Vi presenterer en ny fremgangsmåte for fremstilling av stive og robuste korte naturlige fiberemner ved hjelp av en papirfremstillingsprosess. Bakteriell cellulose virker samtidig som bindemiddel for de løse fibrer og gir stivhet til fiberemner. Disse emnene kan være fylt med en harpiks å produsere virkelig grønne hierarkiske kompositter.
En ny metode for produksjon av stive og robuste naturlig fiber preforms er presentert her. Denne metoden er basert på en papirfremstillingsprosess, hvorved løs og korte sisal fibre er dispergert i en vannsuspensjon inneholdende bakteriell cellulose. Den fiber-og nanocellulose suspensjon blir så filtrert (ved hjelp av vakuum eller tyngdekraften), og den våte filterkaken ble presset for å presse ut overflødig vann, etterfulgt av et tørketrinn. Dette vil resultere i hornification av den bakterielle cellulose-nettverk, som holder de løse naturlige fibre sammen.
Vår fremgangsmåte er spesielt egnet for fremstilling av stive og robuste preforms av hydrofile fibre. Det porøse og hydrofile natur av slike fibre resulterer i betydelige vannopptak, og trekker i den bakterielle cellulose dispergert i suspensjonen. Den bakterielle cellulose blir deretter filtrert mot overflaten av disse fibrene, som danner en bakteriell cellulose-belegg. Når den løse fiber-bakteriell celleulose suspensjonen filtreres og tørkes, danner den tilstøtende bakteriell cellulose et nettverk og hornified å holde de ellers løse fibrer sammen.
Innføringen av bakteriell cellulose i emnet resulterte i en betydelig økning av de mekaniske egenskapene til fiberemner. Dette kan tilskrives den høye stivhet og styrke av den bakterielle cellulose-nettverket. Med denne preform, kan fornybare høy ytelse hierarkiske kompositter også fremstilles ved bruk av konvensjonelle kompositt produksjonsmetoder, slik som harpiksfilm infusjon (RFI) eller harpiksoverføringsstøping (RTM). Her har vi også beskrive produksjon av fornybare hierarkiske kompositter ved hjelp av dobbel pose vakuum assistert harpiks infusjon.
Stadig økende oljepriser og publikums økende etterspørsel for en bærekraftig fremtid har utløst og gjenopplivet den forskning og utvikling av grønne materialer, spesielt polymerer og kompositter. Dessverre er det termomekaniske ytelse av grønne eller fornybar polymerer ofte dårligere sammenlignet med tradisjonelle petroleumsbaserte polymerer en. For eksempel er kommersielt tilgjengelig polylaktid (PLA), og polyhydroxybutyrat (PHB) er sprø og har lav varmeforvrengningstemperaturer. En løsning for å skape fornybare materialer som passer eller til og med overgå ytelsen til vanlig brukte petroleumsbasert engineering materialer er å lære av fortiden; Henry Ford benyttet en sammensatt strategi, det vil si å kombinere bio-based/renewable polymerer med en forsterkning 2, for å forbedre egenskapene til fornybare polymerer. Det er ofte hevdet at naturlige fibre tjener som ideell kandidat som forsterkning på grunn av deres lave pris, lav densitet, renewabiliTy og nedbrytbarhet tre. Naturlig fiberkompositter har sett en renessanse på 1990-tallet som kan sees av den eksponentielle økningen i antall fagfellevurderte vitenskapelige publikasjoner (Figur 1) 4. Imidlertid er den hydrofile naturen av naturfibre og hydrofobe egenskaper ved de fleste termoplastmaterialer ofte skylden for å resultere i dårlig fiber-matrise 5 adhesjon, noe som ofte resulterer i dårlige mekaniske egenskaper av de resulterende fiberforsterkede polymerkompositter. For å løse denne utfordringen mange forskere forsøkt å kjemisk modifisere overflaten av naturlige fibre 6,7. Disse kjemiske endringene omfatter acetylering 8, silylering 9, polymer pode 10, isocyanat behandlinger 11,12, bruk av maleated kopling agenter 13-17, og benzoylering 18. Selv om disse kjemiske behandlinger er gjengitt naturlige fibre mer hydrofob, den resulterende naturlig fiber-styrked polymerer fortsatt ikke klarte å levere i form av mekanisk ytelse 19. Thomason 20 hypotese at denne svikt kan være et resultat av anisotropicity og den høye lineære termiske utvidelseskoeffisient av naturlige fibre. I tillegg til dette, naturlige fibre lider også av ulemper som begrenset bearbeidingstemperatur 21, batch-til-batch-variabilitet 3, lav strekkfasthet sammenlignet med syntetiske fibre, slik som glass, aramid-eller karbonfibre, og mangelen på egnede produksjonsprosesser for å produsere naturlige fibre forsterket polymer kompositter. Således, ved hjelp av naturlige fibre som forsterkning vil ikke være tilstrekkelig til å lukke den nevnte egenskapen ytelse gap mellom grønne materialer og petroleumbaserte polymerer.
Nanocellulose er en ny grønn forsterkende agent. Spesielt nanocellulose produsert av bakterier, for eksempel fra Acetobacter arter 22, også kjent som bakterielle cellulosee tjener som et interessant alternativ for utformingen av grønt materiale 23 på grunn av muligheten for å utnytte den høye stivhet og styrke for cellulosekrystaller 24. Stivheten av en enkelt cellulose krystaller ble estimert til å være omlag 100 til 160 GPa ved hjelp av røntgen-diffraksjon, Raman-spektroskopi og numeriske simuleringer 25-27. Dette er høyere enn glassfibre ~ 70 GPa, som er derimot mye tettere. Bakteriell cellulose (BC) er også iboende nano-størrelse med en diameter på omtrent 50 nm og flere mikrometer i lengde 28.. Vi har rapportert en fremgangsmåte til å belegge naturlige (sisal og hamp) fibre med lag av BC ved dyrking av Acetobacter xylinius i nærvær av naturlige fibre 5,29,30. Dette førte til økt grense vedheft mellom PLLA og BC-belagte naturlige fibre 29,31. For å forenkle prosessen med å belegge disse fibrene, Lee et al. 31. utviklet en fremgangsmåte for å belegge naturlige (sisal) fibers uten bruk av bioreaktorer. Denne metoden er basert slurry dyppeprosessen, hvorved tørre sisalhamp er nedsenket i en BC suspensjon. En utvidelse av denne metoden 32 er å filtrere vannet suspensjon som inneholder løse sisalhamp og BC å produsere sisal fiber preforms egnet for typiske sammensatte strukturer produksjon.
Vi har vist at i dette forsøk at løse sisalhamp kan bindes med BC. Imidlertid er valget av fibre ikke er begrenset til bare sisalhamp. Andre typer fibre, slik som lin og hamp, kan også anvendes. I tillegg til dette, har vi også vist at tremel, resirkulert papir, og oppløsende papirmasse kan også være bundet inn i stive og robuste preforms ved hjelp av en BC bindemiddel (resultater ikke offentliggjort ennå). Kriteriet er at fibrene som benyttes bør være hydrofilt og absorberer vann. Som tidligere nevnt, vil den hydrofile karakter av fibrene absorberer vann, og trekker i BC som er dispergert i mediet. Den BC filtreres mot overflaten av disse hydrofile fibrene og danner et lag av BC-belegg når fibrene ble tørket. Mens bakteriell cellulose kan avsettes rundt naturlige fibre ved dyrking av Acetobacter xylinus i nærvær av naturlige fibre 5, 29, 30, er arbeidskrevende og re denne prosessquires dyre bioreaktorer med streng kontroll av pH og oppløst oksygeninnhold. Vår forbedret prosess, på den annen side, er basert på en papirfremstillingsmetode (dvs.: dispergering av naturlige fibre i en suspensjon BC), og det er ikke behov for bioreaktorer 31.
Med hensyn til anvendelsen av naturfiber i kompositter, tilfeldig orienterte ikke-vevet (kort og tilfeldig orientert) naturlig fiber preforms er produsert av nålstansing (egentlig sy) polymer fiber (vanligvis en polyester) gjennom løse komprimerte fibre 33. For å lage en kompositt, blir det fiberemner deretter plassert i en form og fylt med en harpiks. Polymerer fibre kan også blandes med naturlige fibre 34 (typisk lin, hamp eller jute) eller dispergert i en naturlig fibersuspensjon og vakuum filtrert 35 ved høy polymer volumfraksjon (50 vol.%). Denne polymerfiber-naturlige fibermatte (preform) blir deretter oppvarmet for å smelte polymeren i produce en sammensatt konstruksjon. De sistnevnte prosesser for fremstilling av kompositter er ubetinget skalerbar, men er begrenset av valget av polymerfibre (polymeren bør smelte ved en temperatur som er lavere enn nedbrytningstemperaturen av fibrene) som kan brukes til å lage emnene, og derfor den type matriser tilgjengelig å lage kompositter. Ved hjelp av vår metode, betyr BC ikke bare fungere som et bindemiddel, fungerer det også som en nano-forsterkning 32. Som nevnt ovenfor, ble Youngs modulus til et individ BC nanofiber beregnet til 114 GPa. Mens enkelt fiber strekkfasthet BC er ikke kjent, og strekkfastheten av enkelt-TEMPO oksidert tre og tunicate fibre nylig blitt målt ved hjelp av ultrasonisk kavitasjon indusert 36.. En strekkstyrke på mellom 0,8 til 1,5 GPa ble målt for disse enkelt nanofibers. Disse mekaniske egenskaper, sammen med binde potensialet av BC, BC gjort en utmerket kandidat for å produsere helt grønt og tilfeldig orienterte korte natural fiberarmert, bakterielle celluloseforsterket fornybare sammensetninger med mekanisk ytelse som overgår vanlige fiberforsterkede polymerer.
På sikt av kompositt produksjon, er vår foretrukne fremstillingsprosessen diskutert dobbel pose vakuumassistert harpiks infusjon (DBVI) utviklet av Waldrop et al. 37. I motsetning til den mer konvensjonelle enkelt pose vakuumassistert harpiks infusjon (også kjent som Seemann prosess 38), DBVI anvender to uavhengige vakuumposer under blandingsprosess (se figur 2). Mens Seemann prosessen vil fungere for fremstilling av kompositter, kan denne prosess lider av vakuumposen avslapning bak strømnings forsiden av harpiksen. Når dette skjer, vil området hvor avslapning oppstår føles myk og svampete. Den vakuumposen avslapning vil resultere i vakuumposen beveger seg bort fra strømningsmediet på grunn av preferansestrømmen av flytende harpiks i det minste motstands vei. Tsitt vil forårsake at produsert kompositter å ha ikke-ensartet fibervolumfraksjoner (dvs. den avslappede, vil ha en lavere volumfraksjon fiber enn non-avslappet område av vakuumposen). DBVI ikke lider av denne ulempe, da den indre vakuumposen aldri slapper bak strømnings forsiden av det flytende harpiks. Som et resultat, vil den resulterende sammensatte paneler har høyere enn gjennomsnittlig fibervolumfraksjon og en jevnere tykkelse. Videre har bruken av den ytre vakuumpose gir en redundans i systemet og forbedrer vakuum integriteten til det flytende blandingsprosess.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne ønsker å takke Universitetet i Wien for å støtte KYL og Storbritannia Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC) for en Follow-on Fond for finansiering SRS og arbeidet (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 |