हम एक papermaking प्रक्रिया का उपयोग कर कठोर और मजबूत कम प्राकृतिक फाइबर preforms निर्माण का एक उपन्यास विधि प्रस्तुत करते हैं. बैक्टीरियल सेलुलोज ढीला फाइबर के लिए बंधक के रूप में एक साथ काम करता है और फाइबर preforms को कठोरता प्रदान करता है. ये preforms सही मायने में हरी श्रेणीबद्ध कंपोजिट निर्माण करने के लिए एक राल के साथ संचार किया जा सकता है.
कठोर और मजबूत प्राकृतिक फाइबर preforms निर्माण का एक उपन्यास विधि यहाँ प्रस्तुत है. इस विधि ढीला और कम एक प्रकार का पौधा फाइबर बैक्टीरियल सेल्यूलोज युक्त पानी निलंबन में बिखरे हैं जिससे एक papermaking प्रक्रिया पर आधारित है. फाइबर और nanocellulose निलंबन तब (निर्वात या गुरुत्वाकर्षण का प्रयोग करके) फ़िल्टर और गीला फिल्टर केक किसी भी अतिरिक्त पानी बाहर निचोड़ करने के लिए दबाया, एक सुखाने कदम के बाद है. यह एक साथ ढीले प्राकृतिक फाइबर पकड़े, बैक्टीरियल सेलूलोज़ नेटवर्क का hornification में परिणाम होगा.
हमारे विधि विशेष रूप से हाइड्रोफिलिक फाइबर की कठोर और मजबूत preforms के निर्माण के लिए अनुकूल है. इस तरह के रेशों का झरझरा और हाइड्रोफिलिक प्रकृति निलंबन में छितरी बैक्टीरियल सेलुलोज में ड्राइंग, महत्वपूर्ण पानी तेज में यह परिणाम है. बैक्टीरियल सेलुलोज तो एक जीवाणु सेलूलोज कोटिंग बनाने, इन तंतुओं की सतह के खिलाफ फिल्टर किया जायेगा. जब ढीला फाइबर बैक्टीरिया कोशिकाulose निलंबन फ़िल्टर और सूख जाता है, आसन्न बैक्टीरियल सेलुलोज एक नेटवर्क रूपों और एक साथ अन्यथा ढीला फाइबर पकड़ के लिए hornified.
पहिले में बैक्टीरियल सेलुलोज की शुरूआत फाइबर preforms की यांत्रिक गुणों की एक महत्वपूर्ण वृद्धि हुई. यह जीवाणु सेलूलोज नेटवर्क के उच्च कठोरता और शक्ति के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है. इस पहिले के साथ, अक्षय उच्च प्रदर्शन पदानुक्रमित कंपोजिट भी ऐसे राल फिल्म निषेचन (RFI) या रेसिन ट्रांस्फर मोल्डिंग (RTM) के रूप में पारंपरिक समग्र उत्पादन के तरीकों का उपयोग करके निर्मित किया जा सकता. यहाँ, हम भी राल अर्क सहायता प्रदान की डबल बैग निर्वात का उपयोग कर अक्षय पदानुक्रमित कंपोजिट के निर्माण का वर्णन.
तेजी से बढ़ रही तेल की कीमतों और एक टिकाऊ भविष्य के लिए जनता की बढ़ती मांग को फूट पड़ा और हरी सामग्री, विशेष रूप से पॉलिमर और कंपोजिट के अनुसंधान और विकास को पुनर्जीवित किया है. दुर्भाग्य से, हरे या अक्षय पॉलिमर की थर्मामीटरों यांत्रिक प्रदर्शन परंपरागत पेट्रोलियम आधारित पॉलिमर 1 की तुलना में अक्सर अवर है. उदाहरण के लिए, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध polylactide (पीएलए) और polyhydroxybutyrate (पीएचबी) भंगुर होते हैं और कम गर्मी विरूपण तापमान के अधिकारी. आमतौर पर इस्तेमाल किया पेट्रोलियम आधारित इंजीनियरिंग सामग्रियों का प्रदर्शन मैच या और भी अधिक है कि अक्षय सामग्री बनाने का एक ही उपाय है अतीत से सीखने के लिए है; हेनरी फोर्ड अक्षय पॉलिमर के गुणों को बढ़ाने के लिए, यानी एक सुदृढीकरण 2 के साथ bio-based/renewable पॉलिमर के संयोजन, एक समग्र रणनीति का प्रयोग किया. यह अक्सर प्राकृतिक फाइबर क्योंकि उनके कम लागत, कम घनत्व, renewabili के सुदृढीकरण के रूप में आदर्श उम्मीदवार की सेवा का दावा किया हैTy और biodegradability 3. प्राकृतिक फाइबर कंपोजिट सहकर्मी की समीक्षा की वैज्ञानिक प्रकाशनों की संख्या में घातीय वृद्धि (चित्रा 1) 4 से देखा जा सकता है के रूप में 1990 के दशक में एक पुनर्जागरण देखा है. हालांकि, प्राकृतिक फाइबर और सबसे thermoplastics के हाइड्रोफोबिक विशेषताओं की हाइड्रोफिलिक प्रकृति अक्सर अक्सर जिसके परिणामस्वरूप फाइबर प्रबलित बहुलक कंपोजिट गरीब यांत्रिक प्रदर्शन में जो परिणाम गरीब फाइबर मैट्रिक्स आसंजन 5, में परिणाम के लिए दोषी ठहराया है. इस चुनौती का समाधान करने के लिए, कई शोधकर्ताओं ने रासायनिक प्राकृतिक फाइबर 6,7 की सतहों को संशोधित करने का प्रयास किया. ये रासायनिक संशोधनों एसिटिलीकरण 8, silylation 9, 10 ग्राफ्टिंग बहुलक, आइसोसाइनेट उपचार 11,12, maleated युग्मन एजेंट 13-17 का उपयोग करते हैं, और benzoylation 18 में शामिल हैं. इन रासायनिक उपचार प्राकृतिक फाइबर अधिक हाइड्रोफोबिक प्रदान की गई है हालांकि, जिसके परिणामस्वरूप प्राकृतिक फाइबर को मजबूतडी पॉलिमर अभी भी यांत्रिक प्रदर्शन 19 के मामले में देने में विफल रहा. थॉमसन 20 इस विफलता anisotropicity और प्राकृतिक रेशों के विस्तार के उच्च रैखिक थर्मल गुणांक का परिणाम हो सकता है कि धारणा है. इस के अलावा, प्राकृतिक फाइबर भी ऐसी सीमित प्रसंस्करण तापमान 21 बैच को बैच परिवर्तनशीलता 3, इस तरह के ग्लास, Aramid या कार्बन फाइबर और उपयुक्त विनिर्माण प्रक्रियाओं की कमी के रूप में सिंथेटिक फाइबर, की तुलना में कम तन्य शक्ति के रूप में कमियां से ग्रस्त बहुलक कंपोजिट प्रबलित प्राकृतिक रेशों का उत्पादन. इस प्रकार, सुदृढीकरण के रूप में प्राकृतिक रेशों का उपयोग हरे रंग की सामग्री और पेट्रोलियम आधारित पॉलिमर के बीच aforementioned संपत्ति प्रदर्शन अंतर को बंद करने के लिए पर्याप्त नहीं होगा.
Nanocellulose एक उभरती हुई हरी मजबूत एजेंट है. विशेष रूप से, nanocellulose ऐसे भी बैक्टीरियल cellulos के रूप में जाना एसीटोबैक्टर प्रजाति 22 से के रूप में बैक्टीरिया, द्वारा उत्पादितई कारण सेलूलोज क्रिस्टल 24 की उच्च कठोरता और ताकत का शोषण करने की संभावना को हरी सामग्री 23 के डिजाइन के लिए एक दिलचस्प विकल्प के रूप में कार्य करता है. एक एकल सेलूलोज क्रिस्टल की कठोरता एक्स – रे विवर्तन, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और संख्यात्मक सिमुलेशन 25-27 का उपयोग लगभग 100-160 GPa होने का अनुमान था. इस फाइबर ग्लास हालांकि ज्यादा सघन हैं जो ~ 70 GPa, की तुलना में अधिक है. बैक्टीरियल सेलुलोज (ईसा पूर्व) भी स्वाभाविक नैनो आकार लगभग 50 एनएम और लंबाई 28 में कई micrometers के एक व्यास के साथ है. हम प्राकृतिक फाइबर 5,29,30 की उपस्थिति में एसीटोबैक्टर xylinius संवर्धन द्वारा ईसा पूर्व की परतों के साथ कोट प्राकृतिक (एक प्रकार का पौधा और भांग) फाइबर के लिए एक विधि की सूचना दी. इस PLLA और ईसा पूर्व में लिपटे प्राकृतिक फाइबर 29,31 के बीच सुधार interfacial आसंजन के लिए नेतृत्व किया. इन तंतुओं कोटिंग की प्रक्रिया को सरल करने के लिए, ली एट अल. 31 प्राकृतिक (एक प्रकार का पौधा) fibe कोटिंग की एक विधि विकसितबायोरिएक्टर के उपयोग के बिना रुपये. सूखी एक प्रकार का पौधा फाइबर एक ई.पू. निलंबन में डूब रहे हैं जिससे इस विधि, गारा सूई प्रक्रिया आधारित है. इस विधि में 32 का ही विस्तार ठेठ समग्र संरचना के निर्माण के लिए उपयुक्त एक प्रकार का पौधा फाइबर preforms निर्माण करने के लिए ढीला एक प्रकार का पौधा फाइबर और ई.पू. युक्त पानी निलंबन फिल्टर करने के लिए है.
हम ढीले एक प्रकार का पौधा फाइबर ई.पू. के साथ ही किया जा सकता है कि इस प्रयोग में पता चला है. हालांकि, फाइबर का चुनाव सिर्फ एक प्रकार का पौधा फाइबर तक सीमित नहीं है. सन और सन के रूप में फाइबर, अन्य प्रकार के भी इस्तेमाल किया जा सकता है. इस के अलावा, हम भी लकड़ी कि आटा, पुनर्नवीनीकरण कागज, और लुगदी भंग भी (अभी तक प्रकाशित नहीं परिणाम) एक ई.पू. बांधने की मशीन का उपयोग कर कठोर और मजबूत preforms में ही किया जा सकता पता चला है. कसौटी इस्तेमाल किया फाइबर हाइड्रोफिलिक हो और पानी को अवशोषित चाहिए. Aforementioned के रूप में, फाइबर की हाइड्रोफिलिक प्रकृति माध्यम में छितरी हुई है कि ईसा पूर्व में ड्राइंग, पानी को अवशोषित करेंगे. ई.पू. इन हाइड्रोफिलिक फाइबर की सतह के खिलाफ फ़िल्टर और फाइबर सूख रहे थे जब ईसा पूर्व कोटिंग की एक परत रूपों है. बैक्टीरियल सेलुलोज प्राकृतिक रेशों 5, 29, 30 की उपस्थिति में एसीटोबैक्टर xylinus संवर्धन द्वारा प्राकृतिक रेशों के आसपास जमा किया जा सकता है, whilst इस प्रक्रिया श्रमसाध्य और पुनः हैquires पीएच की तंग नियंत्रण और भंग ऑक्सीजन सामग्री के साथ महंगा बायोरिएक्टर. हमारी सुधार प्रक्रिया, दूसरी ओर, एक papermaking विधि (यानी: एक ई.पू. निलंबन में प्राकृतिक फाइबर dispersing) पर आधारित है और बायोरिएक्टर 31 के लिए कोई जरूरत नहीं है.
बेतरतीब ढंग से गैर बुना (कम और अनियमित उन्मुख) प्राकृतिक फाइबर preforms ढीला ठोस फाइबर 33 के माध्यम से बहुलक फाइबर (आमतौर पर एक पॉलिएस्टर) (अनिवार्य रूप से सिलाई) सुई छिद्रण द्वारा उत्पादित कर रहे हैं उन्मुख कंपोजिट में प्राकृतिक फाइबर, के आवेदन के साथ संबंध है. एक समग्र बनाने के लिए, फाइबर preforms तो एक सांचे में रखा और एक राल के साथ संचार कर रहे हैं. पॉलिमर फाइबर भी (आमतौर पर सन, भांग, या जूट) या एक प्राकृतिक फाइबर निलंबन और निर्वात में छितरी उच्च बहुलक मात्रा अंश (50 वॉल्यूम.%) पर 35 फ़िल्टर की प्राकृतिक रेशों 34 के साथ मिश्रित किया जा सकता है. इस बहुलक फाइबर प्राकृतिक फाइबर चटाई (पहिले) तो बाद में करने के लिए पी बहुलक पिघला करने के लिए गर्म किया जाता हैएक समग्र संरचना roduce. कंपोजिट उत्पादन के उत्तरार्द्ध प्रक्रियाओं matrices के प्रकार उपलब्ध है, इसलिए, preforms बनाने के लिए और करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है (पॉलिमर फाइबर की गिरावट के तापमान की तुलना में कम तापमान पर पिघल जाना चाहिए) आंतरिक रूप से स्केलेबल हैं लेकिन बहुलक फाइबर की पसंद से सीमित कर रहे हैं कंपोजिट बनाने के लिए. हमारे विधि का प्रयोग, ई.पू. एक बांधने की मशीन के रूप में कार्य करता है, न केवल यह भी एक नैनो सुदृढीकरण 32 के रूप में कार्य. Aforementioned के रूप में, एक व्यक्ति ई.पू. nanofiber की यंग मापांक 114 GPa होने का अनुमान था. ईसा पूर्व की एक फाइबर तन्य शक्ति नहीं जाना जाता है जबकि, एक टेम्पो से ऑक्सीकरण लकड़ी और कंचुकित फाइबर की तन्यता ताकत हाल ही में अल्ट्रासोनिक प्रेरित cavitation 36 का उपयोग कर मापा गया है. 0.8-1.5 GPa के बीच की एक तन्य शक्ति इन एकल nanofibers के लिए मापा गया था. इन यांत्रिक गुणों, ईसा पूर्व के बंधन क्षमता के साथ, सही मायने में हरी और बेतरतीब ढंग से उन्मुख कम natur निर्माण करने के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार ईसा पूर्व बनायापारंपरिक फाइबर प्रबलित पॉलिमर से अधिक है कि यांत्रिक प्रदर्शन के साथ अल फाइबर प्रबलित, बैक्टीरियल सेलुलोज प्रबलित अक्षय कंपोजिट.
समग्र निर्माण की अवधि में, हमारे पसंदीदा विनिर्माण प्रक्रिया (भी SEEMANN प्रक्रिया 38 के रूप में जाना जाता है) और अधिक परंपरागत एक बैग वैक्यूम सहायता प्रदान की राल अर्क, DBVI विपरीत Waldrop एट अल. 37 द्वारा विकसित की चर्चा की डबल बैग वैक्यूम सहायता प्रदान की राल अर्क (DBVI) है निषेचन प्रक्रिया (देखें चित्र 2) के दौरान दो स्वतंत्र वैक्यूम बैग कार्यरत हैं. SEEMANN प्रक्रिया विनिर्माण कंपोजिट के लिए काम करेंगे, whilst इस प्रक्रिया राल का प्रवाह सामने पीछे वैक्यूम बैग छूट से पीड़ित हो सकता है. जब ऐसा होता है, विश्राम होता है, जहां क्षेत्र मुलायम और स्पंजी लगेगा. वैक्यूम बैग छूट वैक्यूम बैग के कारण कम से कम प्रतिरोध का रास्ता में तरल राल का तरजीही प्रवाह को दूर प्रवाह मध्यम से बढ़ने में परिणाम होगा. टीउसके निर्मित कंपोजिट गैर वर्दी फाइबर की मात्रा भिन्न (यानी आराम क्षेत्र वैक्यूम बैग की गैर आराम क्षेत्र से एक कम फाइबर की मात्रा अंश होगा) के लिए कारण होगा. भीतरी वैक्यूम बैग तरल राल का प्रवाह सामने पीछे आराम कभी नहीं के रूप में DBVI, इस दोष से ग्रस्त नहीं है. नतीजतन, जिसके परिणामस्वरूप संयुक्त पैनल औसत फाइबर की मात्रा अंश और अधिक समान मोटाई की तुलना में अधिक होगा. इसके अलावा, बाहरी वैक्यूम बैग का उपयोग प्रणाली के लिए एक अतिरेक प्रदान करता है और तरल अर्क प्रक्रिया के निर्वात अखंडता को बेहतर बनाता है.
The authors have nothing to disclose.
लेखकों एसआरएस और काम (EP/J013390/1) के वित्तपोषण के लिए एक अनुवर्ती पर फंड के लिए Kyl और ब्रिटेन इंजीनियरिंग और शारीरिक विज्ञान अनुसंधान परिषद (EPSRC) का समर्थन करने के लिए वियना विश्वविद्यालय को धन्यवाद देना चाहूंगा.
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 |