我々は、製紙プロセスを使用して剛性で堅牢な短天然繊維プリフォームを製造する新規な方法を提示する。バクテリアセルロースは緩い繊維の結合剤として同時に機能し、繊維プリフォームに剛性を提供します。これらのプリフォームは、真緑色階層複合体を生成するために樹脂を注入することができる。
剛性かつ堅牢な天然繊維のプリフォームを製造する新規な方法がここに提示されている。この方法は、ほつれや短サイザル繊維がバクテリアセルロースを含有する水懸濁液中に分散され、それによって製紙プロセスに基づいている。繊維およびnanocellulose次いで懸濁液を(真空または重力を使用して)、濾過し、湿ったフィルターケーキを乾燥工程に続いて任意の過剰の水を絞り出すように押圧される。これは緩い天然繊維を一緒に保持し、バクテリアセルロースネットワークの角質化になります。
我々の方法は、親水性繊維の剛性かつ堅牢なプリフォームの製造のために特別に適しています。このような繊維の多孔性と親水性の性質は、懸濁液中に分散させたバクテリアセルロースの描画、かなりの水の取り込みになる。バクテリアセルロースは、次いで、バクテリアセルロースのコーティングを形成する、これらの繊維の表面に濾過される。ときは緩い繊維 – 細菌細胞ウロース懸濁液を濾過し、乾燥させ、隣接したバクテリアセルロースの形態のネットワークと一緒にそれ以外の緩んだ繊維を保持するために角質化されている。
プリフォームへのバクテリアセルロースの導入は、繊維プリフォームの機械的特性の有意な増加をもたらした。これは、バクテリアセルロースネットワークの高い剛性と強度に起因し得る。このプリフォームと、再生可能な高性能な階層型複合材料はまた、樹脂フィルム注入(RFI)、樹脂トランスファー成形(RTM)のような従来の複合材料の製造方法を用いて製造することができる。ここで、我々はまた、樹脂注入を支援し、二重袋真空を使用して再生可能な階層的な複合材料の製造について説明します。
着実に増加し、原油価格と持続可能な未来のための国民の需要の高まりをきっかけと緑の材料、特にポリマーおよび複合材料の研究開発を復活させました。残念ながら、緑または再生可能なポリマーの熱機械的性能は、従来の石油系ポリマー1に比べて劣っていることが多い。例えば、市販のポリ乳酸(PLA)およびポリヒドロキシブチレート(PHB)は脆く、低い熱変形温度を有する。一致するかさえも一般的に使用される石油系のエンジニアリング材料の性能を超えて再生可能な材料を作成するための一つの解決策は、過去から学ぶことです。ヘンリー·フォードは、再生可能なポリマーの特性を向上させるために、 すなわち、補強材2とbio-based/renewableポリマーを合成し、複合戦略を用いる。それは、多くの場合、天然繊維が原因で、低コスト、低密度、renewabiliの補強材として理想的な候補として役立つと主張しているTYと生分解性3。天然繊維複合材料は、査読付きの科学出版の数が指数関数的に増加します( 図1)4から分かるように1990年代にルネサンスを見てきました。しかし、天然繊維、最も熱可塑性樹脂の疎水性特性の親水性は、多くの場合、多くの場合、得られた繊維強化ポリマー複合材料の貧弱な機械的性能をもたらし貧しい繊維-マトリックス接着5、もたらすと非難している。この課題を解決するために、非常に多くの研究者は、化学的に天然繊維6,7の表面を変更しようとしました。これらの化学修飾は、アセチル化8、シリル9、10をグラフトポリマーは、イソシアネートトリートメント11,12、マレイン化カップリング剤13から17の使用、およびベンゾイル18が含まれています。これらの化学治療は天然繊維をより疎水性にしているにもかかわらず、自然に生じた繊維強化Dポリマーは、依然として機械的性能の19の点でお届けすることができなかった。トマソン20は、この障害がanisotropicityと天然繊維の拡大、高線熱膨張係数の結果である可能性があることを仮定した。これに加えて、天然繊維はまた、限られた処理温度21、バッチ間のばらつき3、ガラス、アラミドまたは炭素繊維および適切な製造プロセスの欠如などの合成繊維と比較して低い引張強度などの欠点があるポリマー複合強化天然繊維を生産する。このように、補強材として天然繊維を使用することで、グリーン素材や石油系ポリマー間、上記の特性パフォーマンスのギャップを埋めるには十分ではないでしょう。
Nanocelluloseは、新興緑の補強剤である。特に、nanocelluloseな細菌cellulosとして知られている酢酸菌種 22からの細菌によって産生されるEは、セルロースの結晶24の高剛性と強度を悪用する可能性のエコ素材23の設計のための興味深い代替として機能します。単結晶セルロースの剛性は、X線回折、ラマン分光法および数値シミュレーションを用いて約25〜27 100〜160 GPaであると推定された。しかし、これは非常に緻密であり、ガラス繊維〜70 GPaの、より高い。バクテリアセルロース(BC)は、本質的にナノサイズの約50ナノメートル、長さ28数μm径のです。私たちは、天然繊維5,29,30の存在下で、 アセトバクター·xyliniusを培養することにより、BCの層でコートナチュラル(サイザル麻)繊維にする方法を報告した。これは、PLLAとBCでコーティングされた天然繊維29,31との間に改善された界面接着につながった。これらの繊維を被覆するプロセスを簡略化するために、Lee ら 31は、天然(サイザル)FIBEをコーティングする方法を開発したバイオリアクターを使用せずにRS。乾燥サイザル繊維がBC懸濁液中に浸漬されることにより、この方法は、スラリー浸漬処理をしています。この方法32の延長部は、典型的な複合構造の製造に適したサイザル繊維プリフォームを製造するために緩いサイザル麻繊維及びBCを含有する水懸濁液をフィルタリングすることである。
私たちは、緩いサイザル麻の繊維は紀元前にバインドできることをこの実験で示されている。しかしながら、繊維の選択は、単にサイザル麻繊維に限定されるものではない。例えば、亜麻、麻等の他の種類の繊維を使用することもできる。これに加えて、我々はまた、木粉、再生紙、パルプはまた、BCバインダー(結果はまだ公開されていない)を用いて剛性で堅牢なプリフォームに結合させることができる溶解を示した。基準は、使用される繊維は親水性で、水を吸収しなければならないということである。前述のように、繊維の親水性媒体中に分散さBCの描画、水を吸収する。 BCは、これらの親水性繊維の表面に濾過し、繊維を乾燥させたBCコーティングの層を形成する。バクテリアセルロースは、天然繊維5、29、30の存在下で、 アセトバクター·キシリナスを培養することによって、天然繊維の周りに堆積することができる一方で、このプロセスは面倒であり、再帖のpHを厳密に制御し、溶存酸素含量を有する高価なバイオリアクター。我々の改良された方法は、一方で、抄造法に基づいている( すなわち、BC懸濁液中の天然繊維を分散させる)と、バイオリアクター31は不要である。
ランダムに、不織布向け複合材料中の天然繊維の適用に関しては、(短くし、ランダムに配向した)天然繊維のプリフォームは、緩い固めた繊維33を介してニードルパンチ(本質的にステッチ)ポリマー繊維(通常はポリエステル)によって産生される。複合材料を作製するために、繊維プリフォームは、その後、型に入れて樹脂を注入している。ポリマー繊維は、34(典型的には、亜麻、大麻、又はジュート)天然繊維と混合または天然繊維懸濁液中に分散させ、真空は高分子量画分(50体積%)で35を濾過することができる。このポリマー繊維、天然繊維マット(プリフォーム)を、続いてpは、ポリマーを溶融するために加熱され複合構造をroduce。製造複合体の後者のプロセスは、本質的にスケーラブルではなく、従って、プリフォームを作成するために使用することができるポリマー繊維の選択肢(ポリマー、繊維の分解温度よりも低い温度で溶融する必要があります)、使用可能なマトリックスの種類によって限定される複合材料を作製した。我々の方法を用いて、BCはバインダーとして作用しないだけでなく、それはまた、ナノ補強材32として作用する。前述のように、個々のBCナノファイバーのヤング率は114 GPaであると推定された。 BCの単繊維引張強さが知られていない一方で、単一のTEMPO酸化木材および被嚢類繊維の引張強度は、最近、超音波誘導されたキャビテーション36を用いて測定した。 0.8〜1.5 GPaの間の引張強度は、これらの単一のナノファイバーを測定した。これらの機械的特性は、紀元前の結合能と一緒に、本当に緑とランダムに配向短い漢方を製造するための優れた候補のBCを作ったアル繊維強化、従来の繊維強化ポリマーを超えた機械的性能を持つバクテリアセルロース繊維強化複合材料の再生可能。
コンポジット製造の点で、私たちの好ましい製造プロセスは、(また、ゼーマン法38として知られている)より、従来の単一の袋真空支援樹脂注入、DBVIとは異なりWaldrop ら 37によって開発された議論の二重袋真空支援樹脂注入(DBVI)です注入プロセス中に2つの独立した真空バッグを使用する( 図2参照)。ゼーマンプロセスは製造コンポジットのために働く一方で、このプロセスは、樹脂のフローフロントの背後に真空バッグ緩和に苦しむかもしれません。これが発生すると、緩和が発生する地域は柔らかく、海綿状の感じになります。真空バッグ緩和は真空バッグによる最小抵抗の経路内の液状樹脂の優先的な流れに流動媒体から遠ざかることになる。 T彼は、製造された複合材料は、不均一な繊維体積分率( すなわち、緩和された面積は、真空バッグの緩和無しの領域よりも低い繊維体積分率を有するであろう)を有することになります。インナー真空バッグは、液体樹脂のフローフロントの後ろに緩和したことがないようにDBVIは、この欠点に悩まされることはありません。その結果、得られた複合パネルは、平均繊維体積率より均一な厚さよりも高くなければならない。また、外側の真空バッグを使用することは、システムに冗長性を提供し、液体注入プロセスの真空の完全性を向上させます。
The authors have nothing to disclose.
著者は、SRSと仕事(EP/J013390/1)を資金提供するための後続の基金のためのカイルと英国工学物理科学研究評議会(EPSRC)を支持するウィーン大学に感謝したいと思います。
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 |