Vi presentiamo un nuovo metodo di produzione di brevi preformati di fibre naturali rigidi e robusti con un processo di fabbricazione della carta. Cellulosa batterica agisce contemporaneamente come legante per le fibre sciolte e fornisce rigidità alla preformati di fibre. Queste preforme possono essere infuse con una resina per la produzione di compositi gerarchici veramente verdi.
Un nuovo metodo di produzione di preforme in fibra naturale rigidi e robusti è presentato qui. Questo metodo si basa su un processo di fabbricazione della carta, in cui fibre di sisal sciolti e corte sono disperse in una sospensione acquosa contenente cellulosa batterica. La fibra e nanocellulose sospensione viene quindi filtrata (sotto vuoto o gravità) e il panello umido premuti per spremere l'acqua in eccesso, seguiti da una fase di asciugatura. Ciò comporterà la callosità della rete cellulosa batterica, tenendo le fibre naturali sciolti insieme.
Il nostro metodo è particolarmente adatto per la produzione di preforme rigidi e robusti di fibre idrofile. La natura porosa e idrofila di tali fibre risulta significativo assorbimento dell'acqua, disegnando nella cellulosa batterica dispersa nella sospensione. La cellulosa batterica viene quindi filtrato contro la superficie di queste fibre, formando un rivestimento di cellulosa batterica. Quando la cellula batterica fibra allentataulose sospensione viene filtrata ed essiccata, la cellulosa batterica adiacente forma una rete e hornified per contenere le fibre altrimenti sciolti insieme.
L'introduzione di cellulosa batterica nella preforma determinato un significativo incremento delle proprietà meccaniche dei preformati di fibre. Questo può essere attribuito alla elevata rigidità e resistenza della rete cellulosa batterica. Con questa preforma, ad alte prestazioni compositi gerarchici rinnovabili possono anche essere fabbricati utilizzando metodi di produzione convenzionali compositi, come infusione della resina pellicola (RFI) o stampaggio a trasferimento di resina (RTM). Qui, descriviamo anche la produzione di compositi gerarchici rinnovabili con doppio sacco a vuoto assistito infusione della resina.
Costante aumento dei prezzi del petrolio e la crescente domanda del pubblico per un futuro sostenibile hanno scatenato e ravvivato la ricerca e lo sviluppo di materiali ecologici, in particolare polimeri e compositi. Purtroppo, le prestazioni termo-meccaniche dei polimeri verdi o rinnovabili è spesso inferiore rispetto ai polimeri a base di petrolio tradizionali 1. Ad esempio, disponibile in commercio polilattide (PLA) e poliidrossibutirrato (PHB) sono fragili e in possesso di temperature basse distorsione di calore. Una soluzione di creazione di materiali rinnovabili che hanno o addirittura superare le prestazioni di ingegneria dei materiali a base di petrolio comunemente usati è quello di imparare dal passato; Henry Ford usata una strategia composita, cioè combinando polimeri bio-based/renewable con un rinforzo 2, per migliorare le proprietà dei polimeri rinnovabili. Si è spesso affermato che le fibre naturali servono candidato ideale come rinforzo a causa del loro basso costo, bassa densità, renewability e biodegradabilità 3. Compositi di fibre naturali hanno visto una rinascita nel 1990 come si può vedere dalla crescita esponenziale del numero di pubblicazioni scientifiche peer-reviewed (Figura 1) 4. Tuttavia, la natura idrofila di fibre naturali e caratteristiche idrofobiche della maggior parte dei materiali termoplastici sono spesso accusati di provocare scarsa adesione fibra-matrice 5, che spesso si traduce in cattive prestazioni meccaniche delle risultanti compositi polimerici rinforzati con fibre. Per risolvere questo problema, numerosi ricercatori hanno tentato di modificare chimicamente le superfici di fibre naturali 6,7. Queste modifiche chimiche includono acetilazione 8, sililazione 9, polimero innestando 10, trattamenti isocianato 11,12, uso di agenti di accoppiamento maleato 13-17, e benzoylation 18. Anche se questi trattamenti chimici hanno reso fibre naturali più idrofobo, il conseguente naturale in fibra di rafforzared polimeri non è riuscito ancora a consegnare in termini di prestazioni meccaniche 19. Thomason 20 ipotizzato che questo fallimento potrebbe essere il risultato del anisotropicity e l'elevato coefficiente di dilatazione termica lineare di fibre naturali. In aggiunta a questo, fibre naturali soffrono di svantaggi, quali temperature limitate di elaborazione 21, 3 variabilità da lotto a lotto, bassa resistenza alla trazione rispetto alle fibre sintetiche, come il vetro, aramidiche o fibre di carbonio e la mancanza di processi produttivi idonei a produrre fibre naturali rinforzati compositi polimerici. Così, utilizzando fibre naturali come rinforzo non sarà sufficiente a chiudere il suddetto gap di proprietà-prestazioni tra materiali ecologici e polimeri a base di petrolio.
Nanocellulose è un emergente agente di rinforzo verde. In particolare, nanocellulose prodotta da batteri, come dalla specie Acetobacter 22, noto anche come cellulos batterichee serve come un'alternativa interessante per la progettazione di materiali verdi 23 a causa della possibilità di sfruttare l'elevata rigidità e resistenza dei cristalli di cellulosa 24. La rigidità di un cristallo singolo di cellulosa è stato stimato in circa 100-160 GPa mediante diffrazione di raggi X, spettroscopia Raman e simulazioni numeriche 25-27. Questo è più alto rispetto alle fibre di vetro ~ 70 GPa, che sono però molto più denso. Cellulosa batterica (BC) è anche intrinsecamente nano-dimensioni, con un diametro di circa 50 nm e diversi micrometri di lunghezza 28. Abbiamo riportato un metodo per rivestire naturali (sisal e canapa) fibre con strati di BC coltivando Acetobacter xylinius in presenza di fibre naturali 5,29,30. Ciò ha portato a una migliore adesione interfacciale tra PLLA e BC rivestite fibre naturali 29,31. Al fine di semplificare il processo di rivestimento queste fibre, Lee et al. 31 sviluppato un metodo di rivestimento naturali (sisal) fibers senza l'uso di bioreattori. Questo metodo si basa processo di immersione liquami, in cui fibre di sisal secche sono immersi in una sospensione BC. Un'estensione di questo metodo 32 è di filtrare la sospensione acquosa contenente fibre di sisal sciolti e BC per la produzione di preforme in fibra di sisal adatte per la produzione tipica strutture composite.
Abbiamo dimostrato in questo esperimento che le fibre di sisal sciolti possono essere associati con BC. Tuttavia, la scelta delle fibre non è limitata solo alle fibre sisal. , Possono essere usati anche altri tipi di fibre, come il lino e la canapa. Oltre a questo, abbiamo anche dimostrato che la farina di legno, carta riciclata, e sciogliendo polpa può anche essere associato in preforme rigidi e robusti utilizzando un legante BC (risultati non ancora pubblicata). Il criterio è che le fibre utilizzate devono essere idrofilo e assorbire acqua. Come suddetto, la natura idrofila delle fibre assorbe acqua, la tracciatura del BC che è disperso nel mezzo. Il BC viene filtrato contro la superficie di queste fibre idrofile e forma uno strato di rivestimento aC quando sono disidratate le fibre. Mentre cellulosa batterica può essere depositato intorno alle fibre naturali coltivando xylinus Acetobacter in presenza di fibre naturali 5, 29, 30, questo processo è laborioso e riquaderni bioreattori costosi, con stretto controllo del pH e del contenuto di ossigeno disciolto. Il nostro processo migliorato, invece, si basa su un metodo di fabbricazione della carta (cioè: disperdere fibre naturali in una sospensione aC) e non vi è alcuna necessità di bioreattori 31.
Per quanto riguarda l'applicazione di fibre naturali in compositi, orientati in modo casuale non tessuto (breve e orientati in modo casuale) preformati di fibre naturali sono prodotte da agugliatura (essenzialmente cucitura) fibre polimeriche (tipicamente un poliestere) attraverso fibre sciolte compattati 33. Per fare un composito, i preformati di fibre vengono poi poste in uno stampo e infusi con una resina. Fibre di polimeri possono anche essere mescolati con fibre naturali 34 (tipicamente lino, canapa, iuta o) o disperso in una sospensione di fibre naturali e filtrati sotto vuoto a 35 frazione ad alto volume di polimero (50 vol.%). Questo tappetino fibra naturale polimero (preforma) viene successivamente riscaldato per fondere il polimero di produce una struttura composita. Questi ultimi processi di produzione di compositi sono intrinsecamente scalabili ma sono limitate dalla scelta di fibre polimeriche (il polimero dovrebbe fondere a temperature inferiori alla temperatura di degradazione delle fibre) che possono essere usati per fare preforme e, quindi, il tipo di matrici disponibili per fare compositi. Utilizzando il nostro metodo, BC non agire non solo come legante, agisce anche come un nano-rinforzo 32. Come sopra indicato, il modulo di Young di un individuo nanofibre BC è stato stimato in 114 GPa. Mentre la singola resistenza alla trazione della fibra di BC non è noto, la resistenza alla trazione delle fibre singole TEMPO-ossidato legno e tunicato è stato recentemente misurata utilizzando ultrasuoni cavitazione indotta 36. Resistenza alla trazione tra 0,8-1,5 GPa è stata misurata per queste singole nanofibre. Queste proprietà meccaniche, insieme con il potenziale di legame di BC, BC reso un ottimo candidato per produrre veri verde e orientate casualmente breve naturAL rinforzati con fibre, batteri compositi rinnovabili cellulosa rinforzata con prestazioni meccaniche che supera i polimeri rinforzati con fibre convenzionali.
In termini di produzione di compositi, il processo di fabbricazione preferito è il doppio sacco a vuoto assistito infusione della resina discusso (DBVI) sviluppato da Waldrop et al. 37 A differenza del singolo sacchetto di vuoto assistita infusione più convenzionale resina (noto anche come il processo Seemann 38), DBVI impiega due sacchetti sottovuoto indipendenti durante il processo di infusione (vedere Figura 2). Mentre il processo Seemann funzionerà per compositi di produzione, questo processo potrebbe soffrire di sacco a vuoto relax dietro il fronte del flusso della resina. Quando ciò si verifica, l'area in cui si verifica il relax sarà morbida e spugnosa. Il rilassamento sacco a vuoto comporta il sacco a vuoto allontanandosi dal mezzo di flusso dovuta al flusso preferenziale di resina liquida nel percorso di minor resistenza. Tsuo causerà compositi realizzati in modo tale frazioni volumetriche di fibre non uniformi (cioè la superficie rilassata avrà una percentuale in volume di fibra inferiore alla superficie non rilassata del sacco a vuoto). DBVI non soffre di questo inconveniente, come il sacco a vuoto interiore mai rilassa dietro il fronte del flusso della resina liquida. Come risultato, i pannelli compositi risultanti avranno superiore frazione volumetrica media di fibra e spessore più uniforme. Inoltre, l'uso del sacco a vuoto esterno fornisce una ridondanza al sistema e migliora l'integrità del vuoto del processo di iniezione liquida.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori desiderano ringraziare l'Università di Vienna per sostenere KYL e l'Ingegneria e Scienze Fisiche Research Council UK (EPSRC) per un Fondo di follow-on per il finanziamento SRS e il lavoro (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 |