نقدم طريقة جديدة لتصنيع قصيرة التشكيل الألياف الطبيعية جامدة وقوية باستخدام عملية صناعة الورق. السليلوز البكتيريا تعمل في وقت واحد كما الموثق للألياف فضفاضة ويوفر الصلابة إلى التشكيل الألياف. يمكن غرست هذه التشكيل مع الراتنج لإنتاج المواد المركبة الهرمية الخضراء حقا.
ويرد طريقة جديدة لتصنيع التشكيل الألياف الطبيعية جامدة وقوية هنا. ويستند هذا الأسلوب على عملية صناعة الورق، حيث يتم توزيع ألياف السيزال فضفاضة وقصيرة في تعليق المياه التي تحتوي على السليلوز البكتيرية. ثم يتم تصفية الألياف وnanocellulose تعليق (باستخدام فراغ أو الجاذبية) والضغط على كعكة فلتر الرطب للضغط من أي المياه الزائدة، تليها خطوة التجفيف. وهذا يؤدي إلى تقرن شبكة السليلوز البكتيرية، وعقد الألياف الطبيعية فضفاضة معا.
يناسب أسلوبنا خصيصا لتصنيع التشكيل جامدة وقوية من الألياف ماء. طبيعة مسامية وماء من تلك الألياف النتائج في امتصاص الماء كبيرة، الرسم في السليلوز البكتيرية المنتشرة في التعليق. وبعد ذلك يتم تصفية السليلوز البكتيرية ضد السطح من هذه الألياف، وتشكيل طبقة السليلوز البكتيرية. عندما الخلية البكتيرية الألياف فضفاضةيتم تصفية تعليق ulose والمجففة، والسليلوز البكتيرية المجاورة يشكل شبكة ومتقرن لعقد ألياف فضفاضة وإلا معا.
أدى إدخال السليلوز البكتيرية في التشكيل في زيادة كبيرة في الخواص الميكانيكية للألياف التشكيل. ويمكن أن يعزى ذلك إلى صلابة عالية وقوة الشبكة السليلوز البكتيرية. مع هذا التشكيل، والأداء الرفيع المركبة الهرمية المتجددة يمكن أيضا أن تصنع باستخدام أساليب الإنتاج المركب التقليدية، مثل الراتنج التسريب فيلم (RFI) أو نقل الراتنج صب (RTM). هنا، نحن تصف أيضا تصنيع المواد المركبة الهرمية المتجددة باستخدام كيس مزدوج فراغ بمساعدة الراتنج التسريب.
وأثارت الزيادة المطردة في أسعار النفط والطلب المتزايد للجمهور من أجل مستقبل مستدام وإحياء البحث والتطوير من المواد الخضراء، وخاصة البوليمرات والمواد المركبة. للأسف، وأداء الحرارية والميكانيكية للبوليمرات الخضراء أو المتجددة هو في كثير من الأحيان أقل شأنا بالمقارنة مع البترول على أساس البوليمرات التقليدية 1. على سبيل المثال، polylactide المتاحة تجاريا (جيش التحرير الشعبى الصينى) وpolyhydroxybutyrate (PHB) هي هشة وتمتلك انخفاض درجات الحرارة تشويه الحرارة. حل واحد لخلق المواد المتجددة التي تطابق أو حتى يتجاوز أداء المواد الهندسية القائمة على النفط استخداما هو أن نتعلم من الماضي؛ تستخدم هنري فورد استراتيجية مركب، أي الجمع بين البوليمرات bio-based/renewable مع التعزيز 2، لتعزيز خصائص البوليمرات المتجددة. كثيرا ما يزعم أن الألياف الطبيعية تخدم المرشح المثالي كما التعزيز بسبب تكلفتها المنخفضة، وانخفاض الكثافة، renewabiliتاي والتحلل البيولوجي 3. شهدت مركبات الألياف الطبيعية نهضة في عام 1990 كما يتضح من الزيادة المطردة في عدد المنشورات العلمية لاستعراض الأقران (الشكل 1) 4. ومع ذلك، غالبا ما يلقى باللوم طبيعة ماء من الألياف الطبيعية وخصائص مسعور معظم اللدائن الحرارية ليؤدي ذلك إلى ضعف التصاق الألياف مصفوفة 5، والذي غالبا ما يؤدي إلى أداء الميكانيكية الفقراء من الناتج مركبات البوليمر المقوى بالألياف. لحل هذا التحدي، حاول العديد من الباحثين لتعديل كيميائيا أسطح الألياف الطبيعية 6،7. وتشمل هذه التعديلات الكيميائية أستلة 8، 9 silylation البوليمر تطعيم 10، علاجات الإيزوسيانات 11،12، واستخدام وكلاء اقتران maleated 13-17، وbenzoylation 18. على الرغم من هذه العلاجات الكيميائية جعلت الألياف الطبيعية أكثر مسعور، والناتجة الطبيعية الألياف تعزيزلا يزال د البوليمرات فشلت في تحقيق من حيث الأداء الميكانيكية 19. توماسون 20 افترضنا أن هذا الفشل يمكن أن يكون نتيجة للanisotropicity ومعامل الحراري الخطي عالية من التوسع من الألياف الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، تعاني أيضا من الألياف الطبيعية عيوب مثل درجة الحرارة محدودة تجهيز 21، دفعة إلى دفعة تقلب 3، قوة الشد منخفضة بالمقارنة مع الألياف الاصطناعية، مثل الزجاج، أراميد أو ألياف الكربون وعدم وجود عمليات التصنيع مناسبة ل إنتاج الألياف الطبيعية ومركبات البوليمر المقوى. وبالتالي، فإن استخدام الألياف الطبيعية كتعزيز لا تكون كافية لسد الفجوة الملكية الأداء المذكورة آنفا بين المواد الخضراء والبوليمرات الذي يعتمد على النفط.
Nanocellulose هو أخضر وكيل تعزيز الناشئة. على وجه الخصوص، أنتجت nanocellulose من البكتيريا، مثل من الأنواع الخلالة 22، المعروف أيضا باسم بكتيريا cellulosيخدم الإلكترونية كبديل للاهتمام لتصميم المواد الخضراء 23 نظرا لإمكانية استغلال صلابة عالية وقوة من بلورات السليلوز 24. وقدر صلابة من الكريستال السليلوز واحدة لتكون حوالي 100-160 برنامج العمل العالمي باستخدام حيود الأشعة السينية، رامان الطيفي والمحاكاة العددية 25-27. وهذا هو أعلى من الألياف الزجاجية ~ 70 برنامج العمل العالمي، والتي هي مع ذلك أكثر كثافة. السليلوز البكتيرية (BC) هو أيضا بطبيعتها نانو الحجم التي يبلغ قطرها حوالي 50 نانومتر، وعدة ميكرومتر في الطول 28. أبلغنا طريقة لمعطف الطبيعية (السيزال والقنب) الألياف مع طبقات من قبل الميلاد زراعة الخلالة xylinius في وجود الألياف الطبيعية 5،29،30. هذا أدى إلى تحسين التصاق بينية بين PLLA والألياف الطبيعية قبل الميلاد المغلفة 29،31. من أجل تبسيط عملية طلاء هذه الألياف، لي وآخرون 31 وضعت طريقة لطلاء الطبيعية (السيزال) عالم حواءالتمرير من دون استخدام المفاعلات الحيوية. وهذا الأسلوب يستند عملية غمس الطين، حيث يتم مغمورة ألياف السيزال الجافة في تعليق قبل الميلاد. امتدادا لهذا الأسلوب هو 32 لتصفية تعليق المياه التي تحتوي على ألياف السيزال فضفاضة وBC لإنتاج ألياف السيزال التشكيل مناسبة لهياكل نموذجية مركب التصنيع.
أظهرنا في هذه التجربة أن ألياف السيزال فضفاضة يمكن ربط مع ق. ومع ذلك، فإن اختيار الألياف لا يقتصر على ألياف السيزال فقط. أنواع أخرى من الألياف، مثل الكتان والقنب، ويمكن أن تستخدم أيضا. بالإضافة إلى هذا، لقد أظهرنا أيضا أن دقيق الخشب، الورق المعاد تدويره، وتذويب اللب ويمكن أيضا أن تكون ملزمة في التشكيل جامدة وقوية باستخدام الموثق قبل الميلاد (النتائج لم تنشر بعد). المعيار هو أن الألياف المستخدمة يجب أن يكون ماء وتمتص الماء. كما سبق ذكره، فإن طبيعة ماء من الألياف تمتص الماء، الرسم في BC التي فرقت في المتوسط. يتم تصفية قبل الميلاد ضد السطح من هذه الألياف ماء وتشكل طبقة من الطلاء قبل الميلاد عندما تم المجففة الألياف. في حين يمكن أن تودع السليلوز البكتيرية حول الألياف الطبيعية من خلال زراعة xylinus الخلالة في وجود الألياف الطبيعية 5، 29، 30، وهذه العملية شاقة وإعادةملازم المفاعلات الحيوية مكلفة مع رقابة مشددة من درجة الحموضة ومحتوى الأكسجين المذاب. لدينا تحسين العملية، من ناحية أخرى، ويستند على طريقة صناعة الورق (أي: تفريق الألياف الطبيعية في التعليق قبل الميلاد) وليس هناك حاجة لالمفاعلات الحيوية 31.
فيما يتعلق بتطبيق الألياف الطبيعية في المواد المركبة، موجهة بشكل عشوائي غير المنسوجة (قصيرة وموجهة بشكل عشوائي) ويتم إنتاج الألياف الطبيعية من خلال التشكيل اللكم إبرة (خياطة أساسا) ألياف البوليمر (عادة البوليستر) من خلال ألياف ضغط فضفاضة 33. لجعل المركب، وألياف التشكيل ثم يتم وضعها في قالب ويملؤه الراتنج. ويمكن أيضا أن تختلط مع ألياف البوليمرات ألياف الطبيعية 34 (عادة الكتان والقنب والجوت أو) أو فرقت في تعليق الألياف الطبيعية وفراغ تصفية 35 في ارتفاع نسبة حجم البوليمر (50 المجلد٪). ثم يتم تسخين هذا البوليمر الألياف الطبيعية الألياف حصيرة (التشكيل) في وقت لاحق لإذابة البوليمر عroduce هيكل المركبة. العمليات الأخيرة لإنتاج المواد المركبة هي في جوهرها قابلة لكنها محدودة عن طريق اختيار من ألياف البوليمر (يجب إذابة البوليمر عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التحلل من الألياف) التي يمكن استخدامها لجعل التشكيل، وبالتالي نوع من المصفوفات متاحة لجعل المركبة. باستخدام طريقة لدينا، BC لا تعمل ليس فقط باعتباره الموثق، فإنه يعمل أيضا على تعزيز 32 نانو. كما سبق ذكره، وقدر معامل يونج لnanofiber BC الفردية لتكون 114 برنامج العمل العالمي. في حين ان واحد قوة الشد من الألياف قبل الميلاد غير معروف، والشد من الخشب وألياف الغلالة تتأكسد TEMPO واحدة وقد تم قياس مؤخرا استخدام الموجات فوق الصوتية التجويف المستحث 36. وقد تم قياس قوة الشد من بين 0.8-1.5 جيغا لهذه ألياف النانو واحد. هذه الخصائص الميكانيكية، جنبا إلى جنب مع إمكانية الربط من قبل الميلاد، وجعلت BC مرشح ممتاز لإنتاج الخضراء حقا وموجهة بشكل عشوائي الناطور قصيرةآل المقوى بالألياف، ومركبات المقوى السليلوز البكتيرية المتجددة مع أداء الميكانيكية التي يتجاوز البوليمرات المقوى بالألياف التقليدية.
في فترة من تصنيع المركبة، عملية التصنيع لدينا المفضل هو مناقشة فراغ بمساعدة حقيبة مزدوجة الراتنج التسريب (DBVI) التي وضعتها والدروب وآخرون 37 وخلافا لأكثر تقليدية حقيبة واحدة فراغ بمساعدة الراتنج التسريب (المعروف أيضا باسم عملية سيمان 38)، DBVI توظف اثنين من أكياس فراغ مستقلة أثناء عملية ضخ (انظر الشكل 2). في حين أن عملية سيمان ستعمل لتصنيع المواد المركبة، وهذه العملية قد يعانون من حقيبة فراغ الاسترخاء وراء الجبهة تدفق الراتنج. عندما يحدث هذا، فإن المنطقة التي يحدث فيها استرخاء ويشعر لينة وإسفنجية. سوف الاسترخاء حقيبة فراغ يؤدي إلى حقيبة فراغ الابتعاد عن تدفق المتوسطة بسبب تدفق تفضيلية من الراتنج السائل في الطريق الأقل مقاومة. Tله سوف يتسبب في المركبة المصنعة لديك كسور حجم الألياف غير موحدة (أي منطقة استرخاء سوف يكون لها جزء حجم الألياف أقل من منطقة غير مريح من حقيبة فراغ). DBVI لا يعانون من هذا العيب، وحقيبة فراغ الداخلي يرتاح أبدا وراء الجبهة تدفق الراتنج السائل. ونتيجة لذلك، فإن الألواح المركبة مما أدى لديهم أعلى من متوسط نسبة حجم الألياف وسمك أكثر اتساقا. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام حقيبة فراغ الخارجي يوفر التكرار للنظام ويحسن سلامة الفراغ من عملية ضخ السائل.
The authors have nothing to disclose.
فإن الكتاب أود أن أشكر جامعة فيينا لدعم كايل ومجلس بحوث الهندسة والعلوم الفيزيائية المملكة المتحدة (EPSRC) للصندوق على المتابعة لتمويل SRS والعمل (EP/J013390/1).
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Bacterial cellulose | fzmb | 9004-34-6 | The CAS number is based on the CAS number for cellulose |
Sisal fibres | Wigglesworth & Co. Ltd, UK | – | The type of fibres can be substituted with any type of natural fibres |
Prime 20 ULV | SP Gurit | – | The type of resin can be substituted with any type of liquid resin designed for vacuum assisted resin infusion |
Formax standard sheet mould | Adirondack Machine Corporation | – | This piece of equipment could be replaced with a Büchner funnel. |
Vacuum pump | Edwards, UK | XDS 5 | |
Hot plate | Wenesco Inc, USA | HP 1836-AH | |
Porous PTFE coated glass release fabric | Tygavac Advaced Materials Ltd, UK | TFG075P | |
Omega tubes | Tygavac Advaced Materials Ltd, UK | Omegaflow 313 | |
Breather cloth | EasyComposites Ltd, UK | – | |
Pressure sensitive tapes | Aerovac, UK | SM5127 | |
Vacuum bagging film (FEP) | Tygavac Advaced Materials Ltd, UK | RF260 | |
Vacuum bagging film (Nylon) | Aerovac, UK | Capran 519 |