Nous présentons une nouvelle méthode de fabrication de préformes rigides et robustes fibres naturelles courtes en utilisant un procédé de fabrication de papier. Cellulose bactérienne agit simultanément en tant que liant pour les fibres lâches et donne de la rigidité aux préformes de fibres. Ces préformes peuvent être infusées avec une résine pour produire des composites hiérarchiques vraiment verts.
Un nouveau procédé de fabrication de préformes en fibres naturelles rigides et robustes est présenté ici. Cette méthode est basée sur un procédé de fabrication de papier, de sorte que les fibres de sisal lâches et courtes sont dispersés dans une suspension aqueuse contenant de la cellulose bactérienne. La fibre et nanocellulose suspension est ensuite filtrée (en utilisant le vide ou la gravité) et le gâteau de filtration humide pressées pour faire sortir toute l'eau en excès, suivie d'une étape de séchage. Cela se traduira par la cornification du réseau de cellulose bactérienne, en maintenant les fibres naturelles en vrac ensemble.
Notre procédé est particulièrement adapté pour la fabrication de préformes rigides et robustes de fibres hydrophiles. La nature poreuse et hydrophile de ces fibres se traduit par l'absorption d'eau importante, en tirant dans la cellulose bactérienne dispersés dans la suspension. La cellulose bactérienne est ensuite filtré sur la surface de ces fibres, formation d'un revêtement de cellulose bactérienne. Lorsque la cellule bactérienne par des fibres lâchesulose suspension est filtré et séché, la cellulose bactérienne adjacent forme un réseau et cornifiée pour maintenir les fibres ensemble autrement lâches.
L'introduction de la cellulose bactérienne dans la préforme a entraîné une augmentation significative des propriétés mécaniques des préformes de fibre. Cela peut être attribué à la forte rigidité et la résistance du réseau de cellulose bactérienne. Avec cette préforme, haute performance composites hiérarchiques renouvelables peuvent également être fabriqués en utilisant des méthodes de production de composites classiques, tels que les films résine perfusion (RFI) ou transfert de résine (RTM). Ici, nous décrivons également la fabrication de composites hiérarchiques renouvelables en utilisant le double sac vide infusion de résine assistée.
Constante augmentation des prix du pétrole et la demande croissante du public pour un avenir durable ont suscité et relancé la recherche et le développement de matériaux verts, en particulier les polymères et composites. Malheureusement, les performances thermo-mécaniques des polymères vertes ou renouvelables est souvent inférieure par rapport aux polymères classiques à base de pétrole 1. Par exemple, disponible dans le commerce polylactide (PLA) et le polyhydroxybutyrate (PHB) sont cassants et possèdent de faibles températures de déformation à la chaleur. Une solution de création de matériaux renouvelables qui répondent ou dépassent même les performances des matériaux d'ingénierie couramment utilisés à base de pétrole est à apprendre du passé; Henry Ford a utilisé une stratégie composite, c'est à dire la combinaison des polymères bio-based/renewable avec un renfort 2, pour améliorer les propriétés des polymères renouvelables. Il est souvent affirmé que des fibres naturelles servent candidat idéal en renfort en raison de leur faible coût, de faible densité, renewabilité et la biodégradabilité 3. Composites en fibres naturelles ont vu une renaissance dans les années 1990 comme on peut le voir par l'augmentation exponentielle du nombre de publications scientifiques évaluées par des pairs (figure 1) 4. Cependant, la nature hydrophile de fibres naturelles et les caractéristiques hydrophobes de la plupart des matières thermoplastiques sont souvent reproché à entraîner une mauvaise adhérence fibres-matrice 5, ce qui se traduit souvent par une mauvaise tenue mécanique des composites polymères renforcés par des fibres qui en résultent. Pour résoudre ce problème, de nombreux chercheurs ont tenté de modifier chimiquement la surface des fibres naturelles 6,7. Ces modifications chimiques comprennent l'acétylation 8, 9 silylation, un polymère de greffage 10, 11,12 traitements isocyanate, l'utilisation d'agents de couplage à maléate de 13 à 17, 18 et benzoylation. Même si ces traitements chimiques ont rendu fibres naturelles plus hydrophobe, la résultante naturelle de fibres renforcerd polymères toujours pas réussi à offrir en termes de performances mécaniques 19. Thomason 20 émis l'hypothèse que cette défaillance peut être le résultat de l'anisotropie et le haut coefficient de dilatation thermique linéaire de fibres naturelles. En plus de cela, les fibres naturelles souffrent également d'inconvénients tels que la température limitée de traitement 21, de lot à lot variabilité 3, à faible résistance à la traction par rapport à des fibres synthétiques, telles que le verre, d'aramide ou de fibres de carbone et de l'absence de procédés de fabrication appropriés pour produire des fibres naturelles composites polymères renforcés. Ainsi, l'utilisation de fibres naturelles comme renfort ne sera pas suffisant pour combler l'écart bien-performance précitée entre les matériaux verts et des polymères à base de pétrole.
Nanocellulose est un agent de renforcement verte émergente. En particulier, la nanocellulose produite par des bactéries, telles que des espèces Acetobacter 22, aussi connu comme cellulos bactériennese est une alternative intéressante pour la conception de matériaux verts 23 en raison de la possibilité d'exploiter la grande rigidité et la résistance de cristaux de cellulose 24. La raideur d'un monocristal de cellulose a été estimée à environ 100 à 160 GPa utilisant la diffraction des rayons X, spectroscopie Raman et les simulations numériques de 25 à 27. C'est plus que des fibres de verre ~ 70 GPa, qui sont cependant beaucoup plus dense. Cellulose bactérienne (BC) est aussi intrinsèquement nano-taille avec un diamètre d'environ 50 nm et plusieurs micromètres de longueur 28. Nous avons signalé une méthode pour revêtir naturelles (sisal et le chanvre) fibres avec des couches de la Colombie-Britannique en cultivant Acetobacter xylinius à la présence de fibres naturelles 5,29,30. Cela a conduit à une meilleure adhérence interfaciale entre PLLA et fibres naturelles BC revêtus 29,31. Afin de simplifier le processus de revêtement de ces fibres, Lee et al. 31 a développé un procédé de revêtement naturel (sisal) Fibers sans l'utilisation de bioréacteurs. Cette méthode est basée procédé d'immersion de la suspension, de sorte que les fibres de sisal secs sont plongés dans une suspension de la Colombie-Britannique. Une extension de ce procédé 32 est de filtrer la suspension aqueuse contenant des fibres de sisal lâches et BC pour produire des préformes de fibre de sisal typique convenant pour la fabrication de structures composites.
Nous avons montré dans cette expérience que les fibres de sisal lâches peuvent être liés avec la Colombie-Britannique. Toutefois, le choix des fibres n'est pas limitée aux fibres juste sisal. D'autres types de fibres, telles que le lin et le chanvre, peuvent également être utilisés. En plus de cela, nous avons également montré que la farine de bois, du papier recyclé, et la pâte à dissoudre peut également être lié en préformes rigides et robustes en utilisant un liant de la Colombie-Britannique (résultats non encore publié). Le critère est que les fibres utilisées doivent être hydrophiles et absorber l'eau. Comme mentionné ci-dessus, le caractère hydrophile des fibres va absorber de l'eau, en tirant dans la BC qui est dispersé dans le milieu. La Colombie-Britannique est filtré contre la surface de ces fibres hydrophiles et forme une couche de revêtement BC lorsque les fibres sont séchées. Bien que la cellulose bactérienne peut être déposée autour de fibres naturelles par mise en culture d'Acetobacter xylinus en présence de fibres naturelles 5, 29, 30, ce processus est laborieux et reexige des bioréacteurs coûteux avec un contrôle strict du pH et de la teneur en oxygène dissous. Notre procédé amélioré, d'autre part, repose sur un procédé de fabrication du papier (par exemple: la dispersion de fibres naturelles d'une suspension de BC) et il n'est pas nécessaire pour les bioréacteurs 31.
En ce qui concerne l'application des fibres naturelles dans les composites, orientées de manière aléatoire non-tissé (court et orientées au hasard) des préformes en fibres naturelles sont produites par un aiguilletage (couture) essentiellement de fibres de polymère (typiquement un polyester) par l'intermédiaire de fibres compactées en vrac 33. Pour faire un composite, les préformes fibreuses sont ensuite placées dans un moule et infusés avec une résine. fibres de polymères peuvent également être mélangées avec des fibres naturelles 34 (typiquement de lin, de chanvre, de jute ou d') ou dispersé dans une suspension de fibres naturelles et 35 filtrés sous vide à haute fraction volumique de polymère (50% vol.). Cette natte en fibres de fibres de polymère naturel (préforme) est alors ensuite chauffé pour faire fondre le polymère de pro dui re une structure composite. Les derniers procédés de fabrication de composites sont intrinsèquement évolutive mais sont limitées par le choix des fibres de polymère (polymère doit fondre à des températures inférieures à la température de dégradation des fibres) qui peuvent être utilisés pour fabriquer des préformes et, par conséquent, le type de matrices disponibles pour fabriquer des composites. En utilisant notre méthode, BC n'agit pas seulement en tant que liant, il agit également en tant que nano-renfort 32. Comme mentionné précédemment, le module d'un nanofibres de BC individu de Young a été estimé à 114 GPa. Alors que la seule force de traction de la Colombie-Britannique n'est pas connue, la résistance à la traction des fibres de bois et tuniciers TEMPO-oxydé simples a été récemment mesurée à l'aide d'ultrasons cavitation induite 36. Une résistance à la traction d'entre 0,8 à 1,5 GPa a été mesurée pour ces nanofibres individuelles. Ces propriétés mécaniques, ainsi que le potentiel de liaison de la Colombie-Britannique, BC fait un excellent candidat pour produire à court natur vraiment vert et orientées de manière aléatoireal renforcés par des fibres, matériaux composites renouvelables bactériennes cellulose renforcé avec des performances mécaniques qui dépasse les polymères renforcés de fibres conventionnelles.
En terme de fabrication de matériaux composites, notre processus de fabrication préféré est le sac double vide assisté résine perfusion discuté (DBVI) développé par Waldrop et al. 37 Contrairement à la seul sac vide assisté perfusion plus classique de résine (aussi connu comme le processus Seemann 38), DBVI emploie deux sacs de vide indépendants pendant le processus d'infusion (voir figure 2). Alors que le processus Seemann va travailler pour la fabrication de composites, ce processus pourrait souffrir de sac de l'aspirateur de détente derrière le front d'écoulement de la résine. Lorsque cela se produit, la zone où la détente se sentira mou et spongieux. Le sac de l'aspirateur détente entraîne le sac sous vide en s'éloignant du fluide d'écoulement due à l'écoulement préférentiel de résine liquide dans le trajet de moindre résistance. Tsa va provoquer les composites fabriqués pour avoir non uniformes fractions volumiques de fibres (c'est à dire la zone de détente aura une fraction volumique de fibres inférieure à la superficie non détendue du sac de l'aspirateur). DBVI ne souffre pas de cet inconvénient, comme le sac de vide interne ne se détend derrière le front d'écoulement de la résine liquide. En conséquence, les panneaux composites résultantes auront plus élevé que la fraction volumique de fibre moyenne et l'épaisseur plus uniforme. De plus, l'utilisation de la poche à vide externe fournit une redondance dans le système et améliore l'intégrité du vide du processus d'infusion de liquide.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à remercier l'Université de Vienne pour soutenir KYL et le Conseil de recherches en génie et en sciences physiques au Royaume-Uni (EPSRC) pour un fonds de suivi sur le financement pour SRS et le travail (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 |