تصف هذه الدراسة طريقة رغوة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة لتحضير رغاوي البولي المقواة بألياف الكربون وألياف الخيزران (بيوتيلين أديبات كو-تيريفثاليت).
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
تصف هذه الدراسة طريقة رغوة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة لتحضير رغاوي البولي المقواة بألياف الكربون وألياف الخيزران (بيوتيلين أديبات كو-تيريفثاليت).
وجدت رغاوي البوليمر المقواة بالألياف تطبيقات واسعة النطاق في العديد من المجالات. على وجه الخصوص ، حظي بولي (بيوتيلين أديبات كو-تيريفثاليت) (PBAT) باهتمام كبير في مجال المواد القابلة للتحلل نظرا لخصائص المعالجة الاستثنائية والأداء الميكانيكي والتوافق الحيوي. ومع ذلك ، فإن معدل الانكماش المرتفع لرغوة PBAT النقية يحد من تطبيقها. من بين المواد المختلفة القادرة على تحسين أداء الرغوة ، تظهر ألياف الكربون (CF) وألياف الخيزران (BF) مزايا فريدة. استخدمت هذه الدراسة تقنية رغوة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرجة (scCO2) لإعداد رغاوي PBAT / CF / BF بنجاح. تظهر النتائج أن التأثير التآزري ل CF و BF يحسن بشكل كبير الخصائص المضادة للانكماش لرغوة PBAT. بالمقارنة مع رغوة PBAT النقية ، انخفض معدل انكماش رغوة PBAT / 15CF / 5BF من 55.63٪ إلى 6.92٪ ، بانخفاض قدره 87.56٪. حققت رغوة PBAT/10CF/10BF أقل كثافة تبلغ 0.13 جم/سم3، وهو ما يمثل انخفاضا بنسبة 31.58٪. أظهرت رغوة PBAT / 10CF / 10BF أعلى نسبة تمدد بلغت 9.43 ، بزيادة قدرها 51.36٪. كشفت اختبارات مرونة الضغط أن جميع رغاوي PBAT / CF / BF أظهرت مرونة ضغط مواتية ، مع رغوة PBAT / 15CF / 5BF تظهر أعلى قوة ضغط تبلغ 0.26 ميجا باسكال. يوفر هذا البحث حلا فعالا لتصنيع رغاوي البوليستر القابلة للتحلل الحيوي المقواة بالألياف. تتميز هذه الرغوة بخصائص مضادة للانكماش وخصائص خفيفة الوزن ومرونة ممتازة.
تم تطبيق رغاوي البوليمر المقواة بالألياف على نطاق واسع في مختلف المجالات ، بما في ذلك الفضاء1 ، والنقل2 ، والبناء3 ، وحماية البيئة4 ، نظرا لنسبة قوتها إلى الوزن العالية ، والاستقرار الحراري الممتاز ، وقابلية التركيب متعددة الاستخدامات. مدفوعة بأهداف "الكربون المزدوج" العالمية ومبادرات مكافحة التلوث البلاستيكي ، أصبحت رغاوي البوليمر القابلة للتحلل نقطة ساخنة بحثية5،6،7. يعتبر PBAT ، كبوليستر نموذجي قابل للتحلل الحيوي ، بديلا مثاليا للمواد الرغوية التقليدية القائمة على البترول نظرا لأداء المعالجة المتميز والود البيئي8،9،10،11. ومع ذلك ، فإن الانكماش الكبير الذي تظهره رغاوي PBAT النقية يحد من تطبيقها12.
من بين تقنيات التعديل المختلفة ، وجدت الأبحاث أن استخدام تقنية تقوية الألياف يمكن أن يعزز بشكل كبير أداء رغوة PBAT13. CF ، المشهور بقوته العالية ومعامله العالي وكثافته المنخفضة ، يستخدم بشكل متكرر لتقوية البوليمرات ، وبالتالي تعزيز خصائصها الميكانيكية14. لا يوفر إدراج CF دعما ميكانيكيا أقوى للرغوة فحسب ، بل قد يعدل أيضا بنيتها المجهرية ، وبالتالي تحسين أدائها العام15،16. أعد Yimu Qiao et al.17 هيكل شطيرة يتكون من رغوة PBAT/CF وتقوية مستمرة من مادة البولي بروبيلين المقوى بالسيلف الكيسي (PP). وجدت الدراسة أن الخلايا الرغوية ذات التقوية المسبقة كانت أكثر اتساقا وكثافة. في المقابل ، تقدم BF مزايا فريدة في مواد التسليح نظرا لتوافقها الحيوي الاستثنائي وقابليتها للتجدد18. تضفي بنيتها المجهرية الداخلية الفريدة على بعض الصلابة وخصائص التوسيد للمادة19. أعد Wei Guo et al.20 رغاوي البولي بروبيلين BF / PP المقوى بالقلويات المعدلة بالقلويات. يظهر البحث أن إضافة BF يحسن التركيب الخلوي ويعزز بشكل كبير الخواص الميكانيكية لرغوي BF / PP. وبالتالي ، من المتوقع أن يؤدي المزيج الحكيم من CF و BF في تصنيع رغوة PBAT إلى تعظيم فوائد كلتا المادتين ، والتخفيف من مشكلة الانكماش الكبيرة لرغوة PBAT النقية ، وتوسيع إمكانات تطبيقها عبر مختلف المجالات.
على الرغم من أن تقنية الرغوة scCO2 قد أحرزت التقدم المذكور أعلاه ، إلا أنه لا تزال هناك أوجه قصور كبيرة في مجال رغوة البوليستر القابلة للتحلل الحيوي المقواة بالألياف. أولا ، تستخدم الأبحاث الحالية في الغالب تقوية الألياف المفردة (مثل CF النقي أو BF النقي) ، وتفشل في الاستفادة الكاملة من التأثيرات التآزرية للألياف المختلفة ، مثل الجمع بين تحسين صلابة CF ومزايا التحكم في واجهة BF. ثانيا ، لا يزال تجنب عيوب الرغوة الناتجة عن انخفاض قابلية التدفق الذوبان عند المحتوى العالي من الألياف يمثل تحديا. يكمن ابتكار هذه الورقة في معالجة القضايا المذكورة أعلاه. من ناحية أخرى ، تقوم ببناء نظام رغوة scCO2 لتعزيز التآزر ثنائي الألياف CF / BF ل PBAT ، والذي يعوض عن أوجه القصور في أنظمة الألياف المفردة في كفاءة التنوي والترابط الواجهي. في الوقت نفسه ، يؤدي تحسين نسبة CF / BF إلى تحسين الخواص الميكانيكية للرغوة مع ضمان الرغوة ، مما يوفر مفهوما جديدا للتصميم للأداء العالي للرغوة القابلة للتحلل.
فتحت تقنية الرغوة ScCO2 طرقا جديدة لإنتاج مواد رغوية عالية الأداء ، والاستفادة من فوائدها البيئية ، وحجم المسام القابل للضبط على نطاق ميكرون ، وقابلية تعديل معلمة العمليةالمرنة 21. من خلال رغوة scCO2 ، يذوب ثاني أكسيد الكربون2 بشكل موحد داخل نظام المواد المركبة. عند إطلاق الضغط المفاجئ ، يهرب ثاني أكسيد الكربون بسرعة ، مكونا العديد من نوى الفقاعات الموزعة بشكل موحد والتي تنمو لاحقا إلى مسام22. لا تتيح هذه العملية التحكم الدقيق في حجم المسام وكثافتها فحسب ، بل تعزز أيضا خصائص العزل الحراري للمادة وعازل الصوت والتوسيد مع الحفاظ على أدائها الأصلي23.
تبحث هذه الدراسة في نظام رغوة scCO2 لمركبات PBAT المعززة بنسب متفاوتة من CF و BF ، وكلاهما بمحتوى إجمالي قدره 20٪. لتحضير رغوة PBAT / CF / BF ، تم اختيار نسبة CF / BF على أنها 3: 1 و 1: 1 و 1: 3. كانت درجة حرارة الرغوة 100 درجة مئوية ، وكان ضغط الرغوة 10 ميجا باسكال ، وكان وقت الرغوة 60 دقيقة. في البداية ، تم إنتاج الرغوة ، وتم قياس كثافتها ونسبة التمدد ومعدل الانكماش لتوضيح الاختلافات في الخصائص الفيزيائية الأساسية للرغوة بنسب ألياف مختلفة. بعد ذلك ، تم استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتوصيف التركيب الخلوي ، مع قياس أقطار الخلايا للكشف ، على المستوى المجهري ، عن تأثير نسب الألياف المتغيرة على مورفولوجيا الخلية وحجمها وتوحيدها. أخيرا ، تم إجراء اختبارات دورة الضغط لتقييم أداء الضغط ، مما يشير إلى قدرة التحمل الميكانيكية الممنوحة للرغوة من خلال مجموعات تقوية الألياف المختلفة. ستوفر نتائج هذه الدراسة أسسا نظرية ورؤى تقنية لتطوير مواد رغوية حيوية قابلة للتحلل الحيوي ذات الخصائص الفيزيائية الفائقة والبنية المجهرية والقوة الميكانيكية ، وبالتالي تعزيز استخدامها المستدام في مجالات مثل التعبئة والتغليف والبناء.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
يتم سرد الكواشف والمعدات المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.
1. المعالجة المسبقة للمواد الخام
2. الوزن والخلط المسبق
3. تذوب البثق
4. صب الضغط
5. عملية الرغوة ScCO2
6. توصيف الرغوة
ملاحظة: يتم قياس كثافة العينة مباشرة باستخدام مقياس الكثافة. أخذ PBAT النقي كمثال.
(1)
(2)
(3)7. توصيف SEM
(4)
(5)8. تحديد خصائص الانضغاط
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
تظهر الصورة الفيزيائية والخصائص الفيزيائية لرغاوي PBAT المعززة بنسب متفاوتة من CF و BF المحضرة وفقا للبروتوكول المذكور أعلاه في الشكل 2. يمكن ملاحظة أن زيادة نسب CF و BF تقاوم بشكل فعال انكماش رغاوي PBAT. من خلال القياسات ، تم العثور على كثافة رغوة PBAT النقية لتكون 0.19 جم / سم3 (الشكل 2 ب) ، مع نسبة رغوة تبلغ 6.23 (الشكل 2 ج) ومعدل انكماش مستقر يبلغ 55.63٪ (الشكل 2 ...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
معالجة التجفيف هي خطوة حاسمة تسبق بثق الذوبان. هدفها الأساسي هو إزالة الرطوبة من المادة لمنع التحلل المائي والتبخر والعيوب البينية في ظل ظروف درجات الحرارة العالية. هذا يضمن الخواص الميكانيكية واستقرار المعالجة وجودة المظهر لمركبات PBAT8. في هذه الدراسة ، تضمن الإجراء المحدد وضع PBAT و CF و BF في فرن لمدة 8 ساعات من معالجة التجفيف عند درجة حرارة 80 درجة مئوية.
من خلال قياس كثافة الرغوة ونسبة التمدد ، فإنها تعكس بشكل مباشر فعالية عملية ا...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
نشكر تمويل المختبر الرئيسي للإدارة الوطنية للغابات والأراضي العشبية بشأن الاستخدام عالي الكفاءة لموارد الكتلة الحيوية للغابات في جنوب غرب الصين ، جامعة الغابات الجنوبية الغربية (2023KF10). مؤسسة العلوم الطبيعية بمقاطعة هيلونغجيانغ (LH2024C044) ، ومشروع الابتكار التعاوني لتخصصات من الدرجة الأولى في مقاطعة هيلونغجيانغ (LJGXCG2024-F11) ، وبرنامج رعاية علماء النخبة الشباب من قبل مقاطعة هيلونغجيانغ (2024QNTG006) ، وصندوق هيلونغجيانغ لما بعد الدكتوراه (LBH-Z24041) ، وأطروحات الماجستير والدكتوراه المتميزة لعام 2023 في هيلونغجيانغ في مشروع تمويل العصر الجديد.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| ألياف الخيزران | شركة سيتشوان لفتشو لألياف النبات المحدودة، الصين | شبكة 1000 | المواد الخام التي تم توفيرها للعمل التجريبي |
| مضخة التعزيز | شركة دونغقوان صن سنتر لمعدات التحكم المحدودة، الصين | DGA15C | يستخدم للتحكم في الضغط |
| ثاني أكسيد الكربون | شركة هاربين تشينغهوا للغازات الصناعية المحدودة، الصين | نقاء 99.9٪ | يستخدم كعامل رغوة |
| ألياف الكربون | شركة توراي للصناعات المحدودة، اليابان | شبكة 1000 | المواد الخام التي تم توفيرها للعمل التجريبي |
| سيكتور | شركة تشنغتشو زيتشن لمعدات الأدوات المحدودة، الصين | 0.5 لتر | يستخدم كحاوية رغوية |
| المضغط | شركة تشجيانغ كايشان للضاغط، الصين | XK06-010-00487 | مضغوط |
| حمام الزيت الرقمي | شركة بوهو تمبتيك المحدودة، الصين | HH-5-12L | اعتدت على التدفئة |
| فرن التجفيف | شركة شنغهاي ييهنغ للأدوات العلمية المحدودة، الصين | DGG-9070 | يستخدم لتجفيف المواد الخام |
| التوازن الإلكتروني | شركة ميتلر توليدو (تشانغتشو) لنظام معدات الوزن المحدودة | SPN501F | يستخدم لوزن المواد الخام |
| أداة كبريتية الصفائح المسطحة | شركة بولون لتصنيع الاختبار الدقيق، الصين | BL-6170-A | لتشكيل المواد المركبة بالضغط الساخن |
| مقياس كثافة صلبة عالي الدقة | شركة يومانغ للمعدات الذكية المحدودة، الصين | JHY-120Y | الجهاز المستخدم للتحديد الكثافة |
| برنامج تحليل الصور المعاهد الوطنية للصحة | المعاهد الوطنية للصحة | ImageJ | البرامج المستخدمة لتحديد الخصائص الشكلية للرغوة |
| بولي (بيوتيلين أديبات-كو-تيريفثالات) | شينجيانغ بلو ريدج تونهي للعلوم & شركة تيك المحدودة، الصين | TH801T | المواد الخام التي تم توفيرها للعمل التجريبي |
| فيلم بولي رباعي فلورو إيثيلين | شركة لوو هويكسينغ لتجارة المواد البلاستيكية، الصين | 0.5 مم | يستخدم لإزالة العفن |
| بولفريزر | شركة شنتشن تشنغتشونغشنغ للتكنولوجيا الكهروميكانيكية المحدودة، الصين | 380 واط، 50 هرتز | كان يستخدم للسحق والتحبيبات |
| ماسح ضوئي | شركة FEI، الولايات المتحدة الأمريكية | كوانتا 220 | ماسح ضوئي يستخدم لالتقاط صورة للرغوة |
| البثق ذو اللولب المزدوج | شركة نانجينغ جيينتي للآلات المحدودة، الصين | SHJ-20 | الخلط المنصهر |
| آلة اختبار ميكانيكية شاملة | شركة وانسي تكنولوجيز المحدودة، الصين | تيست بايلوت X10A | يستخدم لقياس أداء الضغط |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.