利用细菌纤维素作为粘结剂制备坚固的天然纤维预成型体

本实验的总体目标是利用细菌纤维素作为粘结剂，制备坚固且刚性的天然纤维预制体，并通过传统的复合材料制备工艺生产可再生的分级复合材料。该目标的实现首先需要在水中制备细菌纤维素的悬浮液；第二步是将松散的短天然纤维分散到细菌纤维素悬浮液中。

接下来，将所得的天然纤维-细菌纤维素悬浮液进行过滤，以去除多余的水分。最后一步是将滤饼压制成型并干燥，形成坚固且刚性的纤维预制体。最终，该纤维预制体可进一步浸渍液态树脂，制备出高性能的细菌纤维素增强型天然纤维增强可再生复合材料。

演示该实验步骤的人员为 mata、Kang 和 C。开始此操作前，根据预先确定的细菌纤维素湿重与干重的比例，称取相当于 18 克干细菌纤维素的湿细菌纤维素凝胶块。随后，使用一把锋利的剪刀将湿细菌纤维素凝胶块剪成约一至二厘米的小片。剪切完成后，将细菌纤维素凝胶块放入一升水中浸泡，以使其充分水化。

将切割后的细菌纤维素片放入搅拌机中，加入300至500毫升水，以确保搅拌过程顺利进行。然后搅拌两分钟。完成后，将搅拌好的细菌纤维素倒入一个15升的容器中，并加水至总体积为14升，使细菌纤维素在水中的浓度达到0.1%（重量/体积）。

接下来，将72克松散尺寸的纤维切割成一至二厘米长的纤维，并将其加入细菌纤维素悬浮液中。用刮刀轻轻搅拌悬浮液，以确保剑麻纤维在细菌纤维素悬浮液中均匀分散。此时，用去离子水填充抄片器，直至水位达到背网钢丝处。

将50目金属成型网置于背衬丝上，并将其居中放置于抄纸器底座内，合上并扣紧抄纸器。然后加入适量新鲜水，直至成型网完全浸没于水中。将制备好的剑麻纤维-细菌纤维素悬浮液倒入抄纸器中。

用刮刀轻轻搅拌悬浮液，以确保纤维的尺寸在整个模具中均匀分布。随后，打开排水阀以排出水分，这将在成型网线上形成由剑麻纤维和细菌纤维素组成的湿滤饼。水分排尽后，立即打开纸页成型器并取下成型网线。

将成型铜网放置在一张吸水纸上。然后在滤饼上方再放置三张吸水纸，接着放上一块金属板。随后，连同成型铜网一起将滤饼翻转。

现在将滤饼翻转使其朝上，取下顶部的材料，在滤饼上直接放置三层额外的吸水纸，然后盖上一块金属板。将一个10千克的重物放在金属板上，以压出水分。当吸水纸完全浸透后，更换新的吸水纸，并再次用10千克的重物压滤饼。

最后一次更换吸水纸后，在热压机中施加一吨压力进行最终压合，以固化纤维预制体。将热压机加热至120摄氏度，以促进残留水分的蒸发。四小时后，将热压机温度降至室温，待其冷却后取出预制体。

在内部和外部装置的周围贴上压敏胶带。然后将预成型件放置在由无孔聚四氟乙烯（PTFE）涂层玻璃布制成的工装面上。用多孔 PTFE 涂层玻璃布（也称为脱模层）覆盖预成型件，随后覆盖多孔导流介质。

将Ω管放置在真空辅助树脂灌注（vacuum assisted resin infusion）或变体装置（vari setup）的预定树脂入口和出口位置。确保Ω管位于多孔导流介质的上方，以便树脂在灌注过程中能够流入变体装置。将树脂进料管和出料管插入Ω管的开口中，然后使用基于氟乙烯聚合物的真空袋膜覆盖整个装置，并用压敏胶带密封。

将金属板放置在装有光纤预制棒的内袋上方，随后放上一块透气布。密封树脂进料管后，将树脂出口管的另一端置于透气布上方。确定贯穿袋真空阀的位置后，将阀门的底座部分放在透气布上。

将真空袋膜放置在内袋上方并密封。然后将板材放在密封胶带上完成封口。在真空袋膜上对应阀门底部部件的位置剪出一个小十字切口，并拧入阀门的顶部部件，以完成贯穿袋的安装。

真空阀。连接快速接头并施加真空，然后检查是否存在真空泄漏。

接下来，通过按100:19的质量比混合环氧树脂和固化剂来制备树脂。在减压条件下对树脂进行脱气，以去除混合环氧树脂和固化剂过程中截留的所有气泡。一旦确认整个装置无泄漏，通过连接至Ω管的管路注入树脂，并确保树脂缓慢注入，使其有足够时间浸渍到纤维预制体中。

让树脂从树脂出口管流出并浸入透气布，直至观察不到出口管中有气泡逸出。最后，密封出口管，在室温下使树脂固化24小时，随后在50摄氏度下进行16小时的后固化处理，此过程不使用细菌纤维素粘结剂。这些短而松散的剑麻纤维仅依靠纤维之间的摩擦力和相互缠结来维持结合。

因此，该预制体结构松散，无法承受较大重量。图中所示为不含细菌纤维素的剑麻纤维预制体。作为在三点弯曲模式下承受载荷的粘结体，该预制体明显较为疏松；当通过向聚丙烯杯中加入40克水施加载荷时，预制体开始发生严重挠曲。

然而，当使用28%的细菌纤维素作为这些短而松散的剑麻纤维的粘结剂时，制备出了一种刚性纤维预制体。该预制体能够承受一个重170克的完整聚丙烯杯的载荷而无明显变形。此处展示了典型的细菌纤维素-剑麻纤维预制体的扫描电子显微照片。

可以观察到细菌纤维素覆盖在剑麻纤维的表面。这种现象是由于剑麻纤维具有亲水性。剑麻纤维的亲水性会吸收水分，从而将分散在培养基中的细菌纤维素吸入其中。

由于细菌纤维素的尺寸大于天然纤维的孔隙，因此无法渗入纤维内部。相反，在纤维干燥过程中，细菌纤维素被截留在剑麻纤维表面，形成一层细菌纤维素涂层。由于纤维预制体具有多孔结构（孔隙率约为70%），其在拉伸载荷下的力学性能在此列出。预制体的抗拉强度并不明确。

因此，将试样的拉伸力和抗张指数进行列表汇总。当使用20 wt%的细菌纤维素作为粘结剂时，测得的拉伸力和抗张指数分别为12.1 kN/m和15 N·m/g。然而，由于剑麻纤维预制体结构松散，无法测量其纯纤维预制体的拉伸性能。

我们的技术为材料科学家和工程师探索纳米细胞规律在分级高性能可再生复合材料开发中的应用铺平了道路。