Vi præsenterer en ny fremgangsmåde til fremstilling af stive og robuste korte naturfibre præforme under anvendelse af en papirfremstillingsproces. Bakteriel cellulose fungerer samtidigt som bindemiddel for de løse fibre og giver stivhed til fiber præforme. Disse præforme kan infunderes med en harpiks til at producere ægte grøn hierarkiske kompositter.
En hidtil ukendt fremgangsmåde til fremstilling af stive og robuste naturlige fibre præforme præsenteret her. Denne metode er baseret på en fremgangsmåde til papirfremstilling, hvorved løse og korte sisalfibre dispergeres i en vandig suspension indeholdende bakteriel cellulose. Fiberen og nanocellulose suspension filtreres derefter (ved hjælp af vakuum eller grovhed), og den våde filterkage presses til at presse overskydende vand, efterfulgt af et tørringstrin. Dette vil resultere i hornification af den bakterielle cellulose netværk, holder de løse naturlige fibre sammen.
Vores metode er specielt velegnet til fremstilling af stive og robuste preforms af hydrofile fibre. Den porøse og hydrofile natur af sådanne fibre resulterer i væsentlig vandoptagelse, tegning i bakteriel cellulose dispergeret i suspension. Den bakterielle cellulose bliver derefter filtreret mod overfladen af disse fibre, der danner en bakteriel cellulose belægning. Når løse fibre-bakteriecelleulose suspension filtreres og tørres, den tilstødende bakteriel cellulose danner et netværk og hornified at holde ellers løse fibre sammen.
Indførelsen af bakteriel cellulose til præformen resulteret i en betydelig forøgelse af de mekaniske egenskaber af fiber præforme. Dette kan tilskrives den høje stivhed og styrke af den bakterielle cellulose netværk. Med denne præform kan vedvarende højtydende hierarkiske kompositter også fremstilles under anvendelse af konventionelle sammensatte fremstillingsmetoder, såsom harpiksfilminfusion (RFI) eller harpiks (RTM). Her beskriver vi også fremstilling af vedvarende hierarkiske kompositter ved hjælp af dobbelt pose vakuum assisteret harpiks infusion.
Støt stigende oliepriser og offentlighedens stigende efterspørgsel efter en bæredygtig fremtid har udløst og genoplivet forskning og udvikling af grønne materialer, især polymerer og kompositter. Desværre termo-mekaniske ydeevne grøn eller vedvarende polymerer ofte er ringere i forhold til traditionelle oliebaserede polymerer 1. For eksempel, kommercielt tilgængelig polylactid (PLA) og polyhydroxybutyrat (PHB) er skøre og har lave varmeformforandringstemperaturer. En løsning for at skabe vedvarende materialer, der matcher eller endda overstige udførelsen af almindeligt anvendte oliebaserede konstruktionsmaterialer er at lære af fortiden; Henry Ford brugte en sammensat strategi, dvs kombinerer bio-based/renewable polymerer med en forstærkning 2, at forbedre egenskaberne af vedvarende polymerer. Det hævdes ofte, at naturlige fibre tjene som ideelle kandidat som forstærkning på grund af deres lave omkostninger, lav befolkningstæthed, renewability og bionedbrydelighed 3. Naturlige fiberkompositter har set en renæssance i 1990'erne, som det kan ses af den eksponentielle stigning i antallet af peer-reviewed videnskabelige publikationer (figur 1) 4. Dog er den hydrofile karakter af naturlige fibre og hydrofobe egenskaber ved de fleste termoplast ofte skylden for at resultere i dårlig fiber-matrix adhæsion 5, hvilket ofte resulterer i dårlig mekanisk ydeevne af de resulterende fiber-forstærket polymer kompositter. For at løse denne udfordring, mange forskere forsøgt at kemisk modificere overflader naturfibre 6,7. Disse kemiske modifikationer indbefatter acetylering 8 silylering 9, polymer podning 10, isocyanat behandlinger 11,12, brug af maleaterede koblingsmidler 13-17, og benzoylering 18. Selvom disse kemiske behandlinger har gjort naturlige fibre mere hydrofobe, det resulterende naturfiber-styrked polymerer stadig undladt at levere i form af mekaniske ydeevne 19. Thomason 20 hypotese, at denne fiasko kan være et resultat af anisotropicity og den høje lineær termisk udvidelseskoefficient af naturfibre. Ud over dette, naturfibre lider også ulemper såsom begrænset forarbejdning temperatur 21, batch-til-batch variation 3, lav trækstyrke sammenlignet med syntetiske fibre, såsom glas, aramid eller kulfibre og manglen på egnede fremstillingsprocesser til producere naturlige fibre forstærket polymer kompositter. Således ved hjælp af naturlige fibre som forstærkning vil ikke være tilstrækkelig til at lukke den førnævnte ejendom-performance kløften mellem grønne materialer og oliebaserede polymerer.
Nanocellulose er en spirende grøn forstærkende middel. Navnlig nanocellulose produceret af bakterier, såsom fra Acetobacter arter 22, også kendt som bakterielle cellulose tjener som et interessant alternativ til konstruktion af grønne materialer 23 på grund af muligheden for at udnytte den høje stivhed og styrke af cellulose-krystaller 24. Stivheden af et enkelt cellulose krystal blev anslået til ca 100-160 GPa ved hjælp af X-ray diffraktion, Raman spektroskopi og numeriske simuleringer 25-27. Dette er højere end glasfibre ~ 70 GPa, som dog er meget tættere. Bakteriel cellulose (BC) er også i sagens natur nanostørrelse med en diameter på ca 50 nm og flere mikrometer i længde 28. Vi rapporteret en metode til at belægge naturlige (sisal og hamp) fibre med lag af BC ved dyrkning Acetobacter xylinius i tilstedeværelsen af naturlige fibre 5,29,30. Dette førte til en forbedret grænsefladeteknik vedhæftning mellem PLLA og BC-belagte naturfibre 29,31. For at forenkle processen med overtrækning af disse fibre, Lee et al. 31. udviklet en metode til overtrækning af naturlige (sisal) fibers uden brug af bioreaktorer. Denne metode er baseret opslæmning dyppeproces, hvorved tør sisalfibre neddyppes i et BC-suspension. En udvidelse af denne metode 32 er at filtrere vandet suspension indeholdende løse sisalfibre og BC at producere sisal fiberpreforms egnet til typiske kompositkonstruktioner produktion.
Vi har vist i dette forsøg at løse sisalfibre kan bindes med BC. Imidlertid er valget af fibre ikke begrænset til blot sisalfibre. Andre typer af fibre, såsom hør og hamp, kan også anvendes. Ud over dette har vi også vist, at træmel, genbrugspapir, opløse pulpen kan også være bundet i stive og robuste præforme under anvendelse af en BC bindemiddel (resultater endnu ikke offentliggjort). Kriteriet er, at fibre, der anvendes, bør være hydrofilt og absorbere vand. Som nævnt ovenfor vil den hydrofile karakter af fibrene absorberer vand, tegning i BC, der er dispergeret i mediet. BC filtreres mod overfladen af disse hydrofile fibre og danner et lag af BC belægning når fibrene blev tørret. Mens bakteriel cellulose kan aflejres omkring naturlige fibre ved dyrkning af Acetobacter xylinus i nærværelse af naturlige fibre 5, 29, 30, er denne proces er arbejdskrævende og rebestår bl.a. dyre bioreaktorer med en stram styring af pH og opløst ilt. Vores forbedret fremgangsmåde, på den anden side, er baseret på en papirfremstillingsmaskine metode (dvs. dispergering naturlige fibre i en BC suspension), og der er ikke behov for bioreaktorer 31.
Med hensyn til anvendelse af naturlige fibre i kompositter, tilfældigt orienterede ikke-vævede (kort og tilfældigt orienterede) naturlig fiberpreforms er produceret af nålestikning (hovedsagelig syning) polymer fibre (typisk en polyester) gennem løse komprimerede fibre 33. For at gøre en sammensat, er fiberpræforme derefter anbragt i en form og infunderes med en harpiks. Polymerer fibre kan også være blandet med naturlige fibre 34 (typisk hør, hamp eller jute), eller dispergeret i en naturlig fiber suspension og vakuumfiltreres 35 ved højpolymer volumenfraktion (50 vol.%). Denne polymer fiber naturlige fibermåtte (præform) derefter opvarmes efterfølgende for at smelte polymeren produce en kompositstruktur. De sidstnævnte fremgangsmåder til fremstilling af kompositter er uløseligt skalerbar, men er begrænset af valget af polymerfibre (polymeren skal smelte ved temperaturer lavere end nedbrydningstemperaturen af fibrene), der kan anvendes til at fremstille præforme, og derfor den type matricer tilgængelig at gøre kompositter. Ved hjælp af vores metode, er BC ikke kun fungere som et bindemiddel, det fungerer også som en nano-forstærkning 32. Som nævnt ovenfor blev Youngs modul af en individuel BC nanofiber skønnes at være 114 GPa. Mens den enkelte fiber trækstyrke på BC ikke er kendt, er brudstyrken af enkelt TEMPO-oxiderede træ og tunicate fibre nylig blevet målt ved hjælp af ultralyd induceret kavitation 36.. En trækstyrke på mellem 0,8-1,5 GPa blev målt for disse enlige nanofibre. Disse mekaniske egenskaber, sammen med den bindende potentiale BC, lavet BC en glimrende kandidat til at fremstille ægte grøn og tilfældigt orienterede korte natural fiberforstærket, bakterielle cellulose-forstærket vedvarende kompositter med mekanisk ydeevne, der overstiger de traditionelle fiberforstærkede polymerer.
På sigt af komposit fremstilling, vores foretrukne fremstillingsproces er omtalt dobbelt pose vakuumassisteret harpiks infusion (DBVI) udviklet af Waldrop et al. 37. I modsætning til den mere konventionelle enkelt pose vakuumassisteret harpiks infusion (også kendt som Seemann processen 38) DBVI anvender to uafhængige vakuumposer under infusionen (se figur 2). Mens Seemann proces vil arbejde for fremstilling af kompositmaterialer, kan denne proces lider vakuum pose afslapning bag flydefronten af harpiksen. Når dette sker, vil det område, hvor afslapning sker føles blød og svampet. Vakuumposen afslapning vil resultere i vakuum pose bevæger sig væk fra strømningsmediet på grund af præferentiel strømning af flydende harpiks i vejen med mindst modstand. Thans vil få fremstillede kompositter at have ikke-ensartede fibre volumenfraktioner (dvs. afslappet område vil have en lavere fiber volumenfraktion end den ikke-afslappet område af vakuum pose). DBVI ikke lider af denne ulempe, som den indre vakuumpose aldrig slapper bag flydefront flydende harpiks. Som følge heraf vil de resulterende kompositpanelerne højere end gennemsnittet fiber volumenfraktion og mere ensartet tykkelse. Endvidere er anvendelsen af den ydre vakuumpose tilvejebringer en redundans til systemet og forbedrer vakuum integritet infusionsproces.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gerne takke universitetet i Wien for at støtte KYL og Storbritannien Engineering and Physical Science Research Council (EPSRC) for en opfølgende fond til finansiering SRS og arbejdet (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 |