섬세한 밀도가 높은 목재는 천연 섬유 강화 또는 유리 섬유 강화 복합재를 부분적으로 대체할 수 있는 잠재력이 큰 새로운 유망한 경량, 고성능 및 바이오 기반 소재를 나타냅니다. 우리는 여기에 두 가지 다목적 제조 경로를 제시하고 복잡한 복합 부품을 만들 수있는 가능성을 보여줍니다.
섬세한 밀도가 높은 목재는 우수한 기계적 특성으로 인해 유리 섬유 강화 복합재료와 같은 합성 물질을 대체 할 수있는 잠재력을 지닌 새로운 유망하고 지속 가능한 재료입니다. 그러나 섬세한 목재는 젖은 상태에서 다소 깨지기 쉬우므로 취급과 성형이 어려워집니다. 여기에서 우리는 두 가지 제조 공정, 폐쇄 금형 조밀화 및 진공 조밀화를 제시하여 장점과 한계에 대한 평가를 포함하여 납양된 목재를 기반으로 한 고성능 셀룰로오스 복합재를 생산합니다. 또한 수명 종료 주기에서 복합 소재를 재사용하거나 분해하는 방법에 대한 전략을 제안합니다. 밀폐형 금형 밀집화는 정교한 실험실 장비가 필요하지 않다는 장점이 있습니다. 간단한 나사 클램프 또는 프레스는 고밀도화에 사용할 수 있습니다. 간단한 형상과 곡률이 큰 작은 부품에 이 방법을 사용하는 것이 좋습니다. 개방형 금형 공정의 진공 밀착은 작은 곡률 반경을 포함하여 더 큰 물체와 복잡한 형상에 적합합니다. 폐쇄 형 금형 공정에 비해, 개방 형 진공 접근 방식은 단일 금형 캐비티의 제조만 필요합니다.
우수한 기계적 특성을 갖춘 새로운 천연 섬유 (NF) 기반 복합 재료의 개발은 유리 섬유 복합 재료1,2,3과같은 현재의 합성 시스템에 대한 지속 가능한 대안이 될 수 있기 때문에 재료 과학의 주요 과제 중 하나입니다. 전통적인 NF 복합재료(아마, 대마, 케나프 등)의4,5,매트릭스 성분의 부분적 또는 완전한 제거 후 목재의 조밀화는최근6,7,8,9,10,11에서주목을 받고 있다. 상향식 제조 경로는 벌크 목재의 굴착에 기초한 후 고밀도화에 의해 개념적으로 펄프 및 슬러리 기반 제품에 대한 다소 복잡한 상향식공정(12)과는 반대이다. 펄프 및 슬러리 기반 제품에서 유리 한 목재 섬유 정렬은 섬유가 공정에서 분리되기 때문에 유지되지 않습니다. 대조적으로, 하향식 공정에서 얻어지는 구조 유지 단조로운 목재는 정렬된 셀룰로오스 섬유로 정교한 아키텍처를 새로운 재료로 전달합니다. 섬유 정렬 왜곡없이 납작한 목재의 조밀화를 달성하려면 새로운 가공 경로를 개발해야합니다.
물 포화 목재 샘플의 직접 고밀도화는 밀집 시 카운터 압력을 생성하는 습식 시료 고유의 자유로 인해 제한된 밀도, 균열 및 섬유 정렬 왜곡을 초래합니다. 고밀도화 시 구조적 무결성 손실을 방지하기 위한 전류 용액에는 부분적으로 단조화된 목재의 활용이 포함되고 고온 조밀화9 또는 선재목재의 사전 건조가 포함된다6. 두 방법 모두 접착제 역할을 하는 나머지 리그닌 또는 세포 간의 자유 물 제거로 인해 인접한 세포 간의 연결을 향상시킵니다.
두 경우 모두 구성성이 감소하여 설계 응용 프로그램이 제한됩니다. 필요한 시료 사전 컨디셔닝은 처리 시간이 길어집니다. 따라서 한 단계에서 성형및 고밀도화를 결합하는 빠르고 확장 가능한 프로세스가 필요합니다.
이와 관련하여, 우리는 간단하고 확장 가능한 접근 방식으로 성형, 조밀화 및 건조를 결합하는 방법으로 정의 된 목재의 개방 / 폐쇄 금형 조밀화 및 진공 처리를 여기에 제시합니다. 도 1은 본 서술된 기술을 이용하여 수득한 고밀도 목재 복합부품을 나타낸다.
그림 1: 고밀도 목재 복합 부품의 예. (A)도어 패널,(B)사이드 미러,(C)자동차의 도어 핸들,(D)보소시스,(E)컷 오픈 헬멧, 그리고(F)자동차의 타코이터 커버. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
우리는 고성능 의 정성 목재 기반 복합 소재를 얻기 위해 다양한 제조 기술을 제시하고 가능한 재사용 및 재활용 전략을 제안합니다. 폐쇄 금형 처리는 수분 포화 상태에서 처리 할 수 없기 때문에 재료의 사전 컨디셔닝을 전제 조건화합니다. 그러나 밀폐형 공정을 활용하는 것은 특히 진공 설정이 없거나 양쪽에 좋은(매끄러운) 표면 마감이 필요한 경우 특히 선택할 수 있는 방법이 될 수 있습니다.
정제 된 목재의 오픈 몰드 진공 처리는 간단하고 확장 가능한 접근 방식으로 수포화 샘플의 성형, 조밀화 및 건조를 결합 할 수 있습니다. 이 기술은 복잡한 형상의 생산에 적용되며 폐쇄 형 금형 공정에 대한 확장 가능한 대안을 제공합니다. 우리는 층 사이의 접착제로 전분을 사용하여 정제 목재 베니어를 적층하여 복합 재를 제조했다. 초기 두께의 1/4까지 의 밀도는 8층 두께의 복합 부품의 최종 두께 2.5mm를 초래했습니다. 진공 공정에서 더 매끄러운 표면 마감을 얻기 위해 닫힌 다공성 금형을 사용하는 것이 적절한 대안이 될 수 있습니다.
두 가공 방법 모두 박리 위험을 줄이기 위해 각인 된 목재 층 사이에 접착 시스템을 사용하는 것이 좋습니다. 주어진 예를 들어, 우리는 전분을 선택, 그것은 펄프 및 종이 제품에 대 한 잘 알려진 바이오 기반 접착제, 종이 가방 등, 그리고 물 기반. 향후 작품은 건조 및 섬유 흐름 편차의 측면에서 현재의 한계를 해결하기 위해 두꺼운 라미네이트의 제조에 초점을 맞출 것이다.
일반적으로, 정제 된 목재의 진공 처리는 대규모 고밀도 셀룰로오스 섬유 복합재료의 쉽고 빠른 생산을 위한 잠재력을 갖는다. 적절한 코팅, 수성 접착제 시스템 또는 화학 적 개조를 적용하여 재료의 내구성 문제를 해결한 후, 가능한 산업 응용 분야에는 도어 패널, 바닥 및 대시보드와 같은 자동차 부품이 포함될 수 있습니다. 우리의 재료는 더 나은 연료 효율을 위해 무게를 줄이고 재활용성을 개선하기 위해 금속 또는 섬유 강화 복합 소재를 대체 할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 다공성 금형의 3D 프린팅에 대한 실반 간텐빈에게 감사드립니다.
Acetic acid | VWR Chemicals | 20104.312 | |
Breather | Suter Kunststoffe AG | 923.015 | |
Flow mesh/bleeder | Suter Kunststoffe AG | 180.007 | |
Gypsum | Suter Kunststoffe AG | 115.3002 | |
Hydrogen peroxide, 30% | VWR Chemicals | 23622.298 | |
Oven | Binder GmbH | ||
Press | Imex Technik AG | ||
Seal tape | Suter Kunststoffe AG | 31344 | |
Stainless steel mesh | Drawag AG | ||
Starch | Agrana Beteilungs AG | ||
Textile, peel ply | Suter Kunststoffe AG | 222.001 | |
Vacuum bag | Suter Kunststoffe AG | 215.15 | |
Vacuum bag, elastic | Suter Kunststoffe AG | 390.1761 | elastic vacuum bag for complex shapes |
Vacuum pump | Vacuumbrand | ||
Vacuum tubing | Suter Kunststoffe AG | 77008.001 | |
Wood veneers | Bollinger AG |