Delignified уделоенная древесина представляет собой новый многообещающий легкий, высокопроизводительный и био-материал на основе с большим потенциалом для частичной замены натурального волокна усиленных или стеклянных волокон усиленных композитов в будущем. Здесь мы представляем два универсальных маршрута изготовления и демонстрируем возможность создания сложных композитных деталей.
Delignified уделольной древесины является новым перспективным и устойчивым материалом, который обладает потенциалом для замены синтетических материалов, таких как стекловолокна армированных композитов, из-за его отличные механические свойства. Delignified древесины, однако, является довольно хрупким в мокром состоянии, что делает обработку и формирование сложной задачей. Здесь мы представляем два процесса изготовления, закрытой плесени уплотнения и вакуумной уплотнения, для производства высокопроизводительных целлюлозных композитов на основе delignified древесины, в том числе оценки их преимуществ и ограничений. Кроме того, мы предлагаем стратегии, как композиты могут быть повторно использованы или разложена в конце жизни цикла. Уплотнение с закрытой плесенью имеет то преимущество, что не требуется сложное лабораторное оборудование. Простые зажимы винта или пресс аможет быть использован для уплотнения. Мы рекомендуем этот метод для небольших деталей с простой геометрией и большими радиусами кривизны. Вакуумная уплотнение в процессе открытой формы подходит для более крупных объектов и сложных геометрий, включая небольшие радиусы кривизны. По сравнению с процессом закрытой формы, открытый вакуумный подход только требует производства одной полосы полости.
Развитие новых натуральных волокон (NF) на основе композитов, оснащенных превосходными механическими свойствами представляет собой одну из основных задач в материаловедении, так как они могут быть устойчивыми альтернативами для современных синтетических систем, таких как композиты из стекловолокна1,2,3. Кроме традиционных NF композитов (льня, конопли, кенфа и т.д.)4,5,уплотнение древесины после частичного или полного удаления матричных компонентов получил все большее внимание в последние годы6,7,9,10,11. Маршрут производства сверху вниз, основанный на делегировании навалочной древесины с последующим уплотнением, концептуально противоречит довольно сложным процессам снизу вверх для целлюлозы и суспензии на основе продукции12. В целлюлозно-суспензионных продуктах выравнивание древесного волокна не сохраняется, так как волокна разделены в процессе. В отличие от этого, структура-сохраняя delignified древесины, которая получена в сверху вниз процесс, передает сложные архитектуры с выровненными целлюлозными волокнами в новый материал. Для достижения уплотнения delignified древесины без искажений выравнивания волокна, новые маршруты обработки должны быть разработаны.
Прямая уплотнение насыщенных водой delignified образцов древесины приводит к ограниченной степени уплотнения, трещины, и волокна выравнивания искажений из-за мокрой образца присущие свободной воды, которая создает встречное давление во время уплотнения. Текущие решения, чтобы избежать потери структурной целостности при уплотнении включает в себя использование частично delignified древесины с последующим высокотемпературной уплотнение9 или предварительной высыхания delignified древесины до уплотнения6. Оба метода укрепляют связь между соседними клетками, либо из-за оставшегося лигнина, который действует как клей, либо из-за свободного удаления воды между клетками.
В обоих случаях происходит снижение формообразуемости, что ограничивает применение конструкции; необходимый образец предварительного кондиционирования также приводит к более длительному времени обработки. Поэтому необходим быстрый и масштабируемый процесс, который сочетает в себе формирование и уплотнение в одном шаге.
В этой связи мы представляем здесь открытую/закрытую плесень уплотнения и вакуумную обработку delignified древесины как методы для объединения формирования, уплотнения и сушки в простом и масштабируемом подходе. На рисунке 1 показаны delignified уплотняемые древо-композитные части, которые были получены с помощью методов, описанных в этой работе.
Рисунок 1: Примеры delignified уплотняемых деревянных композитных деталей. (A) Дверная панель, (B) боковое зеркало, (C) дверная ручка автомобиля, (D) ортез, (E) вырезать открытый шлем, и (( F) тахометр крышка автомобиля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Мы представляем универсальные методы изготовления для получения высокопроизводительных delignified древесных композитов и предлагаем возможные стратегии повторного использования и переработки. Закрытая обработка формы предпосылок предварительного кондиционирования материала, так как он не может быть обработан в насыщенном водой состоянии. Использование замкнутого процесса, однако, может быть метод выбора, особенно если, например, нет вакуумной установки доступны или если хороший (гладкая) поверхность отделка с обеих сторон желательно.
Вакуумная обработка мелкой формы деликатной древесины позволяет сочетать формирование, уплотнение и сушку насыщенных водой образцов простым и масштабируемым подходом. Этот метод применим для производства сложных геометрий и предлагает масштабируемую альтернативу для процессов с закрытой формой. Мы изготовили композиты, укладывая delignified деревянные виниры с использованием крахмала в качестве клея между слоями. Уплотнение до одной четверти начальной толщины привело к окончательной толщине 2,5 мм 8-слойной толщиной композитной части. Для получения более гладкой поверхности отделки в вакуумном процессе, использование закрытой пористой формы может быть подходящей альтернативой.
Для обоих методов обработки, мы рекомендуем использовать клеевую систему между delignified деревянных слоев для того, чтобы уменьшить риск делемации. Для данного примера мы выбираем крахмал, так как он является известным био-клеем для целлюлозы и бумажных продуктов, таких как бумажные пакеты, и основан на воде. Будущие работы будут сосредоточены на изготовлении более толстых ламинатов для устранения текущих ограничений с точки зрения сушки и отклонений потока волокна.
В целом вакуумная обработка delignified древесины имеет потенциал для легкого и быстрого производства крупнотоннажных целлюлозных волоконных композитов. После решения вопроса о долговечности материала путем применения надлежащих покрытий, водостабильных клеевых систем или химической модификации, возможные промышленные применения могут включать в себя автомобильные компоненты, такие как дверные панели, полы и приборные панели. Наш материал может заменить металлы или волокна армированных композитов для того, чтобы уменьшить вес для повышения эффективности использования топлива и для улучшения вторичной переработки.
The authors have nothing to disclose.
Авторы благодарят Сильвана Гантенбейна за 3D-печать пористых форм.
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 |