Se presenta un nuevo método de fabricación de preformas de fibras naturales cortas rígidas y robustas usando un proceso de fabricación de papel. Celulosa bacteriana actúa simultáneamente como aglutinante para las fibras sueltas y proporciona rigidez a las preformas de fibra. Estas preformas puede ser infundido con una resina para producir materiales compuestos jerárquicos realmente verdes.
Un nuevo método de fabricación de preformas de fibras naturales rígidas y robustas se presenta aquí. Este método se basa en un proceso de fabricación de papel, con lo cual las fibras de sisal sueltos y cortas se dispersan en una suspensión de agua que contiene celulosa bacteriana. Se filtra la fibra y la suspensión nanocellulose entonces (usando el vacío o la gravedad) y la torta de filtro prensado en húmedo para exprimir el exceso de agua, seguido de una etapa de secado. Esto dará lugar a la hornificación de la red de celulosa bacteriana, la celebración de las fibras naturales sueltos juntos.
Nuestro método es especialmente adecuado para la fabricación de preformas rígidas y robustas de fibras hidrófilas. La naturaleza porosa e hidrófila de estas fibras resulta en la absorción de agua significativa, dibujo en la celulosa bacteriana dispersado en la suspensión. La celulosa bacteriana A continuación, se filtró contra la superficie de estas fibras, formando un recubrimiento de celulosa bacteriana. Cuando la célula bacteriana de fibra sueltaulosa suspensión se filtra y se seca, la celulosa bacteriana adyacente forma una red y hornified para mantener las fibras sueltas de otro modo juntos.
La introducción de celulosa bacteriana en la preforma resultó en un aumento significativo de las propiedades mecánicas de las preformas de fibra. Esto se puede atribuir a la alta rigidez y la resistencia de la red de celulosa bacteriana. Con esta preforma, materiales compuestos de alto rendimiento jerárquicos renovables también se pueden fabricar mediante el uso de métodos de producción compuesto convencionales, tales como la infusión de resina película (RFI) o moldeo por transferencia de resina (RTM). Aquí, también se describe la fabricación de materiales compuestos jerárquicos renovables usando vacío de doble bolsa de infusión de resina asistida.
Constante aumento del precio del petróleo y la creciente demanda del público para un futuro sostenible han despertado y revivido la investigación y desarrollo de materiales verdes, especialmente polímeros y materiales compuestos. Por desgracia, el rendimiento termo-mecánico de polímeros verdes o renovables, es a menudo inferior en comparación con los polímeros a base de petróleo tradicionales 1. Por ejemplo, comercializado poliláctico (PLA) y polihidroxibutirato (PHB) son frágiles y tienen temperaturas de distorsión de calor bajo. Una solución de creación de materiales renovables que igualan o incluso superan el rendimiento de los materiales de ingeniería a base de petróleo de uso común es aprender del pasado; Henry Ford utiliza una estrategia de material compuesto, es decir, la combinación de polímeros bio-based/renewable con un refuerzo 2, para mejorar las propiedades de los polímeros renovables. Con frecuencia se afirma que las fibras naturales sirven como candidato ideal como refuerzo debido a su bajo costo, baja densidad, renewabilidad y la biodegradabilidad 3. Compuestos de fibra natural se ha visto un renacimiento en la década de 1990, como puede verse por el aumento exponencial en el número de publicaciones científicas revisadas por pares (Figura 1) 4. Sin embargo, la naturaleza hidrófila de las fibras naturales y las características hidrófobas de la mayoría de los termoplásticos se culpa a menudo para dar como resultado la adhesión de fibra-matriz pobres 5, que a menudo resulta en un rendimiento mecánico de los materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras resultantes. Para resolver este desafío, numerosos investigadores intentaron modificar químicamente las superficies de fibras naturales 6,7. Estas modificaciones químicas incluyen acetilación 8, 9 sililación, polímero de injerto 10, tratamientos isocianato 11,12, el uso de agentes de acoplamiento maleados 13-17, y benzoilación 18. A pesar de que estos tratamientos químicos han rendido las fibras naturales más hidrofóbica, el resultado natural de la fibra de refuerzopolímeros d todavía no cumplieron en términos de rendimiento mecánico 19. Thomason 20 hipótesis de que este fracaso podría ser un resultado de la anisotropicity y el alto coeficiente térmico de dilatación lineal de fibras naturales. Además de esto, las fibras naturales también sufren de desventajas tales como la temperatura limitada de procesamiento 21, la variabilidad de lote a lote 3, baja resistencia a la tracción en comparación con las fibras sintéticas, tales como vidrio, aramida o fibras de carbono y la falta de procesos de fabricación adecuados para producir fibras naturales reforzados compuestos de polímeros. Por lo tanto, el uso de fibras naturales como refuerzo no será suficiente para cerrar la brecha de la propiedad rendimiento antes mencionada entre los materiales verdes y polímeros a base de petróleo.
Nanocellulose es un agente de refuerzo verde emergente. En particular, producido nanocellulose por bacterias, tales como de la especie Acetobacter 22, también conocidos como cellulos bacterianase sirve como una alternativa interesante para el diseño de materiales verdes 23 debido a la posibilidad de explotar la alta rigidez y la resistencia de los cristales de celulosa 24. La rigidez de un solo cristal de celulosa se estimó en aproximadamente 100-160 GPa usando difracción de rayos X, espectroscopia de Raman y simulaciones numéricas 25-27. Esto es más alto que las fibras de vidrio ~ 70 GPa, que son sin embargo mucho más denso. Celulosa bacteriana (AC) es también inherentemente nano-tamaño con un diámetro de aproximadamente 50 nm y varios micrómetros de longitud 28. Nos informó de un método para (sisal y el cáñamo) fibras naturales de la capa con capas de BC cultivando Acetobacter xylinius en presencia de fibras naturales 5,29,30. Esto llevó a una mejor adherencia interfacial entre PLLA y fibras naturales recubiertas de BC 29,31. Con el fin de simplificar el proceso de recubrimiento de estas fibras, Lee et al. 31 desarrolló un método de revestimiento (sisal) Fibe naturalesCódigo de producto sin el uso de biorreactores. Este método se basa proceso de inmersión lechada, con lo cual las fibras de sisal secos se sumergen en una suspensión BC. Una extensión de este método 32 es filtrar la suspensión acuosa que contiene fibras de sisal sueltas y BC para producir preformas de fibra de sisal adecuados para operaciones típicas de fabricación de estructuras compuestas.
Hemos demostrado en este experimento que las fibras de sisal sueltas se pueden enlazar con el BC. Sin embargo, la elección de las fibras no se limita a fibras de sisal sólo. , También se pueden utilizar otros tipos de fibras, tales como el lino y el cáñamo. Además de esto, también hemos demostrado que la harina de madera, papel reciclado, y disolviendo la pulpa también se puede enlazar en preformas rígidas y robustas usando un aglomerante BC (resultados no publicados aún). El criterio es que las fibras usadas deben ser hidrófilo y absorber agua. Como se ha mencionado, la naturaleza hidrófila de las fibras va a absorber agua, dibujo en el BC que se dispersa en el medio. El BC se filtra contra la superficie de estas fibras hidrófilas y forma una capa de recubrimiento de AC cuando se secaron las fibras. Mientras que la celulosa bacteriana puede ser depositado alrededor de las fibras naturales mediante el cultivo de xylinus de Acetobacter en la presencia de fibras naturales 5, 29, 30, este proceso es laborioso y de rerequiere bioreactores caros con un estricto control de pH y el contenido de oxígeno disuelto. Nuestro proceso mejorado, en el otro lado, se basa en un método de fabricación de papel (es decir: la dispersión de fibras naturales en una suspensión BC) y no hay necesidad de biorreactores 31.
Con respecto a la aplicación de las fibras naturales en materiales compuestos, orientadas al azar no tejido (corto y orientado al azar) preformas de fibras naturales son producidos por la perforación de la aguja (esencialmente costura) fibras de polímero (típicamente un poliéster) a través de fibras compactados sueltos 33. Para hacer un compuesto, las preformas de fibra se colocan entonces en un molde y se infunden con una resina. Fibras de polímeros también pueden ser mezclados con fibras naturales 34 (típicamente de lino, de cáñamo, de yute o) o dispersa en una suspensión de fibra natural y se filtró a vacío 35 en la fracción de alto volumen de polímero (50 vol.%). Esta estera de fibra-fibra natural polímero (preforma) se calienta entonces posteriormente para fundir el polímero a Plaborar una estructura de material compuesto. Los últimos procesos de producción de materiales compuestos son intrínsecamente escalable pero están limitadas por la elección de fibras de polímero (el polímero debe fundir a temperaturas inferiores a la temperatura de degradación de las fibras) que se pueden utilizar para hacer preformas y, por lo tanto, el tipo de matrices disponibles para hacer compuestos. Usando nuestro método, BC no sólo actúa como un aglutinante, que también actúa como un nano-refuerzo 32. Como se ha mencionado, el módulo de Young de un nanofibras BC individuo se estimó en 114 GPa. Si bien no se conoce la resistencia de la fibra a la tracción simple de AC, la resistencia a la tracción de la madera y las fibras tunicado TEMPO-oxidado individuales se ha medido recientemente utilizando cavitación inducida por ultrasonidos 36. Una resistencia a la tracción de entre 0,8-1,5 GPa se midió para estas nanofibras individuales. Estas propiedades mecánicas, junto con el potencial de unión de BC, AC hicieron un excelente candidato para producir corto Natur verdaderamente verde y orientado al azarAL reforzados con fibras, materiales compuestos renovables bacterianas de celulosa reforzado con rendimiento mecánico que excede polímeros reforzados con fibras convencionales.
En término de la fabricación de material compuesto, nuestro proceso de fabricación preferido es la bolsa de doble asistida por vacío de resina de infusión discutido (DBVI) desarrollado por Waldrop et al. 37 A diferencia de la infusión asistida por vacío más convencional sola bolsa de resina (también conocido como el proceso de Seemann 38), DBVI emplea a dos bolsas de vacío independientes durante el proceso de infusión (ver Figura 2). Mientras que el proceso de Seemann funcionará para materiales compuestos de fabricación, este proceso podría sufrir de bolsa de vacío relajación detrás del frente de flujo de la resina. Cuando esto ocurre, el área donde se produce la relajación se sentirá suave y esponjoso. La relajación bolsa de vacío se traducirá en la bolsa de vacío alejándose del medio de flujo debido al flujo preferente de resina líquida en el camino de menor resistencia. Tsu causarán los compuestos manufacturados tengan fracciones de volumen de fibra no uniformes (es decir, la zona relajada tendrá una fracción de volumen de fibra menor que el área no relajado de la bolsa de vacío). DBVI no sufre de este inconveniente, como la bolsa de vacío interior nunca se relaja detrás del frente de flujo de la resina líquida. Como resultado, los paneles compuestos resultantes tendrán más alta que la fracción media de volumen de fibra y el grosor más uniforme. Por otra parte, el uso de la bolsa de vacío exterior proporciona una redundancia en el sistema y mejora la integridad de vacío del proceso de infusión líquido.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer a la Universidad de Viena para apoyar KYL y la Ingeniería y Ciencias Físicas del Consejo de Investigación del Reino Unido (EPSRC) para un fondo de seguimiento de la financiación del SRS y el trabajo (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 |