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 utskrift av porøse muggsopp.

1. Delignification av tre finer
Merk: denne delignification protokollen er basert på våre tidligere verker, utgitt av Frey et al. 20186 og Segmehl et al. 201813.
<ol><li>Monter en prøve holder i rustfritt stål i en krystaliserende rett eller i et beger, og Plasser en magnetisk rør linje under prøve holderen. Stable tre finer oppå holderen og Skill dem fra metall maskene eller striper i metall mesh (figur 2A). Her bruker vi radial kuttet Gran finer med en tykkelse på 1,5 mm. treslag og type (tangential, radial, roterende snitt finer) samt tykkelsen på finer kan varieres.</li>
	<li>Klargjøre en 1:1 volum blanding av Hydrogenperoksid (30 WT%) og isbre eddiksyre og Hell blandingen i krystaliserende parabolen til finér er fullt dekket. Bruk glass retter (f. eks Petri parabol) for å holde finer i løsningen. Sug prøver i løsningen ved romtemperatur (RT) over natten under omrøring ved 150 RPM.</li>
	<li>Varm opp oppløsningen til 80 ° c og Kjør reaksjonen i 6 timer for full delignification. Juster delignification tiden avhengig av prøve tykkelsen.</li>
	<li>Etter delignification, hell delignification oppløsningen i et tomt beger og la det avkjøles før avhending. Skyll delignified finer forsiktig flere ganger med deionisert vann. Deretter fortsetter du å vaske finer uten omrøring ved å fylle krystaliserende parabolen (beger) med deionisert vann. Bytt ut vannet to ganger om dagen til en pH-verdi av vaskevannet på over 5 er nådd (figur 2B).</li>
	<li>Håndter våte delignified med forsiktighet, siden cellulose stillaset er ganske skjøre. Bruk et metallnett som støtte for transport og drapering (Figur 4).</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig2a.jpg"> Figur 2: Delignification oppsett. (A) krystaliserende parabol med metall mesh prøve holderen og tre finer stablet på toppen av prøven holderen. Metal mesh striper skille individuelle finér fra hverandre. (B) Delignfied finer dekket av vann under vaskeprosessen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig2large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
2. lagring og "cellulose prepreg" produksjon
<ol><li>Vurder å behandle de våte delignified tre prøvene innen 2-3 uker. Alternativt, bevare materialet for lang-frist lagringen inne etanol (EtOH) eller tørr arkene imellom metallisk maskene.</li>
	<li>Oppbevar det tørre, flate cellulose arket ("cellulose prepregs") under 65% relativ fuktighet (RH). Rewet arkene i vann før videre forming og bearbeiding.</li>
</ol>3. tetthet og forming av delignified tre i lukkede muggsopp
<ol><li>Bruk lukkede muggsopp laget av en åpen-porøs materiale (f. eks keramiske muggsopp, porøs 3D trykt polymer muggsopp) for å aktivere vann fjerning og tilstrekkelig tørking. Pore størrelser bør være under 2 mm, spesielt mot overflaten, for å få en glatt overflate av den endelige sammensatte delen.</li>
	<li>Tilstand delignified veden ved ønsket RH. For krumning radier i cm rekkevidde eller Plane strukturer, bruk prøver som er betinget av 95% RH ved 20 ° c. For mindre krumning radier, drapert finér i vann-mettet tilstand, pre-tørr drapert materiale i en åpen mold på 95% RH, eller pre-tørke materialet i en ovn (65 ° c) for 5-30 min (tiden er avhengig av prøven tykkelse). Krumning betraktninger er laget i forhold til finér tykkelse (her 1,5 mm).</li>
	<li>Fortette materialet i lukket mold enten ved hjelp av skruen klemmer eller i en presse. Juster trykket på igjen hvis det er nødvendig for å kompensere for svinn. Tørkeprosessen kan være raskere ved å plassere mold i en ovn ved 65 ° c eller ved å øke temperaturen på pressen. Merk: et relativt lavt trykk i rekkevidden til noen få MPa er tilstrekkelig til å fortette vått delignified tre. Den endelige tykkelsen kan styres ved hjelp av avstandsstykker med målrettet tykkelse mellom mold overflater i stedet for å kontrollere trykket.</li>
	<li>Etter full tørking, demold den sammensatte delen og gjenbruk mold for en ny løpe.</li>
</ol>4. vakuum forming og tetthet av delignified tre i åpne former
<ol><li>Bruk en porøs åpen mold som beskrevet i 3,1. Alternativt kan du bruke ikke-porøse former med en porøs lag (f. eks mesh, tekstil, pust) på toppen av mold eller på toppen av delignified tre for å muliggjøre tørking (Figur 3a).</li>
	<li>Bruk et tekstil lag (f. eks Peel-Ply) for å beskytte mugg mot forurensning. Så en vann-mettet delignified finer på toppen av tekstil (Figur 3B) og dekk den med et ekstra tekstil lag og Flow mesh. Merk: for å oppnå en jevn overflate finish anbefaler vi bruk av porøs lukket mold-prosessering. For dette, erstatte Flow mesh med den porøse øverste delen av mold. Men hvis overflate mønsteret med f. eks et nett er ønskelig, er åpen mold-prosessen et godt alternativ.</li>
	<li>Plasser mold på toppen av en rustfri stålplate, gjelder tetningsbånd og vakuumrør, og vikle mold (åpen eller lukket) med en vakuum pose. Bruk Flow mesh for å muliggjøre vannstrømmen til vakuum slangen. Alternativt kan du plassere ekstra mesh lag under mold å forbedre tørkeprosessen og for å unngå lokale vakuumtrykk dråper, spesielt for større deler (Figur 3C).</li>
	<li>Påfør et vakuum for tørking og samtidig tetthet av kompositt. For akselerert tørking plasserer du oppsettet i en ovn ved forhøyet temperatur (f.eks. 65 ° c). Merk: Sørg for å bruke kalde feller for å unngå at vann kommer inn i vakuumpumpen. Vi her bruker en olje pumpe i et trykkområde på 10-2 bar. Det er imidlertid også mulig å bruke en membran pumpe, men Trade-offs om tetthet grad må tas i betraktning.</li>
	<li>Etter tørking demold den tørre kompositt og gjenbruk av mold og vakuum oppsett for en ny sammensatt del (figur 3D).</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig3a.jpg"> Figur 3: skjematisk illustrasjon av åpen mold prosessen. (A) porøs mold med mindre porer mot overflaten. (B) Delignified tre drapert på toppen av den porøse mold (grå) og valgfritt tekstil lag for mold beskyttelse (grønn). (C) tekstil, Flow mesh og vakuum bag plassert på toppen av delignified tre. Trykket påføres gjennom vakuum posen og fører til tetthet og tørking av materialet. (D) endelig sammensatt etter demolding. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig3large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
5. fremstilling av laminert kompositt deler
<ol><li>Fremstille tykke flerlags sammensatte deler av lay-up teknikker og velge fiber orientering vinkelen på lagene (f. eks [0 °], [0 °/90 °], [0 °/-45 °/90 °/+ 45 °]S) som i tradisjonell kompositt produksjon. Merk: antall lag kan velges avhengig av den målrettede tykkelsen av den endelige delen. Imidlertid avhenger vakuum tiden sterkt på størrelsen og tykkelsen av delen og spenner fra 2 h (enkelt lag, 1,5 mm tykk) opp til 2 dager for en 8-lags del.</li>
	<li>Øk bindingen mellom delignified tre lag ved å påføre klebemiddel mellom lagene under drapering prosessen. Bruk en vannbasert lim (f. eks stivelse) som tillater kombinert tørking og herding av limet. Merk: vi bruker 0,04 g/cm2 av en 16,5 vekt% stivelse løsning mellom lagene. Imidlertid kan andre vannbasert lim brukes alternativt.</li>
	<li>Demold den sammensatte delen og maskinen ferdig for hånd eller med standard tre verktøy (figur 6E, F).</li>
</ol>6. gjenbruk og resirkulering av sammensatte deler
<ol><li>Plasser delignified ikke-limt tre kompositter i vann til delen gjenvinner formbarhet. Deretter kan du enten omforme materialet for å få et nytt produkt (se Frey et al. 20197) eller redusere det til små biter.</li>
	<li>Gjenbruk de små bitene av delignified tre for å skape nye produkter inspirert av standard cellulose teknikker (f. eks cellulose støping) og til slutt la materialet brytes etter slutten av 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 ingenting å avsløre.

Vi presenterer allsidige fabrikasjon teknikker for å oppnå høy ytelse delignified tre-baserte kompositter og foreslår mulig gjenbruk og resirkulering strategier. Lukket-mold behandling forutsetninger pre-condition av materialet, som det ikke kan behandles i vann-mettet tilstand. Utnytte en lukket mold prosess, men kan være metoden for valg spesielt hvis f. eks det er ingen vakuum oppsett tilgjengelig eller hvis en fin (glatt) overflate finish på begge sider er ønsket.
Åpen-mold vakuum behandling av delignified tre gjør det mulig å kombinere forming, tetthet og tørking av vann-mettede prøver i en enkel og skalerbar tilnærming. Teknikken er anvendelig for produksjon av innviklet geometri og tilbyder en Scalable alternativ for stengt-mold prosesser. Vi har produsert kompositter ved stabling delignified tre finer bruker stivelse som lim mellom lagene. Tetthet ned til en fjerdedel av den opprinnelige tykkelsen resulterte i en endelig tykkelse på 2,5 mm av 8-lags tykk kompositt del. For å oppnå en jevnere overflate finish i vakuum prosessen, kan bruken av en lukket porøs mold være et passende alternativ.
For begge behandlingsmetoder, anbefaler vi bruk av et selvklebende system mellom delignified tre lag for å redusere risikoen for delaminering. For det gitte eksempelet velger vi stivelse, som det er en velkjent bio-baserte lim for papirmasse og papir produkter, for eksempel papirposer, og er vannbasert. Fremtidige arbeider vil fokusere på fabrikasjon av tykkere laminat for å løse gjeldende begrensninger når det gjelder tørking og fiber strømnings avvik.
Generelt, vakuum behandling av delignified tre har potensial for en enkel og rask produksjon av stor skala fortettet cellulose fiber kompositter. Etter å ta opp materialets holdbarhet problemet ved å bruke riktig belegg, vann-stabile lim systemer eller kjemisk modifisering, mulige industrielle anvendelser kan inkludere bilindustrien komponenter som dørpaneler, gulv og oversikter. Vårt materiale kan erstatte metaller eller fiber forsterket kompositter for å redusere vekten for bedre drivstoffeffektivitet og for å forbedre gjenvinnbarhet.

Utviklingen av romanen Natural fiber (NF) basert kompositter utstyrt med overlegne mekaniske egenskaper representerer en av de viktigste oppgavene i materialvitenskap, som de kan være bærekraftige alternativer for dagens syntetiske systemer som glassfiber kompositter1,2,3. Foruten tradisjonelle NF kompositter (Lin, hamp, kenaf, etc)4,5, den tetthet av tre etter delvis eller fullstendig fjerning av Matrix komponenter har fått økende oppmerksomhet de siste årene6,7,8,9,10,11. Top-Down fabrikasjon rute, basert på delignification av bulk tre fulgt av tetthet, er konseptuelt i strid med ganske komplekse bottom-up prosesser for cellulose-og slurry baserte produkter12. I cellulose-og slurry baserte produkter, er den gunstige tre fiber justeringen ikke beholdes som fibre er separert i prosessen. I kontrast, struktur-beholde delignified tre, som er oppnådd i en ovenfra og ned prosess, overfører den sofistikerte arkitekturen med justert cellulose fibre i det nye materialet. For å oppnå tetthet av delignified tre uten fiber justering forvrengninger, må nye behandlings ruter utvikles.
Direkte tetthet av vann-mettet delignified tre prøver fører til en begrenset tetthet grad, sprekker, og fiber justering forvrengninger på grunn av våt-sample-iboende fritt vann som skaper et mot trykk under tetthet. Nåværende løsninger for å unngå strukturelle integritet tap ved tetthet inkluderer utnyttelse av delvis delignified tre etterfulgt av høy temperatur tetthet9 eller pre-tørking av delignified tre før tetthet6. Begge metodene forbedrer tilkobling mellom naboceller, enten på grunn av de resterende lignin som fungerer som lim eller fri vann fjerning mellom celler.
I begge tilfeller oppstår redusert formbarhet, som begrenser design applikasjoner; det krevde prøve pre-forfatning likeledes innlede å lengere bearbeiding timene. Derfor er det nødvendig med en rask og skalerbar prosess som kombinerer forming og tetthet i ett enkelt trinn.
I denne forbindelse presenterer vi her åpen/lukket-mold tetthet og vakuum behandling av delignified trevirke som metoder for å kombinere forming, tetthet, og tørking i en enkel og skalerbar tilnærming. Figur 1 viser delignified fortettet tre-kompositt deler, som ble innhentet ved hjelp av teknikkene som er beskrevet i dette arbeidet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig1a.jpg"> Figur 1: eksempler på delignified fortettet tre sammensatte deler. (A) dør panel, (B) sidespeil, (C) dørhåndtak av en bil, (D) ortose, (E) kutte åpen hjelm, og (F) turteller dekke av en bil. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig1large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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

Delignified fortettet tre er et nytt lovende og bærekraftig materiale som besitter potensialet til å erstatte syntetiske materialer, slik som glassfiber forsterket kompositter, på grunn av sine gode mekaniske egenskaper. Delignified tre, derimot, er ganske skjør i en våt tilstand, noe som gjør håndtering og forme utfordrende. Her presenterer vi to fabrikasjon prosesser, lukket-mold tetthet og vakuum tetthet, å produsere høy ytelse cellulose kompositter basert på delignified tre, inkludert en vurdering av sine fordeler og begrensninger. Videre foreslår vi strategier for hvordan kompositter kan gjenbrukes eller deles opp ved slutten av livssyklusen. Lukket-mold tetthet har den fordelen at ingen forseggjort laboratorieutstyr er nødvendig. Enkle skrue klemmer eller en presse kan brukes til tetthet. Vi anbefaler denne metoden for små deler med enkel geometri og store radier av krumning. Vakuum tetthet i en åpen mold-prosess er egnet for større gjenstander og kompleks geometri, inkludert små radier. Sammenlignet med lukket-mold prosessen, åpen mold vakuum tilnærming bare trenger fremstilling av en enkelt mold hulrom.

Delignification og håndtering av tre finer.
Komplett delignification fører til en masse reduksjon på rundt 40% og en volumreduksjon på rundt 20% etter tørking på 65% RH6. Dessuten lignin, en brøkdel av hemicelluloses blir fjernet også. Fjerning av disse komponentene resulterer i et skjør cellulose materiale (se Figur 4). Ved hjelp av metall maskene som støtter Letter håndtering og drapering.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig4a.jpg"> Figur 4: håndtering av delignified tre i våt tilstand. (A) skjøre delignified tre i sin våte tilstand. (B) håndtering av materialet er lettet ved hjelp av et metallnett for transport eller (C) for drapering materialet til en mold. (D) Delignified tre drapert på toppen av en porøs 3D-trykt mold. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig4large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Tetthet og forming av delignified tre i lukkede muggsopp.
Tetthet av vann-mettet delignified tre (figur 5A-C) er krevende, som fritt vann i stillaset skaper et mot Trykk på tetthet og gjør at materialet til å flyte under behandling. Dette fører til fiber avvik og sprekker i det endelige materialet (figur 5B, C). En mulighet til å omgå disse begrensningene er å bruke fuktig pre-conditioned (95% RH og 20 ° c), delignified tre. I denne tilstanden, delignified tre er fortsatt rimelig shapeable og dens tetthet ikke fører til fiber justering forvrengninger og defekter.
Pre-conditioned materiale, derimot, er mer rigid i forhold til vann-mettet tilstand, noe som gjør det vanskelig å få liten krumning radier uten materielle skader. For små krumning radier, våt drapering etterfulgt av condition i en allerede formet tilstand før tetthet kan brukes. Imidlertid er condition ganske tidkrevende og derfor ikke anbefalt for store applikasjoner.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig5a.jpg"> Figur 5: lukket-mold tetthet av delignified tre i en våt og fuktig tilstand. (A) tetthet av vann-mettet cellulose materiale fører til (B, C) sprekker og fiber forskyvning. (D-F) Tetthet av fuktig materiale, betinget av 95% RH resulterer i en bedre bevaring av fiber justering og mindre defekter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig5large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Vakuum forming og tetthet av en laminert del i en åpen mold.
Eksempelvis for vakuum forme, produserte vi en hjelm i en selv-laget mold ved hjelp av en åpen-mold prosess (figur 6a, B). Som lay-up, drapert vi 2 lag med Hexagon-flak for overflate tekstur etterfulgt av 4 lag med delignified finér i en [0 °/90 °] lay-up (figur 6C). Den flak gir en attraktiv overflate design, mens endimensjonale (UD) lag legge styrke og stivhet til kompositt. Vi brukte 16,5 WT% stivelse som lim mellom lagene for å hindre delaminering14.
Vakuum tetthet (figur 6D) fører til full tørking av delen innen 48 h og tetthet ned til en tykkelse på 3 mm (1/3Rd av den opprinnelige tykkelse). Etter vakuum behandlingen er den sammensatte delen demolded (figur 6E) og kantene er trimmet med en kutter (figur 6F).
Den maksimale layup tykkelse som kan være fortettet og fullt tørket med åpen molding tilnærmingen var en 8-lags layup (8 x 1,5 mm finer) med en ende tykkelse på denne delen av 2,5 mm, som tilsvarer en tetthet ned til ca en fjerdedel av den opprinnelige tykkelsen av tørr delignified tre, tar hensyn til laget krymping ved delignification og tørking. For å oppnå slike høye tetthet grader, er et lavt vakuum i området 10-2 bar nødvendig.
Delignified tre kompositter som er fortettet til rundt en fjerdedel av sin opprinnelige tykkelse typisk oppnå elastiske moduli verdier rundt 25 GPa og styrke verdier i området 150-180 MPa, som vist i vårt tidligere arbeid (tabell 1)7.

<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/60327/60327table1.jpg">
Tabell 1: litteratur verdier for strekk elastisk modul og strekkstyrke av fortettet delignified tre. Vakuum behandlingen resulterer i en tetthet ned til 1/4th av den opprinnelige tykkelsen, som tilsvarer en FVC på 66%.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig6a.jpg"> Figur 6: fremstilling av en hjelm ved åpen mold behandling. (A, B) Støping av den opprinnelige hjelmen ved hjelp av en mold. (C) drapering av to ytre lag med Hexagon flak etterfulgt av drapering den indre 4-lag i en [0/90] layup. (D) tetthet og tørking av delen ved vakuum. (E) Demolding av den tørre delen og (F) finish med en kutter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig6large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Bruk av strømnings maskene resulterer vanligvis i et maske avtrykk i prøven. Dette kan enten betraktes som en prosess-iboende design strategi eller kan forebygges ved å plassere en ekstra tykkere tekstil lag mellom delignified tre og Flow mesh.
Alternativt kan lukkede muggsopp kombinert med vakuum prosessering som beskrevet i protokollen trinn 4,2 brukes. Vanlige mønstre kan fås ved å plassere små biter av delignified finer i en definert rekkefølge, som vist før for eksempel med et Hexagon mønster på hjelmen.
Problemer som kan oppstå under vakuum behandling inkluderer warpages i den sammensatte delen, som er forårsaket av ufullstendig tørking og forekomsten av sprekker (figur 7). Sprekker hovedsakelig resultere i delignified tre som ble lagret i EtOH tidligere kompositt fabrikasjon. Derfor, etter EtOH lagring, anbefaler vi å nøye suge delignified tre i vann før videre behandling. I tillegg forsiktig drapering etterfulgt av små tetthet for hånd for å fjerne noen gratis vann reduserer risikoen for sprengning.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig7a.jpg"> Figur 7: mulige problemer som oppstår ved fabrikasjon av kompleks geometri. (A) tilbake visning og (B) sidevisning av den produserte hjelmen. (C, D) Små sprekker på grunn av krymping av materialet under behandling. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig7large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
Gjenbruk eller nedbryting av sammensatte deler.
Våre cellulose-stivelse kompositt er alle bio-basert og kan oppløses i vann. På den ene siden er hydrofiliteten av materialet en ulempe, da det fører til redusert mekanisk ytelse når du er i kontakt med vann. En enkel metode for å beskytte kompositt fra flytende vann omfatter hydrofobe belegg, som vi har vist i Frey et al. 20197. På den andre side, en hydrofile opptreden av materialet kanne likeledes være fordelaktig når det gjelder end-av livet bruk og gjenvinning aspektene. Prøven kan bare være oppløst i vann til mindre biter og fiber slurry kan videre brukes til produksjon av nye fiber-baserte produkter som vist i Figur 8. Videre er fiber materialet fullstendig biologisk nedbrytbart, som vist i figur 9.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig8a.jpg"> Figur 8: gjenbruk av delignified tre fibre. (A-C) Reduksjon av delignified tre finer i små biter ved å spre materialet i vann. (D-F) Gjenbruk av fiber slurry for å produsere foring av en hjelm. (D) Reveting av en silisium mold med fiber slurry. (E) endelig foring av hjelmen. (F) fôr laget av oppløst delignified veden inne i det harde skallet på hjelmen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig8large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig9a.jpg"> Figur 9: nedbrytning av delignified tre fibre. (A) Petri parabolen fylt med jord. (B) plassere fiber slurry på toppen av jorda og (C) fylle den med vann. (D) bio-degradering etter en dag, (E) etter åtte dager, og (F) etter 26 dager. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig9large.jpg" target="_blank">Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.</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 fortettet tre representerer en ny lovende lett, høy ytelse og bio-basert materiale med stort potensial til å delvis erstatte naturlig fiber forsterket-eller glassfiber forsterket kompositter i fremtiden. Vi her presentere to allsidige fabrikasjon ruter og demonstrere muligheten til å lage komplekse kompositt deler.

Fabrikasjon og tegning av tre-basert høy-gjennomførelse 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 videoen viser vi fabrikasjonen av tettgjort, forentet trevirke som representerer et nytt lett, høytytende og biobasert materiale. Den presenterte, lukkede muggtetningen og den spesielle vakuumbehandlingen kombinerer forming, tetting og tørking i en enkel og skalerbar tilnærming. Tettet cellulosemateriale kan være et attraktivt alternativ til andre plantefiber- eller glassfiberkompositter, og kan potensielt finne anvendelse i bilindustrien.For å begynne, monter en prøveholder i rustfritt stål i en krystalliserende tallerken og legg en magnetisk rørestang under prøveholderen. Stable ett punkt fem millimeter tykke, radiale kutt gran finér på toppen av holderen, og skille dem med metallnett eller metall mesh striper. Forbered en en til en volumblanding av 30 vektprosent hydrogenperoksid og is eddiksyre, og hell blandingen i krystalliserende parabol til finérene er fullt dekket.Bløtlegg prøvene i løsningen ved romtemperatur over natten under omrøring ved 150 o/min. Om morgenen varmer du løsningen til 80 grader celsius på røreplaten, og kjør reaksjonen i seks timer for full justering. Juster forstillingstiden avhengig av prøvetykkelsen.Etter forstilling, hell delignification løsningen i et tomt beger og la det avkjøles før avhending. Skyll forsiktig de foreverdige finérene flere ganger med deionisert vann. Fyll deretter krystalliserende parabolen med deionisert vann for å fortsette å vaske finér uten å røre.Skift ut vannet to ganger om dagen til vaskevannet når en pH over fem. Behandle de våte, forenede finér innen to til tre uker, eller alternativt tørke arkene mellom metallnett for lagring. Bruk former laget av et åpent, porøs materiale.For eksempel keramiske former eller porøse, 3D tryktpolymer former for å muliggjøre vannfjerning og tilstrekkelig tørking. For krumningsradiier i centimeterområdet, eller planstrukturer, bruk prøver som er betinget av 95 prosent relativ fuktighet, ved 20 grader celsius. For mindre krumning radier, draper finér i vannmettet tilstand.Før tørk det draperte materialet i en åpen form ved 95 prosent relativ fuktighet, eller før tørk materialet i en ovn ved 65 grader celsius i fem til 30 minutter for å fjerne det frie vannet. Tett finéren i lukket form ved hjelp av skrueklemmer. Fremskynde tørkeprosessen ved å plassere formen i en ovn på 65 grader celsius.Etter full tørking, de-mold den sammensatte delen og gjenbruke formen for en ny løp. Bruk en porøs, åpen form eller en ikke-porøs mugg med et porøs lag på toppen av formen eller på toppen av det forenlige treet, for å muliggjøre tørking. Påfør et tekstillag for å beskytte formen mot forurensning.Deretter draperer du en vannmettet delverdig finér på toppen av tekstilet, og dekker den med et annet tekstillag og et strømningsnett. Plasser formen på toppen av en plate i rustfritt stål, påfør tetningstape og vakuumrør, og pakk formen med en vakuumpose. Det porøse laget gjør at vannet strømmer til vakuumslangen.Påfør et vakuum for tørking og samtidig tetting av komposittet. For akselerert tørking, plasser oppsettet i en ovn ved forhøyet temperatur ved 65 grader celsius. Bruk kalde feller for å unngå at vann kommer inn i vakuumpumpen.Slå på vakuumet og hold oljepumpen i et trykkområde på ti til minus to millibar. Etter tørking, de-mold den tørre kompositt og gjenbruke mugg og vakuum satt opp for en ny kompositt del. Velg fiberorienteringsvinkelen til lagene som i tradisjonell komposittproduksjon, og fremvis tykke, flerlags komposittdeler ved å legge opp teknikker.Øk bindingen mellom delverdige trelag ved å påføre et vannbasert lim, for eksempel 16 punkt 5 vekt prosent stivelsesløsning mellom lagene under draperingsprosessen. Etter fortetting og tørking, de-mold komposittdelen og maskinen finish for hånd eller med standard tre verktøy. For å resirkulere, plasser de foreverdige trekompositter i vann og la materialet gå i oppløsning.Deretter omformer du massematerialet for å få et nytt produkt. Fullstendig forstilling resulterte i et skjør, formbart cellulosemateriale når det var i våt tilstand. Lukket mold tettifisering av vannmettet delignified tre forårsaket fiberavvik og sprekker i det endelige materialet på grunn av fritt vann i stillaset.Med fuktig, pre-betinget delverdig tre, ble rimelig form opprettholdt, og dens fortetting førte ikke til fiberjusteringsforvrengninger og defekter. Den åpne muggprosessen ble brukt til å produsere en hjelm ved å plassere vannmettede forenverdige trefiner i gipsform. Drapering av to ytre lag med sekskantflak ble etterfulgt av drapering av de indre fire lagene i en null over 90 legge opp.Etter fortetting og tørking av delen ved vakuum, ble den tørre delen avstøpt og ferdig med en kutter. Mulige problemer under vakuumbehandling inkluderer forekomsten av små sprekker, som skyldes krymping eller ufullstendig tørking. Cellulosestivelse kompositt er alt bio-basert som gjør det mulig for oppløsning i vann.Etter oppløsning ble den fibrøse slammet brukt til produksjon av nye fiberbaserte produkter. Nedbrytning av de foreverdige trefibrene ble oppnådd ved å plassere dem i en petriskål fylt med jord og vann. Ulike biologisk nedbrytning grader ble vist etter en dag, åtte dager og 26 dager.Den viktigste faktoren for vellykket delignifisert tretettifisering er å sikre riktig fuktighetstilstand av cellulosematerialet som er skreddersydd for den påførte fortettingsteknikken. For komplekse former, storskala produksjon, anbefaler vi å bruke vår nyutviklede, vakuumformingsteknikk, noe som åpner for samtidig tetting og tørking. Delignified tre er et allsidig materiale.I tillegg til den potensielle applikasjonen som et høyytelsesmateriale, gir det ytterligere attraktive og varierte designalternativer.

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, Fabrikasjon, og eksperimentell karakterisering av Plasmonic Photoconductive Terahertz Sendere

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 utvikling av høy ytelse Sprengstoff

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

Ultralyd sveising av termoplast Kompositt kuponger for Mekanisk Karakterisering av sveisede skjøter gjennom enkelt Lap Shear Testing

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

Verifiserer C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si underlaget med Scanning Probe Mikroskopi 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-basert plattform for Fordunstingstall 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

Nanostrukturerte Ag-zeolitt Composites som Luminescence-baserte Fuktighet 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

Skalerbar løsning-behandlet Fabrication Strategy for High-Performance, Fleksibel, Transparent Elektroder med innebygd 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

Oppdage vannløselige klorid fordelingen av sement lim på høypresisjons måte

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

Flyt-assistert Dielectrophoresis: En rimelig metode for fabrikasjon av høytytende løsningen-processable Nanowire enheter

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 and fabrikasjon av en optisk Fiber laget av vann

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 ...