Vi presenterar en ny metod för framställning av styva och robusta korta naturliga fiberförformar med användning av en papperstillverkningsprocess. Bakteriell cellulosa fungerar samtidigt som bindemedlet för de lösa fibrerna och ger styvhet till de fiberförformar. Dessa flaskämnen kan infunderas med en harts för att producera verkligt grön hierarkiska kompositer.
Ett nytt förfarande för tillverkning av styva och robusta naturliga fiberförformar presenteras här. Denna metod är baserad på en papperstillverkningsprocess, varvid lös och korta sisalfibrer dispergeras in i en vattensuspension innehållande bakteriecellulosa. Fibern och nanocellulosa suspensionen filtreras därefter (med användning av vakuum eller tyngdkraften) och den våta filterkakan pressas för att klämma ut eventuellt överskott av vatten, följt av ett torkningssteg. Detta kommer att resultera i hornification av bakteriecellulosa nätverk håller de lösa naturfibrer tillsammans.
Vår metod är speciellt lämpad för tillverkning av styva och robusta förformer av hydrofila fibrer. Den porösa och hydrofila naturen hos sådana fibrer resulterar i signifikant vattenupptagning, dra i den bakteriella cellulosan dispergeras i suspensionen. Den bakteriecellulosa kommer därefter att filtreras mot ytan av dessa fibrer, som utgör en bakteriecellulosa beläggning. När den lösa fiberbakteriecellulos suspensionen filtreras och torkas, bildar intilliggande bakteriecellulosa ett nätverk och hornified att hålla de i övrigt lösa fibrer tillsammans.
Införandet av bakteriecellulosa in i förformen resulterade i en betydande ökning av de mekaniska egenskaperna hos de fiberförformar. Detta kan hänföras till den höga styvheten och styrkan hos den bakteriecellulosa nätverk. Med denna förform kan förnybara högpresterande hierarkiska kompositer också framställas genom användning av konventionella kompositproduktionsmetoder, såsom hartsfilm infusion (RFI) eller hartssprutpressning (RTM). Här beskriver vi också tillverkning av förnybara hierarkiska kompositer med användning av dubbelpåsen vakuumassisterad hartsinfusion.
Stadigt ökande oljepriser och allmänhetens växande efterfrågan på en hållbar framtid har utlöst och återupplivat den forskning och utveckling av gröna material, speciellt polymerer och kompositer. Tyvärr är ofta sämre än den termomekaniska prestanda gröna eller förnybara polymerer jämfört med traditionella petroleumbaserade polymerer 1. Till exempel, kommersiellt tillgänglig polylaktid (PLA) och polyhydroxibutyrat (PHB) är spröda och har låga värmedistortionstemperaturer. En lösning för att skapa förnyelsebara material som matchar eller till och med överträffar resultatet för vanligen använda petroleumbaserade konstruktionsmaterial är att lära av det förflutna; Henry Ford använde en sammansatt strategi, det vill säga att kombinera bio-based/renewable polymerer med en förstärkning 2, för att förbättra egenskaperna hos förnyelsebara polymerer. Det hävdas ofta att naturliga fibrer fungerar som idealisk kandidat som förstärkning på grund av deras låga kostnader, låg densitet, renewabiliTy och bionedbrytbarhet 3. Naturliga fiberkompositer har sett en renässans på 1990-talet som kan ses av den exponentiella ökningen av antalet fackgranskade vetenskapliga publikationer (figur 1) 4. Emellertid är den hydrofila naturen hos naturliga fibrer och hydrofoba egenskaper hos de flesta termoplaster ofta skulden för att resultera i dålig fibermatrisvidhäftning 5, vilket ofta resulterar i dåliga mekaniska egenskaper hos de resulterande fiberarmerade polymerkompositer. För att lösa denna utmaning, många forskare försökt att kemiskt förändra ytorna av naturliga fibrer 6,7. Dessa kemiska modifieringar innefattar acetylering 8, silylering 9, polymer ympning 10, isocyanat behandlingar 11,12, användning av maleinsyrabehandlade kopplingsmedel 13-17, och bensoylering 18. Även om dessa kemiska behandlingar har gjort naturfibrer mer hydrofoba, det resultenaturfiber-förstärkad polymerer misslyckades ändå att leverera i form av mekanisk prestanda 19. Thomason 20 hypoteser om att detta misslyckande kan vara ett resultat av den anisotropicity och den höga linjära värmeutvidgningskoefficienten hos naturliga fibrer. Utöver detta, naturliga fibrer lider också av nackdelar såsom begränsad bearbetningstemperatur 21, batch-till-batch-variabilitet 3, låg draghållfasthet i jämförelse med syntetiska fibrer, såsom glas-, aramid-eller kolfibrer och avsaknaden av lämpliga tillverkningsprocesser för att producera naturliga fibrer armerade polymerkompositer. Således, med hjälp av naturliga fibrer som förstärkning inte kommer att vara tillräcklig för att stänga den ovannämnda egenskapen-prestanda mellan gröna material och petroleumbaserade polymerer.
Nanocellulosa är ett framväxande grön förstärkningsmedel. I synnerhet nanocellulosa produceras av bakterier, till exempel från Acetobacter art 22, även känd som bakterie cellulose utgör ett intressant alternativ för utformningen av gröna material 23 på grund av möjligheten att utnyttja den höga styvheten och styrkan hos cellulosakristaller 24. Styvheten i en enda cellulosakristall uppskattades till cirka 100-160 GPa använder röntgendiffraktion, Ramanspektroskopi och numeriska simuleringar 25-27. Detta är högre än glasfiber ~ 70 GPa, som är dock mycket tätare. Bakteriell cellulosa (BC) är också i sig nanostorlek med en diameter av ungefär 50 nm och flera mikrometer i längd 28. Vi rapporterade en metod att belägga naturliga (sisal och hampa) fibrer med lager av BC genom odling Acetobacter xylinius i närvaro av naturliga fibrer 5,29,30. Detta ledde till förbättrad gränsyteadhesion mellan PLLA och BC-belagda naturliga fibrer 29,31. För att förenkla processen för att belägga dessa fibrer, al. Lee et 31 utvecklat ett förfarande för beläggning av naturliga (sisal) fibers utan användning av bioreaktorer. Denna metod är baserad uppslamningen doppningsprocess, varigenom torra sisalfibrer är nedsänkta i en BC suspension. En förlängning av denna metod 32 är att välja vattensuspension innehållande lösa sisalfibrer och BC att producera sisal fiberförformar lämpliga för typisk kompositstrukturer tillverkning.
Vi har visat i detta försök att lösa sisalfibrer kan bindas med BC. Emellertid är valet av fibrer inte begränsat till bara sisalfibrer. Andra typer av fibrer, såsom lin och hampa, kan också användas. Utöver detta har vi också visat att trämjöl, återvunnet papper, och dissolvingmassa kan också bindas till stela och robusta flaskämnen med hjälp av en BC bindemedel (resultat ej publicerat ännu). Kriteriet är att fibrerna som används bör vara hydrofila och absorberar vatten. Såsom nämnts ovan kommer den hydrofila naturen hos fibrerna absorberar vatten, dra i BC som är dispergerad i mediet. BC filtreras mot ytan av dessa hydrofila fibrer och bildar ett skikt av BC beläggning när fibrerna torkades. Även bakteriecellulosa kan avsättas runt naturfibrer genom odling av Acetobacter xylinus i närvaro av naturfibrer 5, 29, 30, är den här processen arbetsam och rekräver dyra bioreaktorer med strikt kontroll av pH-värdet och halten löst syre. Vår förbättrade förfarandet, å andra sidan, bygger på en papperstillverkningsmetod (dvs: dispergering av naturliga fibrer i en BC-suspension) och det finns inget behov av bioreaktorer 31.
När det gäller tillämpningen av naturliga fibrer i kompositer, slumpmässigt orienterade non-woven (kort och slumpvis orienterade) är naturligt fiberförformar producerad av nålfiltning (huvudsakligen sy) polymerfibrer (oftast en polyester) genom lösa kompakterade fibrer 33. För att göra en komposit, är fiberförformar placeras sedan i en form och den sista med ett harts. Polymerer fibrer kan också blandas med naturliga fibrer 34 (typiskt lin, hampa eller jute) eller dispergeras i en naturlig fibersuspension och vakuumfiltreras 35 vid hög polymervolymfraktion (50 vol.%). Denna polymerfibernaturfibermatta (förform) bringas sedan därefter upphettas för att smälta polymeren till produce en kompositstruktur. De senare processerna för framställning av kompositer är inneboende skalbar men begränsas av valet av polymerfibrer (polymeren skulle smälta vid temperaturer lägre än nedbrytningstemperaturen för fibrerna) som kan användas för framställning av förformar och således vilken typ av matriser tillgängliga att göra kompositer. Med vår metod, ger BC inte bara fungera som ett bindemedel, fungerar den också som en nano-förstärkning 32. Som tidigare nämnts var Youngs modul för en enskild BC nanofiber beräknas till 114 GPa. Medan den enda vars draghållfasthet BC inte är känd, draghållfasthet av enstaka TEMPO-oxiderad trä-och manteldjurs fibrer har nyligen mätt med ultraljud inducerad kavitation 36. En draghållfasthet på mellan 0,8 till 1,5 GPa mättes för dessa enstaka nanofibrer. Dessa mekaniska egenskaper, tillsammans med den bindande potential BC, gjorde BC en utmärkt kandidat för att framställa verkligt grön och slumpvis orienterade korta natural fiberarmerade, bakteriella cellulosaförstärkta förnybara kompositer med mekanisk prestanda som överträffar konventionella fiberförstärkta polymerer.
På sikt av komposittillverkning, är vår föredragna tillverkningsprocessen det diskuterade dubbel påse vakuumassisterad hartsinfusion (DBVI) som utvecklats av Waldrop et al. 37 Till skillnad från den mer konventionella enda påse vakuumassisterad hartsinfusion (även känd som den Seemann process 38), DBVI utnyttjar två oberoende vakuumpåsar under infusionsprocessen (se Figur 2). Medan Seemann processen kommer att fungera för tillverknings kompositer kan denna process lider av vakuumpåsen avkoppling bakom flödesfront av hartset. När detta sker, kommer det område där avslappning sker kännas mjuk och svampig. Den vakuumpåse avkoppling resulterar i vakuumpåsen rör sig bort från flödesmediet på grund av den företrädesvätskeflödet harts i minsta motståndets väg. Thans kommer att orsaka de tillverkade kompositer att ha olikformiga fibervolymfraktioner (dvs. avslappnad område kommer att ha en lägre fibervolymfraktion än den icke-avslappnad område av vakuumpåsen). DBVI lider inte av denna nackdel, eftersom det inre vakuumpåsen slappnar aldrig bakom flödesfronten av det flytande hartset. Som ett resultat kommer de resulterande kompositpaneler har högre än genomsnittlig fibervolymfraktion och mer enhetlig tjocklek. Dessutom är användningen av den yttre vakuumpåsen åstadkommer en redundans i systemet och förbättrar vakuum integriteten hos vätskeinfusionsprocessen.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka universitetet i Wien för att stödja KYL och Storbritannien Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC) för en uppföljning fond för finansiering SRS och arbetet (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 |