Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites

Marion Frey; Meri Zirkelbach; Clemens Dransfeld; Eric Faude; Etienne Trachsel; Mikael Hannus; Ingo Burgert; Tobias Keplinger

doi:10.3791/60327

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

ייצור ועיצוב עץ מבוסס ביצועים גבוהים מרוכבים

Published: November 09, 2019

doi:

10.3791/60327

Marion Frey^1,2, Meri Zirkelbach³, Clemens Dransfeld⁴, Eric Faude¹, Etienne Trachsel¹, Mikael Hannus⁵, Ingo Burgert^1,2, Tobias Keplinger^1,2

¹Wood Materials Science, Department of Civil, Environmental and Geomatic Engineering,ETH Zurich, ²Cellulose & Wood Materials, Functional Materials,EMPA, ³Design and Arts,Lucerne University of Applied Sciences and Arts, ⁴Aerospace Manufacturing Technologies, Aerospace Engineering,Delft University of Technology, ⁵Stora Enso Oyj

Summary

עץ מבוסס דלאיזיטון מייצג משקל מבטיח חדש, ביצועים גבוהים וחומר ביולוגי עם פוטנציאל רב להחליף באופן חלקי סיבים טבעיים מחוזק או סיבי זכוכית מחוזקים בעתיד. אנו כאן מציגים שתי נתיבי ייצור רב-תכליתי ולהדגים את האפשרות ליצור חלקים מורכבים מורכב.

Abstract

החומר המעיק והמבטיח, המכיל את הפוטנציאל להחלפת חומרים סינתטיים, כגון סיבי זכוכית מחוזקים, בשל תכונותיו המכאניות המעולות. לעומת זאת, עץ מדלל, שברירי למדי במצב רטוב, שהופך את הטיפול והעיצוב למאתגר. כאן אנו מציגים שני תהליכי ייצור, כייר סגור והדסיפיקציה ואקום, כדי לייצר ביצועים גבוהים תאית מרוכבים על בסיס עץ מדלנטי, כולל הערכה של יתרונות ומגבלות שלהם. יתרה מזאת, אנו מציעים אסטרטגיות לאופן שבו ניתן להשתמש מחדש או לפרק את הקומפוזיטורית במחזור סוף החיים. לביטול עובש סגור יש את היתרון. שאין צורך בציוד מעבדה משוכלל ניתן להשתמש בתפסים פשוטים של ברגים או בעיתונות. אנו ממליצים על שיטה זו עבור חלקים קטנים בעלי גיאומטריות פשוטות ורדידיות גדולות של עקמומיות. הדפיקציה ואקום בתהליך כייר פתוח מתאים לאובייקטים גדולים יותר גיאומטריות מורכבות, כולל רדיוi קטן של עקמומיות. בהשוואה לתהליך סגור-עובש, גישה ואקום כייר פתוח רק צריך את הייצור של חלל עובש אחד.

Introduction

ההתפתחות של סיבים טבעיים הרומן (NF) מבוסס מרוכבים מצויד תכונות מכניות מעולה מייצג אחת המשימות העיקריות במדעי החומרים, כפי שהם יכולים להיות חלופות בר קיימא עבור מערכות סינטתיים הנוכחי כגון סיבי זכוכית מרוכבים¹^,²^,³. מלבד מסורתיים NF מרוכבים (פשתן, קנבוס, kenaf, וכו ‘)⁴^,⁵, הדסיפיקציה של עץ לאחר הסרה חלקית או מלאה של רכיבי מטריקס קיבל תשומת לב הגוברת בשנים האחרונות⁶^,⁷^,⁸^,⁹^,¹⁰^,¹¹. המסלול ייצור מלמעלה-למטה, מבוסס על הדלפיציה של עץ בתפזורת ואחריו הדסיפיקציה, הוא בניגוד מבחינה מושגית מורכבים למדי התחתון למעלה תהליכים עבור מוצרים מבוססי הזולה והמעיק¹². במוצרים זולה ומבוססי שאיפה, היישור סיבי עץ מועיל אינו נשמר כמו סיבים מופרדים בתהליך. לעומת זאת, שמירה על עץ מרקם, המתקבל בתהליך מלמעלה-למטה, מעבירה את הארכיטקטורה המתוחכמת עם סיבי תאית מיושרים לחומר החדש. כדי להשיג הדפיקציה של עץ מדלקור ללא עיוותים ביישור סיבים, יש לפתח נתיבי עיבוד חדשים.

השלכה ישירה של דגימות עץ מדלקות הרוויות במים, מובילה למידה מוגבלת, סדקים, והעיוותים ביישור סיבים בשל המים החופשיים הטבועים במדגם רטוב, היוצרים לחץ נגד במהלך הדסיפיקציה. הפתרונות הנוכחיים כדי להימנע מאובדן שלמות מבנית על ידי הימנעות מהניצול של עץ מדלל באופן חלקי, ולאחריה הטמפרטורה הגבוהה של החום⁹ או הייבוש מראש של עץ מדלקור^. שתי השיטות משפרות את הקישוריות בין תאים שכנים, בגלל הליגניב הנותרת, הפועלת בתור דבק או הסרת מים בחינם בין תאים.

בשני המקרים, formability מופחת מתרחשת, אשר מגביל את יישומי העיצוב; מיזוג הדגימה הנדרש מוביל גם לזמני עיבוד ארוכים יותר. לכן, תהליך מהיר ומדרגי המשלב עיצוב והדפיקציה בצעד אחד הוא הכרחי.

בהקשר זה, אנו מציגים כאן למעלה/סגור-עובש הדפיקציה ועיבוד ואקום של עץ מדלקור כשיטות לשלב עיצוב, התקשות, וייבוש בגישה פשוטה ומדרגית. איור 1 מראה שימוש ברכיבים מורכבים מעץ מורכב, שהושגו באמצעות הטכניקות המתוארות בעבודה זו.

איור 1: דוגמאות של חלקים מורכבים מעץ מורכב. (א) הלוח דלת, (ב) מראה בצד, (ג) ידית הדלת של מכונית, (ד) אורתוזיס, (E) לחתוך קסדה פתוחה, ו (F) מכסה של מכונית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

1. הדלגציה של חזיתות עץ הערה: פרוטוקול זה מבוסס על העבודות הקודמות שלנו, שפורסמו על ידי פריי ואח ‘ 20186 ו-Segmehl et al. 201813. הר מחזיק לדוגמה פלדת אל-חלד במנה התגבש או בגביע ובמקום בר המהומה מגנטי מתחת למחזיק לדוגמה. מחסנית חזיתות עץ על גבי המחזיק ולהפריד אותם על ידי רשתות שינוי מתכת או פסים רשת מתכת (איור 2א). כאן, אנו משתמשים חזיתות מוקדי לחתוך אשוח עם עובי של 1.5 מ”מ. מינים עץ וסוג (הטנגלי, רדיאלי, פורניר לחתוך רוטרי), כמו גם את העובי של חזיתות יכול להיות מגוון. הכנת תערובת נפח 1:1 של מי חמצן (30 wt%) וחומצה אצטית קרחוני ויוצקים את התערובת לתוך המנה ההתגבש עד שחזיתות מכוסים במלואו. השתמש במנות זכוכית (למשל צלחת פטרי) כדי לשמור על חזיתות התמיסה. משרים דגימות בתמיסה בטמפרטורת החדר (RT) לילה תוך כדי ערבוב ב 150 סל ד. מחממים את הפתרון ל-80 ° c ומנהלים את התגובה ל -6 מעלות על הדלרות מלאה. כוונן את זמן הדלגציה בהתאם לעובי המדגם. לאחר הדלגציה, יוצקים את התמיסה הדלגעלת לתוך גביע ריק ותן לו להתקרר לפני הסילוק. שטפו בעדינות את הציפויים הדלמיים מספר פעמים עם מים מפוחים. לאחר מכן, המשיכו לשטוף את החזיתות ללא ערבוב על ידי מילוי המנה ההתגבש (גביע) עם מים מפוחים. החליפו את המים פעמיים ביום עד שיגיע לערך ה-pH של מי הכביסה מעל 5 (איור 2ב’). מטפלים בחזיתות עץ רטובות ומדלבשות בזהירות, כאשר הגרדום התאית שברירי למדי. השתמשו ברשת מתכת כתמיכה בהובלה ובאיתות (איור 4). איור 2: הגדרת הדלגציה. (A) התגבש צלחת עם רשת שינוי מתכת לדוגמה מחזיק חזיתות עץ מוערמים על גבי מחזיק המדגם. פסים ממתכת מפרידים. בין החזיתות הבודדות (ב) ציפוי ציפויים מכוסים במים במהלך תהליך השטיפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. 2. אחסנה ו “תאית prepreg” הפקה שקלו את העיבוד של דגימות העץ. הרטובות בתוך 2-3 שבועות לחילופין, שמור את החומר לאחסון לטווח ארוך באתנול (אטוח) או ייבש את הסדינים בין רשתות שינוי מתכת. לאחסן את היבשים, יריעות תאית שטוח (“תאית prepregs”) מתחת 65% לחות יחסית (RH). הרטבת מחדש את הסדינים במים לפני העיצוב והעיבוד הנוספים. 3. הדפיקציה ויצירת עץ מדלקור בתבניות סגורות השימוש בתבניות סגורות עשוי מחומר פתוח-נקבובי (למשל, בתבניות קרמיקה, נקבובי מודפס בתבניות פולימר תלת-ממד) כדי לאפשר הסרת מים וייבוש מספיק. גדלי נקבובית צריך להיות מתחת 2 מ”מ, במיוחד לכיוון פני השטח, כדי להשיג משטח חלק של החלק המורכב הסופי. מצבו של עץ הדלדל. בRH הרצוי עבור עקמומיות רדיוi בטווח ס מ או במבני מישור, השתמש בדגימות הממוזגות ב-95% לחות ב-20 ° c. עבור עקמומיות קטן רדיוi, לעטוף את פורניר במצב רווי מים, מראש לייבש את החומר העטוף בתבנית פתוחה ב 95% לחות יחסית, או להתייבש מראש את החומר בתנור (65 ° c) עבור 5-30 דקות (הזמן תלוי בעובי המדגם). שיקולים עקמומיות נעשים ביחס עובי פורניר (כאן 1.5 מ”מ). Densify את החומר בעובש הסגור או באמצעות מלחציים ברגים או בעיתונות. . רק אם צריך לפצות על ההתכווצות תהליך הייבוש יכול להיות מהיר על ידי הצבת העובש לתוך התנור ב 65 ° c או על ידי הגברת הטמפרטורה של העיתונות.הערה: לחץ נמוך יחסית בטווח של מספר MPa הוא מספיק כדי לנקות את העץ הרטוב והלח. העובי הסופי יכול להיות נשלט באמצעות מרווחים עם עובי ממוקד בין משטחי עובש ולא על ידי שליטה בלחץ. לאחר ייבוש מלא, demold החלק המורכב ושימוש חוזר בתבנית להפעלה חדשה. 4. עיצוב וואקום של עצים מדלאיסטים בתבניות פתוחות השתמש בעובש פתוח נקבובי כמתואר ב-3.1. לחילופין, השתמשו בתבניות שאינן נקבוביות עם שכבה נקבובי (למשל רשת, טקסטיל, נשימה) על גבי העובש או על גבי עץ הדלקור כדי לאפשר ייבוש (איור 3א). השתמש שכבת טקסטיל (למשל, לקלף) כדי להגן על העובש מפני זיהום. לעטוף פורניר בציפוי מים על גבי הטקסטיל (איור 3ב) ולכסות אותו בשכבת הטקסטיל השנייה ושינוי זרימה.הערה: כדי לקבל גימור חלק במשטח, אנו ממליצים להשתמש בעיבוד של עובש בתבנית סגורה. בשביל זה, להחליף את שינוי הזרימה עם החלק העליון נקבובי של העובש. עם זאת, אם המשטח מתאים לדוגמה לרשת, התהליך הפתוח הוא חלופה טובה. מניחים את העובש על גבי צלחת פלדת אל-חלד, להחיל את הנייר איטום ושפופרות ואקום, ולעטוף את העובש (פתוח או סגור) עם שקית ואקום. השתמש בשינוי זרימה כדי לאפשר זרימת מים לצינורות ואקום. באופן אופציונלי, הציבו שכבות רשת נוספות מתחת לתבנית כדי לשפר את תהליך הייבוש ולהימנע מנפילות של לחץ ואקום מקומי, במיוחד עבור חלקים גדולים יותר (איור 3ג). החל ואקום לייבוש והדפיקציה סימולטני של המורכב. לייבוש, מניחים את הכיוונון בתנור בטמפרטורה גבוהה (כגון 65 ° c).הערה: הקפידו להשתמש במלכודות קרות כדי להימנע ממים הנכנסים למשאבת הוואקום. אנחנו משתמשים במשאבת נפט. בטווח לחץ של בר 10-2 עם זאת, אפשר גם להשתמש במשאבה ממברנה אבל המסחר הפלייאוף בנוגע לתואר דסיפיקציה אולי צריך להילקח בחשבון. לאחר ייבוש, demold המורכב יבש להשתמש מחדש עובש ואקום ההתקנה עבור חלק מורכב חדש (איור 3D). איור 3: איור סכמטי של תהליך הפתיחה-עובש. (א) נקבובי עובש עם נקבוביות קטנות יותר כלפי פני השטח. (ב) עץ דלאיקור העטוף על גבי העובש הנקבובי (אפור) ושכבת הטקסטיל האופציונלית להגנה מפני עובש (ירוק). (ג) טקסטיל, שינוי זרימה ושקית ואקום הונחו על גבי עץ מדלנטי. הלחץ מוחל באמצעות שקית ואקום ומוביל לדסיפיקציה וייבוש של החומר. (ד) המורכב הסופי לאחר הדמולדינג. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. 5. ייצור חלקים מורכבים למינציה ייצור חלקים עבים מורכבים בעלי ריבוי שכבות באמצעות טכניקות השכבה ובחירת זווית כיוון הסיבים של השכבות (לדוגמה [0 °], [0 °/90 °], [0 °/-45 °/90 °/45 °]S) כמו בייצור משולב מסורתית.הערה: ניתן לבחור את מספר השכבות בהתאם לעובי היעד של החלק הסופי. עם זאת, הזמן ואקום תלוי בגודל ועובי של החלק נע בין 2 h (שכבה אחת, 1.5 מ”מ עבה) עד 2 ימים עבור חלק 8 רובדי. הגברת הקשר בין שכבות עץ מדלשנות על-ידי החלת דבק בין שכבות במהלך תהליך האיתות. השתמשו בדבק מים (כגון עמילן) המאפשר ייבוש ואשפרה משולבים של דבק.הערה: אנו להחיל 0.04 g/cm2 של 16.5 wt% עמילן פתרון בין השכבות. עם זאת, דבקים אחרים המבוססים על מים יכולים לשמש לחילופין. Demold את החלק המורכב ואת גימור מכונת ביד או עם החריטת עץ רגיל (איור 6E, F). 6. שימוש חוזר ומיחזור של חלקים קומפוזיטוריים הניחו את המים המוחדרים ללא הודבק בעץ, עד שהחלק חוזר לעצמו. לאחר מכן, שינוי צורה של החומר כדי לקבל מוצר חדש (ראה פריי ואח ‘ 20197) או להקטין אותו לחתיכות קטנות. שימוש חוזר בפיסות הקטנות של עץ מדלל כדי ליצור מוצרים חדשים בהשראת טכניקות זולה סטנדרטית (g. העיצוב הזולה) ולבסוף לתת את החומר הביולבזות אחרי סוף החיים.

Representative Results

הדלגציה וטיפול בחזיתות עץ. הפחתה מוחלטת מובילה להפחתת מסה של כ 40% והפחתת נפח של כ -20% לאחר ייבוש ב 65% RH6. מלבד lignin, חלק של hemicelluloses מקבל גם להסיר. הסרת רכיבים אלה גורמת לחומר תאית שברירי (ראה איור 4). שימוש ברשתות מתכת כמו תמיכה מקלה על טיפול והדפינג. איור 4: טיפול בעצים מדלחים במצב רטוב. (א) עץ מדלף שברירי במצבה הרטוב. (ב) טיפול בחומר הוא הקלו באמצעות רשת מתכת לתחבורה או (C) עבור כורכת את החומר לתבנית. (ד) עץ דלאיקור מכוסה בראש של עובש נקבובי מודפס תלת-ממדי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. הדפיקציה ויצירת עץ מדלקור בתבניות סגורות. הדפיקציה של עץ מדלקור רווי מים (איור 5א-ג) תובענית, כאשר מים חופשיים בפיגום יוצרים לחץ נגד הדפיקציה ומאפשר לחומר לזרום במהלך העיבוד. זה גורם לסטיות סיבים וסדקים בחומר הסופי (איור 5ב, ג). אפשרות אחת לעקוף מגבלות אלה היא להשתמש לח ממוזג לחות (95% RH ו-20 ° c), עץ מדלל. במצב זה, עץ להרגעה הוא עדיין מאוד שבור והוא אינו מוביל לעיוותים ביישור סיבים ופגמים. החומר הטרום ממוזג, עם זאת, נוקשה יותר לעומת המצב רווי המים, מה שמקשה על השגת עקמומיות קטנה רדיוi ללא נזק חומרי. עבור עקמומיות קטנה רדיוi, כורכת רטוב ולאחר מכן מיזוג המדינה בצורת כבר הדסיפיקציה לפני המצב ניתן להשתמש. עם זאת, מיזוג הוא די זמן ולכן לא מומלץ עבור יישומים בקנה מידה גדול. איור 5: מקור העובש הסגור של עץ מדלקור במצב רטוב ולח. (א) הדפיקציה של חומר התאית רווי המים מוביל (ב, ג) סדקים ושעוות סיבים. (D-F) הדפיקציה של חומר לח, ממוזג ב 95% לחות יחסית מביא לשימור טוב יותר של יישור סיבים ופגמים פחות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. עיצוב ואקום והדפיקציה של חלק מרובד בתבנית פתוחה. בתוספת לעיצוב ואקום, מייצרנו קסדה בתבנית גבס מתוצרת עצמית באמצעות תהליך כייר פתוח (איור 6א, ב). כמו lay, אנו מכוסה 2 שכבות של משושה-פתיתים עבור texturing פני השטח ואחריו 4 שכבות של פורניר עץ מדלק ב [0 °/90 °] שכב (איור 6ג). הפתיתים מספקים עיצוב משטח אטרקטיבי, ואילו שכבות חד-ממדיות (UD) מוסיפות חוזק ונוקשות לקומפוזיט. הגשתי 16.5 wt% עמילן כמו דבק בין שכבות כדי למנוע delamination14. הדפיקציה ואקום (איור 6ד) מוביל לייבוש מלא של החלק בתוך 48 h ו הדסיפיקציה עד עובי של 3 מ”מ (1/3rd של העובי הראשוני). לאחר עיבוד ואקום, החלק המורכב הוא demolded (איור 6E) ואת הקצוות הם גזוז עם חותך (איור 6F). עובי לייעד המקסימלי שיכול להיות מהוקצע ומיובש במלואו עם הגישה הפתוחה היתה שכבה 8-השכבה (8 x 1.5 מ”מ פורניר) עם עובי הקצה של חלק זה של 2.5 מ”מ, אשר מתאים לדסיפיקציה עד רבע העובי הראשוני של עץ מדלל יבש, לוקח בחשבון את הצטמקות השכבה על התייבשות וייבוש. כדי לקבל מעלות כזו גבוהה, ואקום נמוך בטווח של 10-2 בר נדרש. מרחבי עץ מרוכבים המעובדים בסביבות רבע מהעובי הראשוני שלהם, בדרך כלל משיגים ערכי מודוללי גמישים סביב 25 ממוצע ערכים וערכי כוח בטווח של 150-180 MPa, כפי שמוצג בעבודה הקודמת שלנו (טבלה 1)7. <!– FVC 20% 33% 50% 66% 85% Density (g/cm3) 0.3 0.5 0.72 1 1.3 Tensile elastic modulus (GPa)7 5 10 15 25 35 Tensile strength (MPa)7 60 90 120 180 250 –> טבלה 1: ערכי ספרות עבור מודול אלסטי מתיחה וחוזק מתיחה של עץ מדלדל. עיבוד ואקום התוצאות למטה 1/4 של העובי הראשוני, אשר תואם FVC של 66%. איור 6: ייצור קסדה בעיבוד כייר פתוח. (א, ב) עיצוב הקסדה המקורית בעזרת תבנית גבס. (ג) כורכת של שתי שכבות חיצוניות עם פתיתי משושה ואחריו כורכת הפנימי 4-שכבות ב [0/90] להרים. (ד) הדסיפיקציה וייבוש של החלק על ידי ואקום. (ה) דמולדינג של החלק היבש ו (ו) לסיים באמצעות חותך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. ניצול רשתות שינוי זרימה מביא בדרך כלל הטבעה של רשת במדגם. ניתן לראות זאת כאסטרטגיית עיצוב הטבועה בתהליך או שניתן למנוע אותה על-ידי הצבת שכבת טקסטיל עבה יותר בין עץ ושינוי זרימה. לחילופין, תבניות סגורות בשילוב עם עיבוד ואקום כפי שמתואר בשלב הפרוטוקול 4.2 ניתן להשתמש. ניתן להשיג מיון רגיל על ידי הצבת פיסות קטנות של ציפויים מדללים בסדר מוגדר, כפי שמוצג לפני הדוגמה שלנו עם משושה על הקסדה. בעיות שיכולות להיווצר במהלך עיבוד ואקום כוללות מורדפים בחלק המורכב, הנגרמים בשל ייבוש לא שלם והתרחשות סדקים (איור 7). סדקים הנובעים בעיקר מעצים מדלנסים שאוחסנו בייצור מורכב מראש. לפיכך, לאחר אחסון ה-אטוח, מומלץ לטבול בזהירות עץ מדלל במים לפני העיבוד. בנוסף, להיזהר כורכת ואחריו הדפיקציה קלה ביד כדי להסיר כמה מים בחינם מפחית את הסיכון של פיצוח. איור 7: בעיות אפשריות הנובעות מייצור גאומטריות מורכבות. (א) מבט מאחור ו (ב) מבט צדדי על הקסדה המיוצרת. (ג, ד) סדקים קטנים בשל הצטמקות החומר במהלך העיבוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. שימוש חוזר או פירוק של חלקים מורכבים. שלנו תאית-עמילן מרוכב הוא כל ביו מבוססי והוא יכול להתפרק במים. מצד אחד, הhydrophilicity של החומר הוא חיסרון, מכיוון שהיא מובילה לצמצום ביצועים מכניים בעת מגע עם מים. שיטה פשוטה להגן על הקומפוזיט מן המים הנוזליים כוללת ציפויים הידרופובי, כפי שראינו בפריי ואח ‘. 20197. מצד שני, התנהגות הידרופילית של החומר יכולה גם להיות מועילה כשמדובר בסוף שימוש בחיים ומיחזור היבטים. המדגם ניתן פשוט להיות מתפורר במים חלקים קטנים יותר משקה סיבי יכול לשמש עוד לייצור מוצרים מבוססי סיבים חדשים כפי שמוצג באיור 8. יתר על כן, החומר הסיבי הוא מתכלה לחלוטין, כפי שמוצג באיור 9. איור 8: שימוש חוזר בסיבי עץ מדלקור. (א-ג) צמצום חזיתות העץ לחתיכות קטנות על ידי פיזור החומר במים. (D-F) שימוש חוזר בזברי סיבים להפקת ציפוי של קסדה. (ד) הייטינג של עובש סיליקון עם מילוי סיבים. (ה) הציפוי הסופי של הקסדה. (ו) הבטנה מתוך עץ מתפורר בתוך הקליפה הקשה של הקסדה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה. איור 9: השפלה של סיבי עץ מדלקור. (א) צלחת פטרימלאהבאדמה. (ב) הצבת שברי סיבים על גבי הקרקע ו (ג) מילוי אותו עם מים. (ד) ביו-השפלה אחרי יום אחד, (ה) לאחר שמונה ימים, ו (ו) אחרי 26 ימים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

אנו מציגים טכניקות הייצור תכליתי כדי להשיג ביצועים גבוהים מבוססי עץ מרוכבים ומציעים אפשרי להשתמש מחדש ואסטרטגיות מיחזור. עיבוד מוקדם של כייר בתבנית סגורה מקדם את החומר, משום שאינו ניתן לעיבוד במצב רווי המים. שימוש בתהליך כייר סגור, עם זאת, יכול להיות שיטת הבחירה במיוחד אם לדוגמה אין התקנה ואקום זמין או אם משטח נחמד (חלק) הגימור משני הצדדים רצוי.

עיבוד ואקום כייר פתוח של עץ דלנטי מאפשר שילוב של עיצוב, הדפיקציה וייבוש של דוגמיות רוויות במים בגישה פשוטה ומדרגית. הטכניקה ישימה לייצור גאומטריות מורכבות ומציעה חלופה מדרגית לתהליכי עובש סגורים. הצלחנו לייצר מרוכבים על ידי הערמה של ציפוי עץ מדלקור באמצעות עמילן כדבק בין שכבות. הדסיפיקציה עד רבעון אחד של העובי הראשוני הביא עובי הסופי של 2.5 מ”מ של החלק 8-שכבה עבה מורכב. להשגת משטח חלקה יותר בתהליך ואקום, השימוש עובש נקבובי סגור יכול להיות חלופה הולמת.

בשתי שיטות העיבוד, מומלץ להשתמש במערכת דבק בין שכבות עץ מדלנות, כדי להקטין את הסיכון של הדלנות. עבור הדוגמה הנתונה, אנו בוחרים עמילן, כפי שהוא דבק ידוע ביולוגי מבוסס על מוצרי נייר וזולה, כגון שקיות נייר, והוא מבוסס מים. עבודות עתידיות יתמקדו בייצור ציפויים עבים יותר כדי לפתור את המגבלות הנוכחיות במונחים של התייבשות והזרמת סיבים.

באופן כללי, עיבוד ואקום של עץ הדלנטי יש פוטנציאל לייצור קל ומהיר של סיבים תאית מדורגת בקנה מידה גדול. לאחר טיפול בבעיית העמידות של החומר על-ידי החלת ציפויים נאותים, מערכות דבק יציבות מים או שינוי כימי, יישומים תעשייתיים אפשריים עשויים לכלול רכיבי כלי רכב כגון לוחות דלתות, רצפות ולוחות מחוונים. החומר שלנו יכול להחליף מתכות או סיבים מחוזק מרוכבים כדי להפחית את המשקל ליעילות הדלק טוב יותר כדי לשפר את יכולת מיחזור.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מודים לסילבן גנטנביין על הדפסת תלת-ממד של תבניות נקבובי.

Materials

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

References

Joshi, S. V., Drzal, L. T., Mohanty, A. K., Arora, S. Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites?. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 35 (3), 371-376 (2004).
Mohanty, A. K., Misra, M., Drzal, L. T. Sustainable Bio-Composites from Renewable Resources: Opportunities and Challenges in the Green Materials World. Journal of Polymers and the Environment. 10 (1), 19-26 (2002).
Mohanty, A. K., Vivekanandhan, S., Pin, J. M., Misra, M. Composites from renewable and sustainable resources: Challenges and innovations. Science. 362 (6414), 536-542 (2018).
Pickering, K. L., Efendy, M. G. A., Le, T. M. A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 83, 98-112 (2016).
Woigk, W., et al. Interface properties and their effect on the mechanical performance of flax fibre thermoplastic composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 122, 8-17 (2019).
Frey, M., et al. Delignified and Densified Cellulose Bulk Materials with Excellent Tensile Properties for Sustainable Engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (5), 5030-5037 (2018).
Frey, M., et al. Tunable Wood by Reversible Interlocking and Bioinspired Mechanical Gradients. Advanced Science. 6, 1802190 (2019).
Yano, H., Hirose, A., Collins, P., Yazaki, Y. Effects of the removal of matrix substances as a pretreatment in the production of high strength resin impregnated wood based materials. Journal of Materials Science Letters. 20 (12), 1125-1126 (2001).
Song, J., et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature. 554 (7691), 224 (2018).
Shams, M. I., Yano, H., Endou, K. Compressive deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin I: effects of pressing pressure and pressure holding. Journal of Wood Science. 50 (4), 337-342 (2004).
Yano, H. Potential strength for resin-impregnated compressed wood. Journal of Materials Science Letters. 20 (12), 1127-1129 (2001).
Keplinger, T., Wang, X., Burgert, I. Nanofibrillated cellulose composites and wood derived scaffolds for functional materials. Journal of Materials Chemistry A. 7 (7), 2981-2992 (2019).
Segmehl, J. S., Studer, V., Keplinger, T., Burgert, I. Characterization of Wood Derived Hierarchical Cellulose Scaffolds for Multifunctional Applications. Materials. 11 (4), 517 (2018).
Maurer, H. W., Kearney, R. L. Opportunities and challenges for starch in the paper industry. Starch-Stärke. 50 (9), 396-402 (1998).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Frey, M., Zirkelbach, M., Dransfeld, C., Faude, E., Trachsel, E., Hannus, M., Burgert, I., Keplinger, T. Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites. J. Vis. Exp. (153), e60327, doi:10.3791/60327 (2019).

Automatically Generated