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

Författarna tackar Silvan Gantenbein för 3D-utskrift av porösa formar.

1. delignification av träfasader
Obs: detta delignifiering protokollet är baserat på våra tidigare verk, utgiven av Frey et al. 20186 och segmehl et al. 201813.
<ol><li>Montera en provhållare av rostfrittstål i en kristalliserande skål eller i en bägare och placera en magnetisk röra bar under provhållaren. Stapla träfasader ovanpå hållaren och separera dem med metall maskor eller metallnät ränder (figur 2a). Här använder vi radiellt skurna Gran fasader med en tjocklek av 1,5 mm. träslag och typ (tangentiell, radiell, roterande skära fernissa) samt tjocklek av fasader kan varieras.</li>
	<li>Bered en 1:1 volym blandning av väteperoxid (30 WT%) och koncentrerad ättiksyra och Häll blandningen i kristalliserande skålen tills fasader är helt täckta. Använd glas rätter (t. ex. petriskål) för att hålla fasader i lösningen. Blötlägg proverna i lösningen vid rumstemperatur (RT) över natten under omrörning vid 150 RPM.</li>
	<li>Värm lösningen till 80 ° c och kör reaktionen för 6 h för fullständig delignifiering. Justera tiden för avlignifiering beroende på prov tjockleken.</li>
	<li>Efter delignifiering, häll delignifiering lösningen i en tom bägare och låt den svalna innan bortskaffande. Skölj försiktigt de delignifierade fasader flera gånger med avjoniserat vatten. Fortsätt sedan tvätta fasader utan omrörning genom att fylla kristalliserande skålen (bägare) med avjoniserat vatten. Byt ut vattnet två gånger om dagen tills ett pH-värde för tvättvattnet på ovan 5 uppnåtts (figur 2B).</li>
	<li>Hantera våt delignified träfasader med omsorg, som cellulosa ställningen är ganska bräcklig. Använd ett metallnät som stöd för transport och drafringar (figur 4).</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig2a.jpg"> Figur 2: inställningar för Avlignifiering. A) kristalliserande fat med provhållare av metallnät och träfasader staplade ovanpå provhållaren. Metal mesh Stripes separera de enskilda fasader från varandra. B) delignfierade fasader som täcks av vatten under tvättprocessen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
2. lagring och "cellulosa prepreg" produktion
<ol><li>Överväg att bearbeta de våta delignifierade träproverna inom 2-3 veckor. Alternativt, bevara materialet för långtidslagring i etanol (EtOH) eller torka arken mellan metall maskor.</li>
	<li>Förvara de torra, platta cellulosa bladen ("cellulosa prepregs") under 65% relativ fuktighet (RH). Rewet arken i vatten före vidare formning och bearbetning.</li>
</ol>3. förtätning och formning av delignified trä i slutna formar
<ol><li>Använd slutna formar gjorda av ett öppet poröst material (t. ex. keramiska formar, porösa 3D tryckta polymerformar) för att möjliggöra vatten borttagning och tillräcklig torkning. Porstorleken bör vara under 2 mm, särskilt mot ytan, för att få en slät yta av den slutliga komposit delen.</li>
	<li>Villkora delignified trä på önskad RH. För krökningsradier i cm-området eller plankonstruktioner, Använd prover som är konditionerade vid 95% RH vid 20 ° c. För mindre krökning radier, drapera fernissa i vatten-mättade tillstånd, förtorka draperad material i en öppen mögel på 95% RH, eller förtorka materialet i en ugn (65 ° c) för 5-30 min (tiden beror på prov tjockleken). Kurv överväganden görs i förhållande till fernissa tjocklek (här 1,5 mm).</li>
	<li>Densify materialet i den slutna mögel antingen genom att använda skruvklämmor eller i en press. Justera trycket om det behövs för att kompensera för krympning. Torkprocessen kan påskynda genom att placera mögel i en ugn vid 65 ° c eller genom att öka temperaturen i pressen. Obs: ett relativt lågt tryck i intervallet för ett fåtal MPa är tillräckligt för att förgöra vått delignified trä. Den slutliga tjockleken kan styras med hjälp av distanses med riktad tjocklek mellan mögel ytorna snarare än genom att kontrollera trycket.</li>
	<li>Efter full torkning, demold komposit delen och återanvända mögel för en ny körning.</li>
</ol>4. vakuumformning och förtätning av delignifierade trä i öppna formar
<ol><li>Använd en porös öppen mögel som beskrivs i 3,1. Alternativt kan du använda icke-porösa formar med ett poröst skikt (t. ex. mesh, textil, paus) ovanpå formen eller ovanpå delignifierade trä för att möjliggöra torkning (figur 3a).</li>
	<li>Använd ett textil skikt (t. ex. skal-skikt) för att skydda mögel från kontaminering. Drapera en vatten-mättad delignified fasad ovanpå textil (figur 3B) och täck den med en andra textil skikt och flöde mesh. Obs: för att få en slät yta, rekommenderar vi att du använder porösa sluten mögel bearbetning. För detta, ersätta flödet mesh med den porösa övre delen av mögel. Men om ytan mönster med t. ex. ett nät önskas, är öppen mögel process ett bra alternativ.</li>
	<li>Placera mögel på toppen av en rostfri plåt, tillämpa tätning tejp och vakuum slangar, och Linda mögel (öppen eller stängd) med en vakuum påse. Använd Flow mesh för att aktivera vattenflödet till vakuumslangen. Alternativt, placera ytterligare mesh lager under mögel för att förbättra torkning och för att undvika lokala vakuum tryck droppar, särskilt för större delar (figur 3C).</li>
	<li>Applicera ett vakuum för torkning och samtidig förtätning av komposit. För påskyndad torkning, placera installationen i en ugn vid förhöjd temperatur (t. ex. 65 ° c). Obs: se till att använda kalla fällor för att undvika vatten som kommer in i vakuumpumpen. Vi använder här en oljepump i ett tryckområde på 10-2 bar. Men det är också möjligt att använda en membranpump men avvägningar om densifiering grad kan behöva beaktas.</li>
	<li>Efter torkning, demold den torra komposit och återanvända mögel och vakuum setup för en ny sammansatt del (figur 3D).</li>
</ol><img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig3a.jpg"> Figur 3: Schematisk illustration av den öppna mögel processen. (A) porösa mögel med mindre porer mot ytan. (B) delignified trä draberad ovanpå den porösa mögel (grå) och valfria textil skikt för mögel skydd (grön). C) textil-, flödes nät-och vakuum påse som placerats ovanpå delignifierade trä. Trycket appliceras genom vakuum påsen och leder till förtätning och torkning av materialet. Dslutlig komposit efter demolding. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
5. tillverkning av laminerade komposit delar
<ol><li>Tillverka tjocka multi-layer komposit delar genom uppläggning tekniker och välja fiber orientering vinkeln av lagren (t. ex. [0 °], [0 °/90 °], [0 °/-45 °/90 °/+ 45 °]S) som i traditionell komposit tillverkning. Obs: antalet skikt kan väljas beroende på den riktade tjockleken på den sista delen. Dock beror vakuum tiden starkt på storleken och tjockleken på delen och varierar från 2 h (ett lager, 1,5 mm tjock) upp till 2 dagar för en 8-ply del.</li>
	<li>Öka bindning mellan delignifierade trä skikt genom att applicera lim mellan lagren under drautningen. Använd ett vattenbaserat lim (t. ex. stärkelse) som möjliggör kombinerad torkning och härdning av limmet. Anmärkning: vi tillämpar 0,04 g/cm2 av en 16,5 WT% stärkelselösning mellan lagren. Men andra vattenbaserade lim kan användas alternativt.</li>
	<li>Demold komposit delen och maskinens yta för hand eller med standard trä verktyg (figur 6E, F).</li>
</ol>6. återanvändning och återvinning av sammansatta delar
<ol><li>Placera delignifierade icke-limmade trä kompositer i vatten tills delen återfår formbarheten. Sedan, antingen omforma materialet för att få en ny produkt (se Frey et al. 20197) eller minska den till små bitar.</li>
	<li>Återanvända små bitar av delignifierade trä för att skapa nya produkter inspirerade av standardmassa tekniker (t. ex. massa gjutning) och slutligen låta materialet biologiskt nedbrytande efter livets.</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>

Författarna har inget att avslöja.

Vi presenterar mångsidiga tillverkningstekniker för att få högpresterande delignified träbaserade kompositer och föreslå möjliga återanvändning och återvinning strategier. Sluten-mögel bearbetning förutsättningar förkonditionering av materialet, eftersom det inte kan bearbetas i vatten-mättade tillstånd. Använda en sluten mögel process, dock kan vara den metod för val, särskilt om t. ex. det finns ingen vakuum setup tillgänglig eller om en fin (slät) ytjämnhet på båda sidor önskas.
Open-Mold vakuum bearbetning av delignified trä möjliggör kombinera formning, förtätning, och torkning av vattenmättade prover i en enkel och skalbar metod. Tekniken är tillämplig för produktion av komplexa geometrier och erbjuder ett skalbart alternativ för slutna mögel processer. Vi har tillverkat kompositer genom att stapla delignifierade träfasader med hjälp av stärkelse som lim mellan lagren. Densifiering ner till en fjärdedel av den ursprungliga tjocklek resulterade i en slutlig tjocklek på 2,5 mm av 8-skikt tjock komposit delen. För att få en jämnare ytjämnhet i vakuum processen, användning av en sluten porös mögel kan vara ett lämpligt alternativ.
För båda bearbetningsmetoderna rekommenderar vi att man använder ett limsystem mellan delignifierade träskikt för att minska risken för delaminering. För det givna exemplet väljer vi stärkelse, eftersom det är ett välkänt biobaserat lim för massa-och pappersprodukter, såsom papperspåsar, och är vattenbaserat. Framtida arbeten kommer att fokusera på tillverkning av tjockare laminat för att lösa nuvarande begränsningar i form av torkning och fiber flödes avvikelser.
I allmänhet har vakuum bearbetning av delignifierade trä potential för en enkel och snabb produktion av storskaliga densifierade cellulosafiber kompositer. Efter att ha åtgärdat materialets hållbarhetsfråga genom att tillämpa ordentliga beläggningar, vatten stabila adhesiva system eller kemisk modifiering kan möjliga industriella tillämpningar omfatta fordonskomponenter som dörrpaneler, golv och instrumentpaneler. Vårt material kan ersätta metaller eller fiberförstärkta kompositer för att minska vikten för bättre bränsleeffektivitet och för att förbättra återvinningsbarheten.

Utvecklingen av nya naturliga fiber (NF) baserade kompositer utrustade med överlägsna mekaniska egenskaper utgör en av de viktigaste uppgifterna i materialvetenskap, eftersom de kan vara hållbara alternativ för nuvarande syntetiska system såsom glasfiber kompositer1,2,3. Förutom traditionella NF kompositer (lin,hampa,kenaf, etc)4,5,förtätning av trä efter partiell eller fullständig avlägsnande av Matrix komponenter har fått ökad uppmärksamhet under de senaste åren6,7,8,9,10,11. Den uppifrån och ner tillverknings rutten, baserad på delignifiering av bulk trä följt av förtätning, är begreppsmässigt tvärtemot ganska komplexa bottom-up processer för massa och flytgödsel baserade produkter12. I massa och flytgödsel baserade produkter, den nyttiga trä fiber anpassningen behålls inte som fibrer separeras i processen. I motsats, struktur-behålla delignified trä, som erhålls i en uppifrån och ner process, överför sofistikerad arkitektur med anpassade cellulosafibrer i det nya materialet. För att uppnå förtätning av delignified trä utan fiber justering snedvridningar, nya bearbetnings vägar måste utvecklas.
Direkt förtätning av vattenmättade delignifierade träprover leder till en begränsad densifieringsgrad, sprickor och fiber justering förvrängningar på grund av våt-prov-inneboende fritt vatten som skapar ett mottryck under densifiering. Aktuella lösningar för att undvika strukturell integritet förlust vid förtätning omfattar utnyttjande av delvis delignifierade trä följt av hög temperatur förtätning9 eller för torkning av delignifierade trä före densifiering6. Båda metoderna förbättrar anslutningen mellan angränsande celler, antingen på grund av den återstående lignin som fungerar som lim eller fri vatten borttagning mellan celler.
I båda fallen, minskad formbarhet sker, som begränsar design applikationer; den erforderliga prov förkonditioneringen leder också till längre bearbetningstider. Därför krävs en snabb och skalbar process som kombinerar formning och förtätning i ett enda steg.
I detta avseende presenterar vi här öppen/sluten-mögel förtätning och vakuum bearbetning av delignified trä som metoder för att kombinera formning, förtätning och torkning i en enkel och skalbar metod. Figur 1 visar delignifierade fördensifierade trä komposit delar som erhållits med hjälp av de tekniker som beskrivs i detta arbete.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig1a.jpg"> Figur 1: exempel på delignifierade fördensifierade trä komposit delar. (A) Dörrpanel, (B) sidospegel, (C) dörrhandtag i en bil, (D) orthosis, (E) klipp öppen hjälm, och (F) varvtals skydd av en bil. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig1large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</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

Delignifierad förhårdnat trä är ett nytt lovande och hållbart material som besitter potentialen att ersätta syntetiska material, såsom glasfiberarmerad kompositer, på grund av dess utmärkta mekaniska egenskaper. Delignified trä är dock ganska bräcklig i ett vått tillstånd, vilket gör hantering och forma utmanande. Här presenterar vi två tillverkningsprocesser, sluten-mögel förtätning och vakuum förtätning, för att producera högpresterande cellulosa kompositer baserade på delignifierade trä, inklusive en bedömning av deras fördelar och begränsningar. Vidare föreslår vi strategier för hur kompositerna kan återanvändas eller sönderdelas vid slutet av livscykeln. Sluten-mögel densifiering har fördelen att ingen utarbetad laboratorieutrustning behövs. Enkla skruvklämmor eller en press kan användas för förtätning. Vi rekommenderar denna metod för små detaljer med enkla geometrier och stor krökningsradie. Vakuum förtätning i en öppen mögel process lämpar sig för större objekt och komplexa geometrier, inklusive små krökningsradier. Jämfört med sluten mögel process, den öppna mögel vakuum tillvägagångssätt behöver bara tillverkningen av en enda mögel hålighet.

Delignifiering och hantering av träfasader.
Fullständig delignifiering leder till en Mass reduktion på ca 40% och en volymreduktion på cirka 20% efter torkning på 65% RH6. Förutom lignin, får en bråkdel av hemicellulosor avlägsnas också. Avlägsnande av dessa komponenter resulterar i ett skört cellulosamaterial (se figur 4). Med hjälp av metall maskor som stöder underlättar hantering och drasig.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig4a.jpg"> Figur 4: hantering av delignified trä i vått tillstånd. (A) bräckligt delignifierade trä i vått tillstånd. (B) hanteringen av materialet är lättas med hjälp av ett metallnät för transport eller (C) för draatt materialet till en mögel. (D) delignified trä drautad ovanpå en porös 3D-tryckt mögel. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Förtätning och formning av delignified trä i slutna formar.
Förtätning av vattenmättat delignified trä (figur 5A-C) är krävande, eftersom fritt vatten i ställningen skapar ett mottryck på förtätning och gör att materialet kan flöda under bearbetningen. Detta orsakar fiber avvikelser och sprickor i slutmaterialet (figur 5B, C). En möjlighet att kringgå dessa begränsningar är att använda fuktig pre-konditionerade (95% RH och 20 ° c), delignified trä. I detta tillstånd, delignifierade trä är fortfarande rimligt formbar och dess förtätning inte leder till fiber justering snedvridningar och defekter.
För konditionerade material, dock, är mer stel jämfört med vatten-mättade tillstånd, vilket gör det svårt att få små krökning radier utan materiella skador. För små krökningsradier, våt drasig följt av konditionering i en redan formad tillstånd tidigare förtätning kan användas. Emellertid, konditionering är ganska tidskrävande och därför rekommenderas inte för storskaliga applikationer.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig5a.jpg"> Figur 5: sluten-mögel förtätning av delignified trä i vått och fuktigt tillstånd. (A) förtätning av det vattenmättade cellulosa materialet leder till (B, C) sprickor och fiber förskjutning. (D-F) Förtätning av fuktigt material, konditioneras på 95% RH resulterar i en bättre bevarande av fiber justering och mindre defekter. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig5large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Vakuumformning och förtätning av en laminerad del i ett öppet mögel.
Exemplarily för vakuum forma, vi tillverkade en hjälm i en egentillverkad mögel med hjälp av en öppen mögel process (figur 6a, B). Som Lay-up, draperade vi 2 lager av Hexagon-flingor för yta texturering följt av 4 skikt av delignified träfasad i en [0 °/90 °] Lay-up (figur 6C). Flingorna ger en attraktiv ytdesign, medan de unidimensionella (UD) lagren tillför styrka och styvhet till kompositen. Vi tillämpade 16,5 WT% stärkelse som lim mellan lagren för att förhindra delaminering14.
Vakuum förtätning (figur 6D) leder till fullständig torkning av delen inom 48 h och densifiering ner till en tjocklek av 3 mm (1/3RD av den ursprungliga tjockleken). Efter vakuum bearbetningen är den sammansatta delen demolded (figur 6E) och kanterna är klippta med en fräs (figur 6F).
Den maximala layup-tjocklek som kan förslutas och torkas helt med den öppna formen var en 8-lagers layup (8 x 1,5 mm fernissa) med en änd tjock lek av denna del av 2,5 mm, vilket motsvarar en förtätning ner till cirka en fjärdedel av den initiala tjockleken av torrt delignified trä, med hänsyn tagen till lagret krympning vid delignifiering och torkning. För att få så höga densifieringsgrader behövs ett lågt vakuum i intervallet 10-2 bar.
Delignifierade trä kompositer som är fördensifierade till cirka en fjärdedel av deras ursprungliga tjocklek uppnår vanligtvis elastiska modulivärden runt 25 GPa och hållfasthetsvärden i intervallet 150-180 MPa, som framgår av vårt tidigare arbete (tabell 1)7.

<img alt="Table 1" src="/files/ftp_upload/60327/60327table1.jpg">
Tabell 1: litteratur värden för dragelasticitetsmodulus och draghållfasthet för förförat delignified trä. Vakuum bearbetningen resulterar i en förtätning ned till 1/4th av den initiala tjockleken, som motsvarar till en FVC av 66%.
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig6a.jpg"> Figur 6: tillverkning av en hjälm genom öppen mögel bearbetning. (a, B) Gjutning av den ursprungliga hjälmen med en mögel. (C) draperingen av två yttre skikt med Hexagon flingor följt av draperingen av de inre 4-lagren i en [0/90] layup. D) förtätning och torkning av delen genom vakuum. (E) demolding av den torra delen och (F) finish med en fräs. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig6large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Att använda flödesmaskor resulterar vanligtvis i ett mesh-avtryck i provet. Detta kan antingen betraktas som en process-inneboende design strategi eller kan förhindras genom att placera en extra tjockare textil skikt mellan delignified trä och flöde mesh.
Alternativt kan slutna formar kombinerat med vakuum bearbetning som beskrivs i protokoll steg 4,2 användas. Regelbunden mönkning kan erhållas genom att placera små bitar av delignifierade fasader i en definierad ordning, som visas tidigare för vårt exempel med Hexagons mönster på hjälmen.
Problem som kan uppstå under vakuum bearbetningen är strids sidor i den sammansatta delen, som orsakas av ofullständig torkning och förekomst av sprickor (figur 7). Sprickor resulterar främst i delignified trä som lagrades i EtOH tidigare komposit tillverkning. Därför, efter EtOH lagring, rekommenderar vi att försiktigt suga delignified trä i vatten innan vidare bearbetning. Dessutom, noggrann drasig följt av liten förtätning för hand för att ta bort lite fritt vatten minskar risken för sprickbildning.
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig7a.jpg"> Figur 7: möjliga problem som uppstår vid tillverkning av komplexa geometrier. (A) back View och (B) sidovy av den tillverkade hjälmen. (C, D) Små sprickor på grund av krympning av materialet under bearbetningen. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig7large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
Återanvändning eller sönderdelning av sammansatta delar.
Vår cellulosa stärkelse komposit är alla biobaserade och kan sönderfalla i vatten. Å ena sidan är hydrofilicitet av materialet en nackdel, eftersom det leder till minskad mekanisk prestanda vid kontakt med vatten. En enkel metod för att skydda komposit från flytande vatten omfattar hydrofoba beläggningar, som vi har visat i Frey et al. 20197. Å andra sidan kan ett hydrofila beteende av materialet också vara fördelaktigt när det gäller uttjänta användnings-och återvinnings aspekter. Provet kan helt enkelt sönderdelas i vatten till mindre bitar och den fibrösa flytgödsel kan ytterligare användas för produktion av nya fiberbaserade produkter som visas i figur 8. Dessutom är det fibrösa materialet helt biologiskt nedbrytbart, vilket visas i figur 9.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig8a.jpg"> Figur 8: återanvändning av delignifierade träfibrer. (a-C) Reduktion av delignifierade träfasader i små bitar genom att sprida materialet i vatten. (D-F) Återanvändning av fiber flytgödsel för att producera slemhinnan i en hjälm. Dreveting av ett kisel mögel med fiber slam. Eslutlig beklädnad av hjälmen. F) foder tillverkat av desinfierat virke inuti hjälmens hårda hölje. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig8large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60327/60327fig9a.jpg"> Figur 9: nedbrytning av delignifierade träfibrer. Apetriskål fylld med jord. B) att placera fiber Slamningen ovanpå jorden och (C) fylla den med vatten. Dbiologisk nedbrytning efter en dag,eefter åtta dagar, ochFefter 26 dagar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60327/60327fig9large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</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 förtätat Wood representerar en ny lovande lätt, högpresterande och biobaserat material med stor potential att delvis ersätta naturliga fiberförstärkt-eller glasfiberarmerad kompositer i framtiden. Vi presenterar här två mångsidiga tillverknings vägar och demonstrerar möjligheten att skapa komplexa komposit delar.

Tillverkning och konstruktion av träbaserade högpresterande kompositer

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

I den här videon visar vi tillverkning av förtvinat, delignified trä som representerar en ny ljus-vikt, högpresterande, och biobaserat material. Den presenterade, slutna mögelförtätningen och den särskilda vakuumbearbetningen kombinerar formning, förtätning och torkning i ett enkelt och skalbart tillvägagångssätt. Förtenifierat, cellulosa material kan vara ett attraktivt alternativ till andra växtfiber eller glas kompositer fiber, och kan potentiellt hitta tillämpning inom bilindustrin.Till att börja, montera en rostfri provhållare i en kristalliserande skålen och placera en magnetisk, rör bar under provhållaren. Stapla en punkt fem millimeter tjock, radiellt skuren gran faner ovanpå hållaren, och separera dem genom metall maskor eller metallnät ränder. Förbered en en till en volym blandning av 30 vikt procent väteperoxid och glacial ättiksyra, och häll blandningen i kristalliserande skålen tills faner är helt täckt.Blötlägg proverna i lösningen vid rumstemperatur under natten under omrörning vid 150 rpm. På morgonen, värm lösningen till 80 grader celsius på rörplattan, och kör reaktionen i sex timmar för full delignification. Justera delignifieringstiden beroende på provtjockleken.Efter delignifiering, häll delignification lösningen i en tom bägare och låt den svalna innan de bortskaffande. Skölj försiktigt de delignified faner flera gånger med avjoniserat vatten. Fyll sedan kristallisera skålen med avjoniserat vatten för att fortsätta tvätta faner utan omrörning.Byt ut vattnet två gånger om dagen tills tvättvattnet når ett pH-värde över fem. Bearbeta de våta, delignifierade faner inom två till tre veckor, eller alternativt torka arken mellan metallmaskor för lagring. Använd formar gjorda av ett öppet, poröst material.Till exempel, keramiska formar eller porösa, 3D tryckta polymerformar för att möjliggöra vattenborttagning och tillräcklig torkning. För krökning radier i centimeterområdet, eller planstrukturer, använd prover som är betingade vid 95 procent relativ luftfuktighet, vid 20 grader celsius. För mindre krökningsradier, drapera faner i vattenmättat tillstånd.Förtorka draperat material i en öppen form på 95 procent relativ luftfuktighet, eller förtorka materialet i en ugn på 65 grader celsius i fem till 30 minuter för att ta bort det fria vattnet. Förtens faner i den slutna formen med hjälp av skruvklämmor. Påskynda torkprocessen genom att placera formen i en ugn vid 65 grader celsius.Efter full torkning, de-mold den sammansatta delen och återanvända mögel för en ny körning. Använd en porös, öppen mögel eller en icke-porös mögel med ett poröst lager ovanpå formen eller ovanpå delignified trä, för att möjliggöra torkning. Applicera ett textilskikt för att skydda formen från föroreningar.Sedan drapera en vattenmättad delignified faner ovanpå textilen, och täck den med ett andra textilskikt och ett flödesnät. Placera formen ovanpå en rostfri tallrik, applicera tätningstejp och vakuumslangar, och linda formen med en vakuumpåse. Det porösa lagret gör det möjligt för vattenflödet till vakuumslangen.Applicera ett vakuum för torkning och samtidig förtätning av kompositen. För accelererad torkning, placera uppsättningen i en ugn vid förhöjd temperatur vid 65 grader celsius. Använd kalla fällor för att undvika att vatten kommer in i vakuumpumpen.Sätt på vakuumet och håll oljepumpen i ett tryckområde på tio till minus två millibar. Efter torkning, de-mögel den torra komposit och återanvända mögel och vakuum inrättas för en ny sammansatt del. Välj fiber orientering vinkel av skikten som i traditionell komposit tillverkning, och tillverka tjocka, flera lager sammansatta delar genom att lägga upp tekniker.Öka bindningen mellan delignified träskikt genom att tillämpa en vattenbaserad lim, till exempel 16 punkt 5 vikt procent stärkelselösning mellan skikten under draperingsprocessen. Efter förtätning och torkning, de-mold den sammansatta delen och maskin finish för hand eller med standard trä tooling. För att återvinna, placera de delignified träkompositer i vatten och låt materialet sönderfalla.Sedan, åter forma massamaterialet för att få en ny produkt. Fullständig delignification resulterade i en bräcklig, form-kunna cellulosa material när i vått tillstånd. Sluten mögelförtätning av vattenmättat delvärdat trä orsakade fiberavvikelser och sprickor i det slutliga materialet på grund av fritt vatten i ställningen.Med fuktig, pre-conditioned delignified trä, var rimlig form bibehålls, och dess förtätning ledde inte till fiber anpassning snedvridningar och defekter. Den öppna mögel processen användes för att tillverka en hjälm genom att placera vatten-mättade delignified trä faner i en gips mögel. Drapering av två yttre lager med hexagon flingor följdes av drapering de inre fyra skikten i en nolla över 90 lägga upp.Efter förtätning och torkning av delen genom vakuum, var den torra delen de-gjuten och slutade med en fräs. Möjliga problem under vakuumbearbetning inkluderar förekomsten av små sprickor, som orsakas av krympning eller ofullständig torkning. Den cellulosa stärkelse komposit är alla biobaserade vilket möjliggör sönderfall i vatten.Efter sönderfall användes den fibrösa flytgödseln för produktion av nya fiberbaserade produkter. Nedbrytning av de delignified träfibrerna uppnåddes genom att placera dem i en Petri-skål fylld med jord och vatten. Olika biologiska nedbrytningsgrader visades efter en dag, åtta dagar och 26 dagar.Den viktigaste faktorn för framgångsrik delignifierad träförtätning är att säkerställa lämpligt fuktighetstillstånd för det cellulosamaterial som är skräddarsytt för den tillämpade förtätningstekniken. För komplexa former, storskalig produktion, rekommenderar vi att använda vår nyutvecklade, vakuumformningsteknik, vilket möjliggör samtidig förtätning och torkning. Delignified trä är ett mångsidigt material.Förutom dess potentiella tillämpning som ett högpresterande material, ger det ytterligare attraktiva och varierande designalternativ.

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

Konstruktion, tillverkning, och experimentell karakterisering av Plasmoniska photoconductive terahertz sändare

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 och utveckling av högpresterande Sprängämnen

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

Ultraljudssvetsning av termoplastiska komposit kuponger för mekaniska karakterisering av svetsfogar genom 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

Probing C<sub&gt; 84</sub&gt; -embedded Si substrat med användning av svepspetsmikroskopi och 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 högpresterande Impedans-baserad plattform för Avdunstningshastighet 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

Nanostrukturerade Ag-zeolit ​​Composites som Luminescence-baserade Fuktsensorer

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

Skalbar lösning-bearbetad tillverkningsstrategi för högpresterande, flexibla, transparenta elektroder med inbyggd metallmask

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

Att upptäcka vattenlösliga klorid fördelningen av cementpasta i hög precision sätt

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

Flöde-assisted Dielectrophoresis: En låg kostnad metod för tillverkning av högpresterande lösning-bearbetningsbar nanotråd 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

Konstruktion och tillverkning av en optisk Fiber gjord av vatten

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 ...