Delignified förtätat Wood representerar en ny lovande lätt, högpresterande och biobaserat material med stor potential att delvis ersätta naturliga fiberförstärkt-eller glasfiberarmerad kompositer i framtiden. Vi presenterar här två mångsidiga tillverknings vägar och demonstrerar möjligheten att skapa komplexa komposit delar.
Delignifierad förhårdnat trä är ett nytt lovande och hållbart material som besitter potentialen att ersätta syntetiska material, såsom glasfiberarmerad kompositer, på grund av dess utmärkta mekaniska egenskaper. Delignified trä är dock ganska bräcklig i ett vått tillstånd, vilket gör hantering och forma utmanande. Här presenterar vi två tillverkningsprocesser, sluten-mögel förtätning och vakuum förtätning, för att producera högpresterande cellulosa kompositer baserade på delignifierade trä, inklusive en bedömning av deras fördelar och begränsningar. Vidare föreslår vi strategier för hur kompositerna kan återanvändas eller sönderdelas vid slutet av livscykeln. Sluten-mögel densifiering har fördelen att ingen utarbetad laboratorieutrustning behövs. Enkla skruvklämmor eller en press kan användas för förtätning. Vi rekommenderar denna metod för små detaljer med enkla geometrier och stor krökningsradie. Vakuum förtätning i en öppen mögel process lämpar sig för större objekt och komplexa geometrier, inklusive små krökningsradier. Jämfört med sluten mögel process, den öppna mögel vakuum tillvägagångssätt behöver bara tillverkningen av en enda mögel hålighet.
Utvecklingen av nya naturliga fiber (NF) baserade kompositer utrustade med överlägsna mekaniska egenskaper utgör en av de viktigaste uppgifterna i materialvetenskap, eftersom de kan vara hållbara alternativ för nuvarande syntetiska system såsom glasfiber kompositer1,2,3. Förutom traditionella NF kompositer (lin,hampa,kenaf, etc)4,5,förtätning av trä efter partiell eller fullständig avlägsnande av Matrix komponenter har fått ökad uppmärksamhet under de senaste åren6,7,8,9,10,11. Den uppifrån och ner tillverknings rutten, baserad på delignifiering av bulk trä följt av förtätning, är begreppsmässigt tvärtemot ganska komplexa bottom-up processer för massa och flytgödsel baserade produkter12. I massa och flytgödsel baserade produkter, den nyttiga trä fiber anpassningen behålls inte som fibrer separeras i processen. I motsats, struktur-behålla delignified trä, som erhålls i en uppifrån och ner process, överför sofistikerad arkitektur med anpassade cellulosafibrer i det nya materialet. För att uppnå förtätning av delignified trä utan fiber justering snedvridningar, nya bearbetnings vägar måste utvecklas.
Direkt förtätning av vattenmättade delignifierade träprover leder till en begränsad densifieringsgrad, sprickor och fiber justering förvrängningar på grund av våt-prov-inneboende fritt vatten som skapar ett mottryck under densifiering. Aktuella lösningar för att undvika strukturell integritet förlust vid förtätning omfattar utnyttjande av delvis delignifierade trä följt av hög temperatur förtätning9 eller för torkning av delignifierade trä före densifiering6. Båda metoderna förbättrar anslutningen mellan angränsande celler, antingen på grund av den återstående lignin som fungerar som lim eller fri vatten borttagning mellan celler.
I båda fallen, minskad formbarhet sker, som begränsar design applikationer; den erforderliga prov förkonditioneringen leder också till längre bearbetningstider. Därför krävs en snabb och skalbar process som kombinerar formning och förtätning i ett enda steg.
I detta avseende presenterar vi här öppen/sluten-mögel förtätning och vakuum bearbetning av delignified trä som metoder för att kombinera formning, förtätning och torkning i en enkel och skalbar metod. Figur 1 visar delignifierade fördensifierade trä komposit delar som erhållits med hjälp av de tekniker som beskrivs i detta arbete.
Figur 1: exempel på delignifierade fördensifierade trä komposit delar. (A) Dörrpanel, (B) sidospegel, (C) dörrhandtag i en bil, (D) orthosis, (E) klipp öppen hjälm, och (F) varvtals skydd av en bil. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Vi presenterar mångsidiga tillverkningstekniker för att få högpresterande delignified träbaserade kompositer och föreslå möjliga återanvändning och återvinning strategier. Sluten-mögel bearbetning förutsättningar förkonditionering av materialet, eftersom det inte kan bearbetas i vatten-mättade tillstånd. Använda en sluten mögel process, dock kan vara den metod för val, särskilt om t. ex. det finns ingen vakuum setup tillgänglig eller om en fin (slät) ytjämnhet på båda sidor önskas.
Open-Mold vakuum bearbetning av delignified trä möjliggör kombinera formning, förtätning, och torkning av vattenmättade prover i en enkel och skalbar metod. Tekniken är tillämplig för produktion av komplexa geometrier och erbjuder ett skalbart alternativ för slutna mögel processer. Vi har tillverkat kompositer genom att stapla delignifierade träfasader med hjälp av stärkelse som lim mellan lagren. Densifiering ner till en fjärdedel av den ursprungliga tjocklek resulterade i en slutlig tjocklek på 2,5 mm av 8-skikt tjock komposit delen. För att få en jämnare ytjämnhet i vakuum processen, användning av en sluten porös mögel kan vara ett lämpligt alternativ.
För båda bearbetningsmetoderna rekommenderar vi att man använder ett limsystem mellan delignifierade träskikt för att minska risken för delaminering. För det givna exemplet väljer vi stärkelse, eftersom det är ett välkänt biobaserat lim för massa-och pappersprodukter, såsom papperspåsar, och är vattenbaserat. Framtida arbeten kommer att fokusera på tillverkning av tjockare laminat för att lösa nuvarande begränsningar i form av torkning och fiber flödes avvikelser.
I allmänhet har vakuum bearbetning av delignifierade trä potential för en enkel och snabb produktion av storskaliga densifierade cellulosafiber kompositer. Efter att ha åtgärdat materialets hållbarhetsfråga genom att tillämpa ordentliga beläggningar, vatten stabila adhesiva system eller kemisk modifiering kan möjliga industriella tillämpningar omfatta fordonskomponenter som dörrpaneler, golv och instrumentpaneler. Vårt material kan ersätta metaller eller fiberförstärkta kompositer för att minska vikten för bättre bränsleeffektivitet och för att förbättra återvinningsbarheten.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar Silvan Gantenbein för 3D-utskrift av porösa formar.
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 |