我们提出了一种新的制造坚固耐用的天然短纤维预制件用造纸工艺的方法。细菌纤维素同时充当粘合剂的松散的纤维,并提供刚性的纤维预型件。这些预成型件可以被注入的树脂,以产生真正的绿色分级复合材料。
制造坚固耐用的天然纤维预制件的一种新方法,在这里提出。此方法是基于造纸工艺,从而松动和短剑麻纤维分散成水悬浮液含细菌纤维素。纤维和纳米纤维素悬浮液,然后过滤(使用真空或重力)和湿滤饼压挤出多余的水,然后进行干燥步骤。这将导致细菌纤维素网络的hornification,保持松散天然纤维粘合在一起。
我们的方法特别适用于亲水性纤维的刚性和强大的预制棒的制造。这类纤维的多孔和亲水性质导致显著水分吸收,在细菌纤维素分散在悬浮液中绘制。细菌纤维素将被过滤对这些纤维的表面,形成一个细菌纤维素涂层。当松散的纤维细菌细胞ULOSE悬浮液过滤并干燥,相邻的细菌纤维素形成网络和hornified持有否则松散纤维粘结在一起。
引入细菌纤维素在预成型体中产生的纤维预成型件的机械性能显著增加。这可以归因于高刚性的细菌纤维素的网络和强度。与此预成型体,可再生高性能分层复合材料,也可以通过使用常规的复合材料的生产方法,如树脂膜渗透(RFI)或树脂传递模塑(RTM)制造。在这里,我们也采用双层袋真空辅助树脂灌注描述的可再生分层复合材料制造。
稳步上升的油价和公众对可持续发展的未来不断增长的需求已经引发和恢复的绿色环保材料,特别是聚合物和复合材料的研究和开发。不幸的是,相比于传统的基于石油的聚合物1的绿色或可再生聚合物的热-机械性能通常较差。例如,市售的聚乳酸(PLA)和聚羟基丁酸酯(PHB)是脆,具有低的热变形温度。创建匹配甚至超过常用的基于石油的工程材料的性能可再生材料中的一种解决方案是从过去的学习;亨利福特使用的复合策略, 即结合bio-based/renewable聚合物与加强件2,以提高可再生聚合物的性能。人们常常声称,天然纤维,因为其成本低,密度低,renewabili的作为理想的候选人加固TY和生物降解性3。天然纤维复合材料已经看到了复兴在20世纪90年代作为可通过同行审查的科学出版物的数量( 图1)4的指数增长可以看出。然而,天然纤维和大多数热塑性塑料的疏水特性的亲水性往往归咎于到导致较差的纤维-基质粘附5,这通常会导致所得到的纤维增强的聚合物复合材料的机械性能较差。为解决这一难题,许多研究者试图进行化学改性的天然纤维6,7的表面上。这些化学修饰包括乙酰化8,9甲硅烷基化,高分子接枝10,异氰酸酯治疗11,12,使用马来酸偶联剂13-17,和苯甲酰18。尽管这些化学处理已提供天然纤维疏水性更强,由此产生的天然纤维增强ð聚合物依然未能在机械性能方面19交付。托马森20推测,此故障可能是anisotropicity和扩大天然纤维的高线性热膨胀系数的结果。除了 这一点,天然纤维也从缺点,如有限的处理温度21,批与批之间的变化3,低拉伸强度相比,合成纤维,诸如玻璃,芳族聚酰胺纤维或碳纤维和缺乏合适的制造工艺,以患产生增强聚合物复合材料的天然纤维。因此,使用天然纤维作为加固将不足以关闭绿色材料和石油基聚合物之间的上述属性能隙。
纳米纤维素是一种新兴的绿色补强剂。特别地,纳米纤维素的细菌,如由醋杆菌属物种22,也被称为细菌cellulos产生Ë作为由于利用高刚度纤维素晶体24和 实力的可能性一个有趣的选择为绿色环保材料23的设计。单一纤维素晶体的刚度估计为约100-160 GPA用X-射线衍射,喇曼光谱和数值模拟25-27。这是比玻璃纤维〜70 GPa时,这不过是更加密集高。细菌纤维素(BC)也是固有的纳米尺寸的直径为约50纳米和几微米,长度28。我们通过在天然纤维5,29,30的存在下培养醋xylinius报道的方法,以天然外衣(剑麻和大麻)纤维与BC层。这导致了PLLA和BC包覆天然纤维29,31之间改进的界面粘合性。为了简化涂覆这些纤维的过程中,Lee 等人开发的31涂覆天然(剑麻)FIBE的方法RS在不使用的生物反应器。这种方法是基于淤浆浸渍法,由此干燥剑麻纤维被浸入到BC悬浮液。这种方法32的延伸是滤除水中悬浮物含松剑麻纤维和BC,生产适合于典型的复合材料结构制造剑麻纤维预制件。
我们已经表明在这个实验是松散的剑麻纤维可以绑定BC。但是,纤维的选择并不限于只是剑麻纤维。其他类型的纤维,如亚麻,大麻的,也可以使用。除了这一点,我们还表明,木粉,再生纸和溶解浆也可以使用BC粘合剂(尚未公布结果)装订成坚固耐用的瓶坯。该准则是,所用的纤维应为亲水性和吸水性。如前面提到的,该纤维的亲水性会吸收水分,在被分散在介质中的BC绘制。对BC过滤针对这些亲水性纤维的表面上,形成一层公元前涂层时将纤维干燥。虽然细菌纤维素可以围绕天然纤维在天然纤维5,29,30的存在下培养醋xylinus沉积,这个过程是艰苦和重张塌塌昂贵的生物反应器与严格控制pH值和溶解氧含量。我们的改进方法,在另一方面,是基于一种造纸方法( 即 :在BC悬浮液分散天然纤维),也没有必要对生物反应器31。
随着问候天然纤维复合材料,随机取向的非织造(短期和随机取向)天然纤维预制件是由针刺生产通过压实松散纤维33(基本上拼接)聚合物纤维(通常为聚酯)的应用程序。制成一复合物,该纤维预成型件,然后放置在一个模具中,注入的树脂。聚合物纤维还可以混合天然纤维34(通常为亚麻,大麻,或黄麻)或分散在天然纤维悬浮液并真空过滤35在高分子量部分(50体积%)。此聚合物纤维的天然纤维垫(预制件),然后再将其加热至熔融聚合物为produce的复合结构。制备复合材料的后处理在本质上是可扩展的,而是由聚合物纤维的选择是有限的(在聚合物熔体应在温度高于该纤维的分解温度较低),可用于制作预成型体,因此,矩阵的类型可使复合材料。用我们的方法,BC不只是起到粘结剂的作用,它也可作为纳米加固32。如前面提到的,杨氏模量的单个BC纳米纤维的估计为114 GPA。而BC的单纤维拉伸强度是不知道,单TEMPO氧化的木和被囊动物纤维的抗拉强度最近已经使用超声诱导空化36计量。的GPA 0.8-1.5之间的拉伸强度是衡量这些单纳米纤维。这些机械性能,随着BC的结合潜力,公元前做一个出色的候选人,生产真正的绿色和随机取向的短自然色人纤维增强,细菌纤维素纤维增强复合材料的再生与机械性能超出常规的纤维增强聚合物。
在复合材料制造的术语,我们的优选的制造过程中是所讨论的双袋真空辅助树脂灌注(DBVI)由沃尔德罗普等 37不同的是更传统的单个袋真空辅助树脂灌注(也被称为塞曼过程38),DBVI开发在输液过程中(参见图2)采用了两个独立的真空包装袋。而塞曼过程将适用于制造复合材料,该过程可能受到树脂的流动前锋后面真空袋松弛。发生这种情况时,松弛的地方出现的区域会感觉柔软海绵。真空袋松弛将导致真空袋远离流动介质,由于液态树脂中阻力最小的路径的优先流。 Ŧ其会导致所制造的复合材料具有非均匀的纤维体积分数( 即松弛区域将具有较低的纤维体积分数大于真空袋的非放松区)。 DBVI不会从这个缺点苦,作为内真空袋从不放松的液态树脂的流动前锋的后面。其结果,所得到的复合材料板将具有比平均纤维体积分数和更均匀的厚度高。此外,使用的外真空袋提供了冗余的系统,提高了液体注入过程中的真空完整性。
The authors have nothing to disclose.
作者要感谢维也纳大学的支持KYL和英国工程和物理科学研究理事会(EPSRC)的资助为SRS和工作(EP/J013390/1)的后续基金。
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 |