SILVAN Gantenbein for 3D-printning af porøse forme.

1. delignificering af træfinere
Bemærk: denne af-protokol er baseret på vores tidligere værker, udgivet af Frey et al. 20186 og segmehl et al. 201813.
<ol><li>Monter en prøveholder af rustfrit stål i en krystalliserende skål eller i et bægerglas, og Anbring en magnetisk Stir under prøveholderen. Stak træfiner på toppen af holderen og adskille dem med metal masker eller metalnet striber (figur 2A). Her bruger vi radial cut Spruce finer med en tykkelse på 1,5 mm. træarter og type (tangentielle, radial, roterende skåret finer) samt tykkelsen af finér kan varieres.</li>
	<li>Forbered en 1:1 volumen blanding af hydrogenperoxid (30 WT%) og glacial eddikesyre og hæld blandingen i krystalliserings skålen, indtil finerne er fuldt dækkede. Brug glas retter (f. eks. Petri skål) til at holde finerne i opløsningen. Soak prøverne i opløsningen ved stuetemperatur (RT) natten over under omrøring ved 150 rpm.</li>
	<li>Opløsningen opvarmes til 80 °C, og reaktionen udføres i 6 timer for fuld delignificering. Juster delignifikationstid afhængigt af prøve tykkelsen.</li>
	<li>Efter delignificering hældes delignifikationsvæske i et tomt bægerglas, og det afkøles inden bortskaffelse. Skyl forsigtigt de delignificerede finere flere gange med deioniseret vand. Fortsæt derefter med at vaske finerne uden at røre ved at fylde den krystalliserende skål (bæger) med deioniseret vand. Udskift vandet to gange om dagen, indtil der opnås en pH-værdi af vaskevandet på over 5 (figur 2B).</li>
	<li>Håndtér våde delignificerede træfinere med omhu, da cellulose stilladset er ret skrøbeligt. Brug et metalnet som støtte til transport og Drapering (figur 4).</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig2a.jpg"> Figur 2: Opsætning af Delignificering. A) krystalliserende skål med prøveholder af metalnet og træfinere stablet oven på prøveholderen. Metal mesh striber adskille de enkelte finere fra hinanden. B) delignficerede finere, som er dækket af vand under vaskeprocessen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
2. oplagring og produktion af cellulose præpreg
<ol><li>Overvej at forarbejde de våde delignificerede træprøver inden for 2-3 uger. Alternativt kan du bevare materialet til langtidsopbevaring i ethanol (EtOH) eller tørre arkene mellem metalmaskerne.</li>
	<li>Opbevar de tørre, flade cellulose plader ("cellulose prepregs") under 65% relativ luftfugtighed (RH). Rewet arkene i vand før yderligere formning og forarbejdning.</li>
</ol>3. denforgasning og dannelse af afsmeltet træ i lukkede forme
<ol><li>Brug lukkede forme fremstillet af et åbent porøst materiale (f. eks. keramiske forme, porøse 3D trykte polymer forme) for at muliggøre vand fjernelse og tilstrækkelig tørring. Pore størrelser bør være under 2 mm, især mod overfladen, for at opnå en glat overflade af den endelige sammensatte del.</li>
	<li>Tilstand den delignificerede træ i den ønskede RH. Til krumning radier i cm rækkevidde eller plane strukturer, bruge prøver, der er konditioneret ved 95% RH ved 20 °C. Til mindre krumning radier, drapere finer i vand mættet tilstand, pre-tørre draperet materiale i en åben skimmelsvamp på 95% RH, eller pre-tørre materialet i en ovn (65 °C) for 5-30 min (tiden afhænger af prøve tykkelsen). Krumning overvejelser er lavet i forhold til finer tykkelse (her 1,5 mm).</li>
	<li>Afsificere materialet i den lukkede skimmel enten ved hjælp af skrueklemmer eller i en presse. Juster trykket, hvis det er nødvendigt for at kompensere for svind. Tørreprocessen kan fremskynde ved at placere formen i en ovn ved 65 °C eller ved at øge temperaturen i pressen. Bemærk: et relativt lavt tryk i intervallet af et par MPa er tilstrækkeligt til at densificere vådt affuret træ. Den endelige tykkelse kan styres ved hjælp af afstandsstykker med den målrettede tykkelse mellem formen overflader snarere end ved at kontrollere trykket.</li>
	<li>Efter fuld tørring, demold den sammensatte del og genbruge formen til en ny løbetur.</li>
</ol>4. vakuumformning og afgasning af afsmeltet træ i åbne forme
<ol><li>Brug en porøs åben skimmelsvamp som beskrevet i 3,1. Alternativt kan du bruge ikke-porøse forme med et porøst lag (f. eks. mesh, tekstil, breather) på toppen af formen eller oven på det delignificerede træ for at muliggøre tørring (figur 3a).</li>
	<li>Brug et tekstil lag (f. eks. Peel-ply) for at beskytte formen mod kontaminering. Drape en vand mættet, delignificeret finer på toppen af tekstil (figur 3B) og dække det med et andet tekstil lag og flow mesh. Bemærk: for at opnå en glat overfladefinish anbefaler vi at bruge porøs lukket skimmel behandling. Til dette skal du udskifte strømnings masken med den porøse øverste del af formen. Men hvis overflade mønstret med fx en maske ønskes, er den åbne skimmel proces et godt alternativ.</li>
	<li>Placer formen oven på en rustfri stålplade, Påfør tætnings tape og vakuumslanger, og Pak formen (åben eller lukket) med en vakuum pose. Brug flow Mesh til at aktivere vandtilførslen til vakuumslangen. Alternativt, Placer yderligere mesh lag under formen for at forbedre tørreprocessen og for at undgå lokale vakuum tryk dråber, især for større dele (figur 3C).</li>
	<li>Påfør et vakuum til tørring og samtidig densifikation af komposit. Ved accelereret tørring placeres opsætningen i en ovn ved forhøjet temperatur (f. eks. 65 °C). Bemærk: Sørg for at bruge kolde fælder for at undgå, at vand trænger ind i vakuumpumpen. Her bruger vi en oliepumpe i et trykområde på 10-2 bar. Det er dog også muligt at anvende en membranpumpe, men det kan være nødvendigt at tage hensyn til trade-offs vedrørende densiverings grad.</li>
	<li>Efter tørring, demold den tørre komposit og genbruge skimmel og vakuum setup for en ny sammensat del (figur 3D).</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig3a.jpg"> Figur 3: skematisk illustration af den åbne skimmel proces. (A) porøs skimmel med mindre porer mod overfladen. (B) delignificeret træ draperet på toppen af den porøse skimmelsvamp (grå) og valgfri tekstil lag for skimmel beskyttelse (grøn). C) tekstil-, strømnings-og vakuum pose, som er anbragt oven på delignificeret træ. Trykket påføres gennem vakuum posen og fører til densifikation og tørring af materialet. D) Endelig sammensætning efter demolding. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
5. fremstilling af laminerede komposit dele
<ol><li>Fremstilling af tykke flerlags komposit dele ved oplægningsteknikker og vælg fiber orienterings vinklen for lagene (f. eks. [0 °], [0 °/90 °], [0 °/-45 °/90 °/+ 45 °]S) som i traditionel komposit produktion. Bemærk: antallet af lag kan vælges afhængigt af den målrettede tykkelse af den sidste del. Imidlertid afhænger vakuum tiden stærkt af størrelsen og tykkelsen af delen og spænder fra 2 h (enkelt lag, 1,5 mm tyk) op til 2 dage for en 8-lags del.</li>
	<li>Forøg limningen mellem delignificerede trælag ved at påføre klæbemiddel mellem lagene under Drapering processen. Brug et vandbaseret klæbemiddel (f. eks. stivelse), som muliggør kombineret tørring og hærdning af klæbemidlet. Bemærk: vi anvender 0,04 g/cm2 af en 16,5 WT% stivelsesopløsning mellem lagene. Andre vandbaserede lim kan dog anvendes alternativt.</li>
	<li>Demold den sammensatte del og maskine finish i hånden eller med standard træ værktøj (figur 6E, F).</li>
</ol>6. genbrug og genanvendelse af komposit dele
<ol><li>Placer delignified ikke-limet træ kompositter i vand, indtil den del genvinder formbarhed. Derefter skal du enten omforme materialet for at få et nyt produkt (Se Frey et al. 20197) eller reducere det til små stykker.</li>
	<li>Genbrug de små stykker af delignificeret træ til at skabe nye produkter inspireret af standard Pulp teknikker (f. eks Pulp støbning) og endelig lade materialet biologisk nedbryde efter slutningen af livet.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Joshi, S. V., Drzal, L. T., Mohanty, A. K., Arora, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Are+natural+fiber+composites+environmentally+superior+to+glass+fiber+reinforced+composites?.">Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites?.</a> Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 35 (3), 371-376 (2004).</li><li>Mohanty, A. K., Misra, M., Drzal, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sustainable+Bio-Composites+from+Renewable+Resources:+Opportunities+and+Challenges+in+the+Green+Materials+World.">Sustainable Bio-Composites from Renewable Resources: Opportunities and Challenges in the Green Materials World.</a> Journal of Polymers and the Environment. 10 (1), 19-26 (2002).</li><li>Mohanty, A. K., Vivekanandhan, S., Pin, J. M., Misra, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Composites+from+renewable+and+sustainable+resources:+Challenges+and+innovations.">Composites from renewable and sustainable resources: Challenges and innovations.</a> Science. 362 (6414), 536-542 (2018).</li><li>Pickering, K. L., Efendy, M. G. A., Le, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+recent+developments+in+natural+fibre+composites+and+their+mechanical+performance.">A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance.</a> Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 83, 98-112 (2016).</li><li>Woigk, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interface+properties+and+their+effect+on+the+mechanical+performance+of+flax+fibre+thermoplastic+composites.">Interface properties and their effect on the mechanical performance of flax fibre thermoplastic composites.</a> Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 122, 8-17 (2019).</li><li>Frey, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Delignified+and+Densified+Cellulose+Bulk+Materials+with+Excellent+Tensile+Properties+for+Sustainable+Engineering.">Delignified and Densified Cellulose Bulk Materials with Excellent Tensile Properties for Sustainable Engineering.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 10 (5), 5030-5037 (2018).</li><li>Frey, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+Wood+by+Reversible+Interlocking+and+Bioinspired+Mechanical+Gradients.">Tunable Wood by Reversible Interlocking and Bioinspired Mechanical Gradients.</a> Advanced Science. 6, 1802190 (2019).</li><li>Yano, H., Hirose, A., Collins, P., Yazaki, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+the+removal+of+matrix+substances+as+a+pretreatment+in+the+production+of+high+strength+resin+impregnated+wood+based+materials.">Effects of the removal of matrix substances as a pretreatment in the production of high strength resin impregnated wood based materials.</a> Journal of Materials Science Letters. 20 (12), 1125-1126 (2001).</li><li>Song, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Processing+bulk+natural+wood+into+a+high-performance+structural+material.">Processing bulk natural wood into a high-performance structural material.</a> Nature. 554 (7691), 224 (2018).</li><li>Shams, M. I., Yano, H., Endou, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compressive+deformation+of+wood+impregnated+with+low+molecular+weight+phenol+formaldehyde+(PF)+resin+I:+effects+of+pressing+pressure+and+pressure+holding.">Compressive deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin I: effects of pressing pressure and pressure holding.</a> Journal of Wood Science. 50 (4), 337-342 (2004).</li><li>Yano, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Potential+strength+for+resin-impregnated+compressed+wood.">Potential strength for resin-impregnated compressed wood.</a> Journal of Materials Science Letters. 20 (12), 1127-1129 (2001).</li><li>Keplinger, T., Wang, X., Burgert, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanofibrillated+cellulose+composites+and+wood+derived+scaffolds+for+functional+materials.">Nanofibrillated cellulose composites and wood derived scaffolds for functional materials.</a> Journal of Materials Chemistry A. 7 (7), 2981-2992 (2019).</li><li>Segmehl, J. S., Studer, V., Keplinger, T., Burgert, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+Wood+Derived+Hierarchical+Cellulose+Scaffolds+for+Multifunctional+Applications.">Characterization of Wood Derived Hierarchical Cellulose Scaffolds for Multifunctional Applications.</a> Materials. 11 (4), 517 (2018).</li><li>Maurer, H. W., Kearney, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Opportunities+and+challenges+for+starch+in+the+paper+industry.">Opportunities and challenges for starch in the paper industry.</a> Starch-St&#228;rke. 50 (9), 396-402 (1998).</li></ol>

Forfatterne har intet at afsløre.

Vi præsenterer alsidige fabrikationsteknikker for at opnå højtydende delignificerede træbaserede kompositter og foreslå mulige genbrugs-og genanvendelses strategier. Lukket-skimmel bearbejdning forudsætninger forkonditionering af materialet, da det ikke kan behandles i vand mættet tilstand. Ved hjælp af en lukket-skimmel proces, dog kunne være den metode til valg, især hvis fx er der ingen vakuum setup til rådighed, eller hvis en pæn (glat) overflade finish på begge sider ønskes.
Open-mold vakuum behandling af delignificeret træ giver mulighed for at kombinere formning, densificering og tørring af vandmættede prøver i en enkel og skalerbar tilgang. Teknikken er anvendelig til fremstilling af komplekse geometrier og tilbyder et skalerbar alternativ til lukkede skimmel processer. Vi har fremstillet kompositter ved at stable delignificerede træfinere ved hjælp af stivelse som klæbemiddel mellem lagene. Densificering ned til en fjerdedel af den oprindelige tykkelse resulterede i en endelig tykkelse på 2,5 mm af den 8-lags tykke komposit del. For at opnå en jævnere overfladefinish i vakuum processen kan brugen af en lukket porøs skimmel være et passende alternativ.
For begge forarbejdningsmetoder anbefaler vi, at man anvender et selvklæbende system i mellem de delignificerede trælag for at nedsætte risikoen for delaminering. For det givne eksempel vælger vi stivelse, da det er en velkendt biobaseret lim til papirmasse og papirprodukter, såsom papirposer, og er vandbaseret. Fremtidige værker vil fokusere på fabrikation af tykkere laminater til at løse de nuværende begrænsninger i form af tørring og fiber flow afvigelser.
I almindelighed, vakuum behandling af delignificeret træ har potentialet for en nem og hurtig produktion af storstilet densificeret cellulose fiberkompositter. Efter at have rettet materialets holdbarhed problem ved at anvende korrekt belægninger, vand-stabile klæbende systemer eller kemisk modifikation, kan mulige industrielle applikationer omfatte automotive komponenter såsom dørpaneler, gulve, og dashboards. Vores materiale kan erstatte metaller eller fiberforstærkede kompositter for at reducere vægten for bedre brændstofeffektivitet og for at forbedre genvindelighed.

Udviklingen af nye naturfiber (NF) baseret kompositter udstyret med overlegne mekaniske egenskaber repræsenterer en af de vigtigste opgaver i materialevidenskab, da de kan være bæredygtige alternativer til nuværende syntetiske systemer såsom glasfiber kompositter1,2,3. Udover traditionelle NF kompositter (hør, hamp, kenaf, osv.)4,5, erdenforgasning af træ efter delvis eller fuldstændig fjernelse af matrixkomponenter modtaget stigende opmærksomhed i de seneste år6,7,8,9,10,11. Den top-down fabrikation rute, baseret på delignificering af bulk træ efterfulgt af densifikation, er begrebsmæssigt i modstrid med temmelig komplekse bottom-up processer for pulp og gylle baserede produkter12. I Pulp og gylle baserede produkter, den gavnlige træ fiber justering er ikke bevaret som fibre er adskilt i processen. I modsætning hertil, struktur-bevarer delignificeret træ, som er opnået i en top-down proces, overfører den sofistikerede arkitektur med justerede cellulosefibre i det nye materiale. For at opnå densificering af aflæsningstræ uden fiber justerings forvridninger skal der udvikles nye forarbejdnings veje.
Direkte forgasning af vandmættede, delignificerede træprøver fører til en begrænset densiverings grad, revner, og fiber justering forvridninger på grund af den våde-prøve-iboende frit vand, der skaber et modtryk under denforgasning. Nuværende løsninger til at undgå strukturel integritet tab ved densificering omfatter udnyttelse af delvis aflæssede træ efterfulgt af høj temperatur densificering9 eller fortørring af delignificeret træ forudgående dengasning6. Begge metoder forbedrer forbindelsen mellem tilstødende celler, enten på grund af den resterende lignin, der fungerer som lim eller fri vand fjernelse mellem celler.
I begge tilfælde, nedsat formbarhed opstår, som begrænser design applikationer; den påkrævede forkonditionering af prøven fører også til længere behandlingstider. Derfor er en hurtig og skalerbar proces, der kombinerer formning og forgasning i et enkelt trin, nødvendig.
I denne forbindelse præsenterer vi her åben/lukket-skimmel densiverings-og vakuum behandling af delignificeret træ som metoder til at kombinere formning, densificering og tørring i en enkel og skalerbar tilgang. Figur 1 viser delignificerede, træ-komposit dele, som blev fremstillet ved hjælp af de teknikker, der er beskrevet i dette arbejde.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig1a.jpg"> Figur 1: eksempler på delignificerede trækomposit dele. (A) dørpanel, (B) Sidespejl, (C) dørhåndtag af en bil, (D) ortose, (E) cut åben hjelm, og (F) omdrejningstæller dæksel af en bil. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Acetic acid</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>20104.312</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breather</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>923.015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flow mesh/bleeder</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>180.007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gypsum</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>115.3002</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide, 30%</td>
			<td>VWR Chemicals</td>
			<td>23622.298</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oven</td>
			<td>Binder GmbH</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Press</td>
			<td>Imex Technik AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Seal tape</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>31344</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel mesh</td>
			<td>Drawag AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Starch</td>
			<td>Agrana Beteilungs AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Textile, peel ply</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>222.001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum bag</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>215.15</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum bag, elastic</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>390.1761</td>
			<td>elastic vacuum bag for complex shapes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum pump</td>
			<td>Vacuumbrand</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum tubing</td>
			<td>Suter Kunststoffe AG</td>
			<td>77008.001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wood veneers</td>
			<td>Bollinger AG</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and design of wood-based high-performance composites

Delignificeret densificeret træ er et nyt lovende og bæredygtigt materiale, der besidder potentialet til at erstatte syntetiske materialer, såsom Glasfiberforstærkede kompositter, på grund af dens fremragende mekaniske egenskaber. Delignificeret træ, dog, er temmelig skrøbelig i en våd tilstand, hvilket gør håndtering og forme udfordrende. Her præsenterer vi to fabrikationsprocesser, lukket-skimmel densificering og vakuum dengasning, at producere højtydende cellulose kompositter baseret på delignificeret træ, herunder en vurdering af deres fordele og begrænsninger. Derudover foreslår vi strategier for, hvordan kompositterne kan genbruges eller nedbrydes i slutningen af livscyklussen. Lukket-skimmel densificering har den fordel, at ingen udførlige lab udstyr er nødvendig. Simple skrueklemmer eller en presse kan bruges til densificering. Vi anbefaler denne metode til små dele med enkle geometrier og store krumningsradier. Vakuum densificering i en åben skimmel proces er velegnet til større objekter og komplekse geometrier, herunder små radier af krumning. Sammenlignet med den lukkede skimmel proces, den åbne skimmel vakuum tilgang behøver kun fremstilling af en enkelt skimmel hulrum.

Delignificering og håndtering af træfinere.
Total delignifikation fører til en masse reduktion på ca. 40% og en volumen reduktion på ca. 20% efter tørring ved 65% RH6. Udover lignin, en brøkdel af hemicellutaber bliver fjernet også. Fjernelse af disse komponenter resulterer i et skrøbeligt cellulosemateriale (Se figur 4). Ved hjælp af metal masker som understøtter letter håndtering og Drapering.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig4a.jpg"> Figur 4: håndtering af delignificeret træ i våd tilstand. A) skrøbeligt, aflægeret træ i våd tilstand. (B) håndtering af materialet lettes ved hjælp af et metalnet til transport eller (C) til Drapering af materialet til en skimmel. (D) delignificeret træ draperet på toppen af en porøs 3D-trykt skimmel. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Afgasning og dannelse af afsmeltet træ i lukkede forme.
Forgasning af vand mættet afblødt træ (figur 5A-C) er krævende, da frit vand i stilladset skaber et modtryk ved forgasning og gør det muligt for materialet at flyde under forarbejdningen. Dette forårsager fiber afvigelser og revner i det endelige materiale (figur 5B, C). En mulighed for at omgå disse begrænsninger er at bruge fugtig forkonditioneret (95% RH og 20 °C), delignificeret træ. I denne tilstand, delignificeret træ er stadig rimeligt formbar og dens densificering ikke fører til fiber justering forvridninger og defekter.
Forkonditioneret materiale er imidlertid mere stift i forhold til den vandmættede tilstand, hvilket gør det vanskeligt at opnå små krumningsradier uden materiel skade. For små krumning radier, våd Drapering efterfulgt af konditionering i en allerede formet tilstand forudgående denforgasning kan anvendes. Men konditionering er temmelig tidskrævende og derfor ikke anbefales til storstilet applikationer.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig5a.jpg"> Figur 5: lukket-skimmel densificering af delignificeret træ i våd og fugtig tilstand. A) denforgasning af det vandmættede cellulosemateriale fører til (B, C) revner og fiber forskydning. (D-F) Densificering af fugtigt materiale, konditioneret på 95% RH resulterer i en bedre bevarelse af fiber justering og mindre defekter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Vakuumformning og forgasning af en lamineret del i en åben støbeform.
Eksemplarisk for vakuumformning fremstillede vi en hjelm i en selv lavet skimmel ved hjælp af en åben skimmel proces (figur 6a, B). Som Lay-up, draperet vi 2 lag af sekskantede flager til overflade teksturering efterfulgt af 4 lag af delignificeret træfiner i en [0 °/90 °] Lay-up (figur 6C). Fnug giver et attraktivt overflade design, mens de unidimensionale (UD) lag tilføje styrke og stivhed til komposit. Vi anvendte 16,5 WT% stivelse som klæbemiddel mellem lagene for at forhindre delaminering14.
Vakuum densificering (figur 6D) fører til fuld tørring af delen inden for 48 h og densificering ned til en tykkelse på 3 mm (1/3Rd af den oprindelige tykkelse). Efter vakuum behandlingen er den sammensatte del demolded (figur 6E), og kanterne beskæres med en fræser (figur 6F).
Den maksimale layup tykkelse, der kunne være densificeret og fuldt tørret med den åbne Molding tilgang var en 8-lags layup (8 x 1,5 mm finer) med en ende tykkelse på denne del af 2,5 mm, hvilket svarer til en forgasning ned til ca. en fjerdedel af den oprindelige tykkelse af tørt delignificeret træ, under hensyntagen til lag svind ved delignificering og tørring. For at opnå sådanne høje densiverings grader er der behov for et lavt vakuum i intervallet 10-2 bar.
Delignificerede træ kompositter, der er densificeret til omkring en fjerdedel af deres oprindelige tykkelse typisk opnå elastiske moduli værdier omkring 25 GPa og styrke værdier i intervallet 150-180 MPa, som vist i vores tidligere arbejde (tabel 1)7.

<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/60327/60327table1.jpg">
Tabel 1: litteraturværdier for træk-elastisk modulus og trækstyrke af densificerede, delignificerede træ. Vakuum behandlingen resulterer i en dengasning ned til 1/4th af den oprindelige tykkelse, hvilket svarer til en FVC på 66%.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig6a.jpg"> Figur 6: fremstilling af en hjelm ved åben skimmel bearbejdning. (A, B) Støbning af den oprindelige hjelm ved hjælp af en skimmel. C) Drapering af to yderste lag med sekskantede flager efterfulgt af Drapering af de inderste 4 lag i en [0/90] layup. D) densifikation og tørring af delen ved vakuum. (E) demolding af den tørre del og (F) færdig med en fræser. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig6large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Anvendelse af flow masker resulterer typisk i et mesh-aftryk i prøven. Dette kan enten betragtes som en proces-iboende design strategi eller kan forebygges ved at placere en ekstra tykkere tekstil lag mellem delignificeret træ og flow mesh.
Alternativt kan lukkede forme kombineret med vakuum behandling som beskrevet i protokol trin 4,2 anvendes. Regelmæssig mønster kan opnås ved at placere små stykker af delignified finner i en defineret rækkefølge, som vist før for vores eksempel med sekskant mønster på hjelmen.
Problemer, der kan opstå under vakuum behandling omfatter warpages i den sammensatte del, som er forårsaget af ufuldstændig tørring og forekomsten af revner (figur 7). Revner primært resultere i delignificeret træ, der blev opbevaret i EtOH forudgående komposit fabrikation. Derfor, efter EtOH opbevaring, anbefaler vi omhyggeligt at suge delignificeret træ i vand før videre forarbejdning. Desuden omhyggelig Drapering efterfulgt af let dengasning i hånden for at fjerne nogle gratis vand reducerer risikoen for revner.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig7a.jpg"> Figur 7: mulige problemer i forbindelse med fabrikation af komplekse geometrier. (A) tilbagevisning og (B) sidevisning af den fremstillede hjelm. (C, D) Små revner på grund af svind af materialet under forarbejdningen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig7large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
Genanvendelse eller nedbrydning af sammensatte dele.
Vores cellulose-stivelse komposit er alle bio-baserede og kan opløses i vand. På den ene side er materialets hydrophilicity en ulempe, da det fører til reduceret mekanisk ydeevne, når de er i kontakt med vand. En simpel metode til at beskytte komposit fra flydende vand omfatter hydrofobe belægninger, som vi har vist i Frey et al. 20197. På den anden side, en hydrofile opførsel af materialet kan også være gavnlig, når det kommer til slutningen af livet brug og genanvendelse aspekter. Prøven kan simpelthen opløses i vand til mindre stykker, og fibrøs gylle kan yderligere anvendes til fremstilling af nye fiberbaserede produkter som vist i figur 8. Desuden er fibermaterialet fuldt biologisk nedbrydeligt, som vist i figur 9.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig8a.jpg"> Figur 8: genbrug af delignificerede træfibre. (A-C) Reduktion af delignificerede træfinere i små stykker ved at sprede materialet i vand. (D-F) Genbrug af fiber gylle til fremstilling af foring af en hjelm. (D) istandsættelse af en silikone skimmel med fiber gylle. (E) den sidste foring af hjelmen. (F) foring lavet af opløst delignificeret træ inde i den hårde skal af hjelmen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig8large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig9a.jpg"> Figur 9: nedbrydning af delignificerede træfibre. A) Petri skål fyldt med jord. B) anbringelse af fiber opslæmningen oven på jorden og (C) påfyldning af den med vand. D) biologisk nedbrydning efter en dag, (E) efter otte dage, og (F) efter 26 dage. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig9large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites at JoVE.com

Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Delignified densificeret træ repræsenterer en ny lovende letvægts, højtydende og biobaserede materiale med stort potentiale til delvist at erstatte naturfiber forstærket-eller glasfiber forstærkede kompositter i fremtiden. Her præsenterer vi to alsidige fabrikations ruter og demonstrerer muligheden for at skabe komplekse komposit dele.

Fabrikation og design af træbaserede højtydende kompositter

Delignified densified wood is a new promising and sustainable material that possesses the potential to replace synthetic materials, such as glass fiber ...

I denne video viser vi fremstillingen af fortætnet, nedgjort træ, som repræsenterer et nyt letvægts, højtydende og biobaseret materiale. Den præsenterede, lukkede skimmel fortætning og den særlige vakuumbehandling kombinerer formning, fortætning og tørring i en enkel og skalerbar tilgang. Densified, cellulose materiale kunne være et attraktivt alternativ til andre plantefibre eller glasfiber kompositter, og kan potentielt finde anvendelse i bilindustrien.Til at begynde, montere en rustfri stål prøve holder i en krystalliserende fad og placere en magnetisk, rør bar under prøven indehaveren. Stak et punkt fem millimeter tyk, radiale snit gran finér på toppen af holderen, og adskille dem ved metal masker eller metal mesh striber. Forbered en en til et volumen blanding af 30 vægt procent hydrogenperoxid og iskold eddikesyre, og hæld blandingen i krystalliserende fad, indtil finér er fuldt dækket.Prøverne sættes i blød ved stuetemperatur natten over under omrøring ved 150 omdr./min. Om morgenen opvarmes opløsningen til 80 grader celsius på rørepladen, og reaktionen køres i seks timer for fuld delignification. Juster delignification tid afhængigt af prøven tykkelse.Efter delignification hældes delignification opløsningen i et tomt bægerglas og lad det køle ned før bortskaffelse. Skyl forsigtigt de afgrænsede finér flere gange med deioniseret vand. Derefter fylde krystalliserende fad med deioniseret vand til at fortsætte med at vaske finér uden omrøring.Udskift vandet to gange om dagen, indtil vaskevandet når en pH-3 over fem. Bearbejde de våde, nedskænkede finér inden for to til tre uger, eller alternativt tørre pladerne mellem metalmasker til opbevaring. Brug forme lavet af et åbent, porøst materiale.For eksempel keramiske forme eller porøse, 3D-printede polymer forme at gøre det muligt vand fjernelse og tilstrækkelig tørring. For krumning radier i centimeter rækkevidde, eller plan strukturer, skal du bruge prøver, der er konditioneret ved 95 procent relativ luftfugtighed, ved 20 grader celsius. For mindre krumningsradier forkæd fineren i vandmættet tilstand.Fortør det draperet materiale i en åben form ved 95 procent relativ luftfugtighed, eller fortørre materialet i en ovn ved 65 grader celsius i fem til 30 minutter for at fjerne det frie vand. Densificere fineren i den lukkede form ved hjælp af skrueklemmer. Fremskynde tørringsprocessen ved at placere formen i en ovn ved 65 grader celsius.Efter fuld tørring, de-mold den sammensatte del og genbruge formen til et nyt løb. Brug en porøs, åben form eller en ikke-porøs skimmel med en porøs lag på toppen af formen eller på toppen af den delignified træ, for at muliggøre tørring. Påfør et tekstillag for at beskytte formen mod forurening.Derefter drapere en vand-mættet delignified finer på toppen af tekstilet, og dække det med et andet tekstillag og et flow mesh. Placer formen på toppen af en rustfri stålplade, anvende forsegling tape og vakuum slanger, og wrap formen med en vakuum pose. Det porøse lag muliggør vandgennemstrømningen til vakuumslangen.Påfør et vakuum til tørring og samtidig fortætning af kompositten. For accelereret tørring, placere sat op i en ovn ved forhøjet temperatur ved 65 grader celsius. Brug kolde fælder for at undgå vand ind i vakuumpumpen.Tænd for vakuum og holde oliepumpen i et trykområde på ti til minus to millibar. Efter tørring, de-mold den tørre komposit og genbruge formen og vakuum oprettet for en ny sammensat del. Vælg fiber orientering vinkel af lagene som i traditionel sammensat fremstilling, og fremstilling tykke, multi-lag komposit dele ved at lægge op teknikker.Øge limningen mellem delignerede trælag ved at anvende en vandbaseret lim, for eksempel 16 punkt 5 vægt procent stivelse løsning mellem lagene under drapering proces. Efter densificering og tørring, de-mold den sammensatte del og maskine finish i hånden eller med standard træ værktøj. At genbruge, placere de delignerede træ kompositter i vand og lad materialet smuldre.Derefter re-forme papirmasse materiale for at få et nyt produkt. Fuldstændig afgrænsning resulterede i et skrøbeligt, forstændeligt cellulosemateriale, når det var i våd tilstand. Lukket skimmel fortætning af vandmættet afgrænset træ forårsagede fiberafvigelser og revner i det endelige materiale på grund af frit vand i stilladset.Med fugtigt, forbetinget nedgjort træ blev rimelig form opretholdt, og dens fortætning førte ikke til fiberjusteringsforvrængninger og defekter. Den åbne skimmel proces blev brugt til at fremstille en hjelm ved at placere vand-mættet afgrænset træ finér i en gips skimmel. Drapering af to ydre lag med sekskant flager blev efterfulgt af drapering de indre fire lag i et nul over 90 lå op.Efter fortætning og tørring af delen ved vakuum, blev den tørre del afstøbt og færdig med en fræser. Mulige problemer under vakuumbehandling omfatter forekomsten af små revner, som er forårsaget af svind eller ufuldstændig tørring. Cellulose stivelse komposit er alle bio-baseret, som giver mulighed for opløsning i vand.Efter opløsning blev den fibrøse gylle brugt til produktion af nye fiberbaserede produkter. Nedbrydning af de delignified træfibre blev opnået ved at placere dem i en petriskål fyldt med jord og vand. Forskellige bionedbrydningsgrader blev vist efter en dag, otte dage og 26 dage.Den vigtigste faktor for en vellykket nedtrenset træ fortætning er at sikre den passende fugtighed tilstand af cellulose materiale, der er skræddersyet til den anvendte fortætning teknik. Til komplekse former, storstilet produktion anbefaler vi at bruge vores nyudviklede vakuumformningsteknik, der giver mulighed for samtidig fortætning og tørring. Afgrænset træ er et alsidigt materiale.Ud over sin potentielle anvendelse som en højtydende materiale, det yderligere giver attraktive og forskelligartede design muligheder.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Mechanical Engineering

Engineering

Unit 1

Columns

SCIENTISTS IN ACTION

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

Design, fremstilling, and Experimental karakterisering af plasmoniske Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

Research and Development of High-performance Explosives

Forskning og udvikling af højtydende Sprængstoffer

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

Ultrasonic Welding of Thermoplastic Composite Coupons for Mechanical Characterization of Welded Joints through Single Lap Shear Testing

Ultrasonic Svejsning af Termoplastisk Composite Kuponer for Mekanisk karakterisering af svejste samlinger gennem Single Lap Shear Test

This paper presents a novel straightforward method for ultrasonic welding of thermoplastic-composite coupons in optimum processing conditions. The ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

sondering C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si Underlag Brug Scanning Probe Microscopy og Molecular Dynamics

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

En High Performance Impedans-baserede Platform for Fordampningshastighed Detection

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Nanostructured Ag-zeolite Composites as Luminescence-based Humidity Sensors

Nanostrukturerede Ag-zeolit ​​Composites som Luminescens-baserede Luftfugtighed sensorer

Small silver clusters confined inside zeolite matrices have recently emerged as a novel type of highly luminescent materials. Their emission has high ...

Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh

Scalable Solution-Processed Fabrication Strategi for High Performance, Fleksibel, Transparent Elektroder med Embedded Metal Mesh

Here, the authors report the embedded metal-mesh transparent electrode (EMTE), a new transparent electrode (TE) with a metal mesh completely embedded in a ...

Detecting the Water-soluble Chloride Distribution of Cement Paste in a High-precision Way

Påvisning af vandopløselige klorid Distribution af Cement pasta i en høj præcision måde

To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...

Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices

Flow-assisteret dielektroforesis: En billig metode til fremstilling af højtydende løsning-bearbejdes Nanotråd enheder

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of ...

Design and Fabrication of an Optical Fiber Made of Water

Design og fabrikation af en optisk Fiber gjorde vand

In this report, an optical fiber of which the core is made solely of water, while the cladding is air, is designed and manufactured. In contrast with ...