Delignified densificeret træ repræsenterer en ny lovende letvægts, højtydende og biobaserede materiale med stort potentiale til delvist at erstatte naturfiber forstærket-eller glasfiber forstærkede kompositter i fremtiden. Her præsenterer vi to alsidige fabrikations ruter og demonstrerer muligheden for at skabe komplekse komposit dele.
Delignificeret densificeret træ er et nyt lovende og bæredygtigt materiale, der besidder potentialet til at erstatte syntetiske materialer, såsom Glasfiberforstærkede kompositter, på grund af dens fremragende mekaniske egenskaber. Delignificeret træ, dog, er temmelig skrøbelig i en våd tilstand, hvilket gør håndtering og forme udfordrende. Her præsenterer vi to fabrikationsprocesser, lukket-skimmel densificering og vakuum dengasning, at producere højtydende cellulose kompositter baseret på delignificeret træ, herunder en vurdering af deres fordele og begrænsninger. Derudover foreslår vi strategier for, hvordan kompositterne kan genbruges eller nedbrydes i slutningen af livscyklussen. Lukket-skimmel densificering har den fordel, at ingen udførlige lab udstyr er nødvendig. Simple skrueklemmer eller en presse kan bruges til densificering. Vi anbefaler denne metode til små dele med enkle geometrier og store krumningsradier. Vakuum densificering i en åben skimmel proces er velegnet til større objekter og komplekse geometrier, herunder små radier af krumning. Sammenlignet med den lukkede skimmel proces, den åbne skimmel vakuum tilgang behøver kun fremstilling af en enkelt skimmel hulrum.
Udviklingen af nye naturfiber (NF) baseret kompositter udstyret med overlegne mekaniske egenskaber repræsenterer en af de vigtigste opgaver i materialevidenskab, da de kan være bæredygtige alternativer til nuværende syntetiske systemer såsom glasfiber kompositter1,2,3. Udover traditionelle NF kompositter (hør, hamp, kenaf, osv.)4,5, erdenforgasning af træ efter delvis eller fuldstændig fjernelse af matrixkomponenter modtaget stigende opmærksomhed i de seneste år6,7,8,9,10,11. Den top-down fabrikation rute, baseret på delignificering af bulk træ efterfulgt af densifikation, er begrebsmæssigt i modstrid med temmelig komplekse bottom-up processer for pulp og gylle baserede produkter12. I Pulp og gylle baserede produkter, den gavnlige træ fiber justering er ikke bevaret som fibre er adskilt i processen. I modsætning hertil, struktur-bevarer delignificeret træ, som er opnået i en top-down proces, overfører den sofistikerede arkitektur med justerede cellulosefibre i det nye materiale. For at opnå densificering af aflæsningstræ uden fiber justerings forvridninger skal der udvikles nye forarbejdnings veje.
Direkte forgasning af vandmættede, delignificerede træprøver fører til en begrænset densiverings grad, revner, og fiber justering forvridninger på grund af den våde-prøve-iboende frit vand, der skaber et modtryk under denforgasning. Nuværende løsninger til at undgå strukturel integritet tab ved densificering omfatter udnyttelse af delvis aflæssede træ efterfulgt af høj temperatur densificering9 eller fortørring af delignificeret træ forudgående dengasning6. Begge metoder forbedrer forbindelsen mellem tilstødende celler, enten på grund af den resterende lignin, der fungerer som lim eller fri vand fjernelse mellem celler.
I begge tilfælde, nedsat formbarhed opstår, som begrænser design applikationer; den påkrævede forkonditionering af prøven fører også til længere behandlingstider. Derfor er en hurtig og skalerbar proces, der kombinerer formning og forgasning i et enkelt trin, nødvendig.
I denne forbindelse præsenterer vi her åben/lukket-skimmel densiverings-og vakuum behandling af delignificeret træ som metoder til at kombinere formning, densificering og tørring i en enkel og skalerbar tilgang. Figur 1 viser delignificerede, træ-komposit dele, som blev fremstillet ved hjælp af de teknikker, der er beskrevet i dette arbejde.
Figur 1: eksempler på delignificerede trækomposit dele. (A) dørpanel, (B) Sidespejl, (C) dørhåndtag af en bil, (D) ortose, (E) cut åben hjelm, og (F) omdrejningstæller dæksel af en bil. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Vi præsenterer alsidige fabrikationsteknikker for at opnå højtydende delignificerede træbaserede kompositter og foreslå mulige genbrugs-og genanvendelses strategier. Lukket-skimmel bearbejdning forudsætninger forkonditionering af materialet, da det ikke kan behandles i vand mættet tilstand. Ved hjælp af en lukket-skimmel proces, dog kunne være den metode til valg, især hvis fx er der ingen vakuum setup til rådighed, eller hvis en pæn (glat) overflade finish på begge sider ønskes.
Open-mold vakuum behandling af delignificeret træ giver mulighed for at kombinere formning, densificering og tørring af vandmættede prøver i en enkel og skalerbar tilgang. Teknikken er anvendelig til fremstilling af komplekse geometrier og tilbyder et skalerbar alternativ til lukkede skimmel processer. Vi har fremstillet kompositter ved at stable delignificerede træfinere ved hjælp af stivelse som klæbemiddel mellem lagene. Densificering ned til en fjerdedel af den oprindelige tykkelse resulterede i en endelig tykkelse på 2,5 mm af den 8-lags tykke komposit del. For at opnå en jævnere overfladefinish i vakuum processen kan brugen af en lukket porøs skimmel være et passende alternativ.
For begge forarbejdningsmetoder anbefaler vi, at man anvender et selvklæbende system i mellem de delignificerede trælag for at nedsætte risikoen for delaminering. For det givne eksempel vælger vi stivelse, da det er en velkendt biobaseret lim til papirmasse og papirprodukter, såsom papirposer, og er vandbaseret. Fremtidige værker vil fokusere på fabrikation af tykkere laminater til at løse de nuværende begrænsninger i form af tørring og fiber flow afvigelser.
I almindelighed, vakuum behandling af delignificeret træ har potentialet for en nem og hurtig produktion af storstilet densificeret cellulose fiberkompositter. Efter at have rettet materialets holdbarhed problem ved at anvende korrekt belægninger, vand-stabile klæbende systemer eller kemisk modifikation, kan mulige industrielle applikationer omfatte automotive komponenter såsom dørpaneler, gulve, og dashboards. Vores materiale kan erstatte metaller eller fiberforstærkede kompositter for at reducere vægten for bedre brændstofeffektivitet og for at forbedre genvindelighed.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker SILVAN Gantenbein for 3D-printning af porøse forme.
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 |