Diese Studie beschreibt ein überkritisches Kohlendioxid-Schäumverfahren zur Herstellung von kohlenstofffaser- und bambusfaserverstärkten Poly (Butylenadipat-co-terephthalat)-Schäumen.
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Methodenartikel
Diese Studie beschreibt ein überkritisches Kohlendioxid-Schäumverfahren zur Herstellung von kohlenstofffaser- und bambusfaserverstärkten Poly (Butylenadipat-co-terephthalat)-Schäumen.
Faserverstärkte Polymerschäume haben in zahlreichen Bereichen umfangreiche Anwendungen gefunden. Insbesondere Poly (Butylenadipat-co-terephthalat) (PBAT) hat aufgrund seiner außergewöhnlichen Verarbeitungseigenschaften, mechanischen Leistung und Biokompatibilität im Bereich der biologisch abbaubaren Materialien große Aufmerksamkeit erregt. Die hohe Schrumpfrate von reinem PBAT-Schaum schränkt jedoch seine Anwendung ein. Unter den verschiedenen Materialien, die in der Lage sind, die Schaumleistung zu verbessern, weisen Kohlefaser (CF) und Bambusfaser (BF) einzigartige Vorteile auf. In dieser Studie wurde die überkritische Kohlendioxid (scCO2)-Schaumtechnologie eingesetzt, um erfolgreich PBAT/CF/BF-Schäume herzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass der synergistische Effekt von CF und BF die Anti-Schrumpfungseigenschaften von PBAT-Schaum signifikant verbessert. Im Vergleich zu reinem PBAT-Schaum sank die Schrumpfungsrate von PBAT/15CF/5BF-Schaum von 55,63 % auf 6,92 %, was einer Verringerung von 87,56 % entspricht. PBAT/10CF/10BF-Schaumstoff erreichte die niedrigste Dichte von 0,13 g/cm3, was einem Rückgang von 31,58 % entspricht. PBAT/10CF/10BF-Schaum wies mit 9,43 das höchste Expansionsverhältnis auf, was einem Anstieg von 51,36 % entspricht. Druckfestigkeitstests zeigten, dass alle PBAT/CF/BF-Schaumstoffe eine günstige Druckelastizität aufwiesen, wobei PBAT/15CF/5BF-Schaumstoffe mit 0,26 MPa die höchste Druckfestigkeit aufwiesen. Diese Forschung bietet eine effektive Lösung für die Herstellung von faserverstärkten, biologisch abbaubaren Polyesterschäumen. Diese Schaumstoffe haben Anti-Schrumpfeigenschaften, leichte Eigenschaften und eine hervorragende Elastizität.
Faserverstärkte Polymerschäume werden aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, ihrer hervorragenden thermischen Stabilität und ihrer vielseitigen Zusammensetzbarkeit in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter Luft-und Raumfahrt 1, Transport2, Bauwesen3 und Umweltschutz4. Angetrieben von globalen "Dual-Carbon"-Zielen und Initiativen zur Kontrolle der Plastikverschmutzung entwickeln sich biologisch abbaubare Polymerschäume zu einem Forschungs-Hotspot 5,6,7. PBAT, als typisches biobasiertes biologisch abbaubares Polyester, gilt aufgrund seiner hervorragenden Verarbeitungsleistung und Umweltfreundlichkeit als ideale Alternative zu herkömmlichen erdölbasierten Schaumstoffen 8,9,10,11. Die deutliche Schrumpfung reiner PBAT-Schäume schränkt jedoch deren Anwendungein 12.
Unter den verschiedenen Modifikationstechniken hat die Forschung herausgefunden, dass der Einsatz von Faserverstärkungstechnologie die Leistung von PBAT-Schaum13 erheblich verbessern kann. CF, bekannt für seine hohe Festigkeit, seinen hohen Modul und seine geringe Dichte, wird häufig zur Verstärkung von Polymeren verwendet, wodurch ihre mechanischen Eigenschaften verbessertwerden 14. Die Einbeziehung von CF bietet nicht nur eine stärkere mechanische Unterstützung für Schäume, sondern kann auch deren Mikrostruktur modifizieren, wodurch ihre Gesamtleistung verbessertwird 15,16. Yimu Qiao et al.17 stellten eine Sandwichstruktur her, die aus PBAT/CF-Schaum und kontinuierlichen CF-verstärkten Polypropylen (PP)-Prepregs bestand. Die Studie ergab, dass die Schaumzellen mit Prepregs gleichmäßiger und dichter waren. Im Gegensatz dazu bietet BF aufgrund seiner außergewöhnlichen Biokompatibilität und Erneuerbarkeit einzigartige Vorteile bei Verstärkungsmaterialien18. Seine einzigartige innere Mikrostruktur verleiht dem Material19 eine gewisse Zähigkeit und Dämpfungseigenschaften. Wei Guo et al.20 stellten alkalimodifizierte BF-verstärkte Polypropylen-BF/PP-Schäume her. Die Forschung zeigt, dass die Zugabe von BF die Zellstruktur verbessert und die mechanischen Eigenschaften von BF/PP-Schäumen deutlich verbessert. Folglich wird erwartet, dass die sinnvolle Kombination von CF und BF bei der Herstellung von PBAT-Schaum die Vorteile beider Materialien maximiert, das erhebliche Schrumpfungsproblem von reinem PBAT-Schaum verringert und sein Anwendungspotenzial in verschiedenen Bereichen weiter erweitert.
Obwohl die scCO2 -Schäumtechnologie die oben genannten Fortschritte gemacht hat, gibt es im Bereich des faserverstärkten, biologisch abbaubaren Polyesterschaums noch erhebliche Defizite. Erstens wird in der bestehenden Forschung hauptsächlich Einzelfaserverstärkung (wie reines CF oder reines BF) verwendet, ohne die synergistischen Effekte verschiedener Fasern voll auszuschöpfen, wie z. B. die Kombination aus der Erhöhung der Steifigkeit von CF und den Vorteilen der Grenzflächensteuerung von BF. Zweitens bleibt die Vermeidung von Schaumfehlern, die durch eine verminderte Fließfähigkeit der Schmelze bei hohem Fasergehalt verursacht werden, eine Herausforderung. Die Innovation dieses Papiers liegt darin, die oben genannten Probleme anzugehen. Zum einen wird ein scCO2 -Schäumsystem zur synergistischen CF/BF-Dualfaserverstärkung von PBAT aufgebaut, das die Defizite von Einzelfasersystemen in Bezug auf Nukleationseffizienz und Grenzflächenbindung ausgleicht. Gleichzeitig werden durch die Optimierung des CF/BF-Verhältnisses die mechanischen Eigenschaften des Schaums verbessert und gleichzeitig die Schaumbildung sichergestellt, wodurch ein neues Designkonzept für die hohe Leistungsfähigkeit von biologisch abbaubarem Schaum geschaffen wird.
Die ScCO 2-Schäumtechnologie hat neue Wege für die Herstellung von mikrozellulären Hochleistungsschaumstoffen eröffnet, indem sie die Umweltvorteile, die einstellbare Porengröße im Mikrometerbereich und die flexible Einstellbarkeit der Prozessparameter nutzt21. Durch das scCO2 -Schäumen löst sich CO2 gleichmäßig im Verbundwerkstoffsystem. Bei plötzlicher Druckentlastung entweicht das Kohlendioxid schnell und bildet zahlreiche gleichmäßig verteilte Blasenkeime, die anschließend zu Poren heranwachsen22. Dieses Verfahren ermöglicht nicht nur eine präzise Kontrolle der Porengröße und -dichte, sondern verbessert auch die Wärmeisolierung, den Schallschutz und die Dämpfungseigenschaften des Materials bei gleichzeitiger Beibehaltung seiner ursprünglichen Leistung23.
In dieser Arbeit wird ein scCO2 -Schäumsystem für PBAT-Verbundwerkstoffe untersucht, die mit unterschiedlichen Anteilen von CF und BF verstärkt sind, beide mit einem Gesamtgehalt von 20 %. Zur Herstellung von PBAT/CF/BF-Schaum wurde das CF/BF-Verhältnis als 3:1, 1:1 und 1:3 gewählt. Die Schäumtemperatur betrug 100 °C, der Schaumdruck 10 MPa und die Schäumzeit 60 min. Zunächst wurden Schaumstoffe hergestellt und deren Dichte, Ausdehnungsverhältnis und Schrumpfungsrate gemessen, um die Unterschiede in den grundlegenden physikalischen Eigenschaften der Schaumstoffe mit unterschiedlichen Faserverhältnissen visuell zu veranschaulichen. Anschließend wurde die Rasterelektronenmikroskopie (REM) eingesetzt, um die Zellstruktur zu charakterisieren, wobei die Zelldurchmesser gemessen wurden, um auf mikroskopischer Ebene den Einfluss unterschiedlicher Faserverhältnisse auf die Zellmorphologie, -größe und -gleichmäßigkeit aufzuzeigen. Schließlich wurden Kompressionszyklustests durchgeführt, um die Kompressionsleistung zu bewerten, wobei die mechanische Belastbarkeit der Schäume durch verschiedene Faserverstärkungskombinationen angegeben wurde. Die Ergebnisse dieser Studie bieten theoretische Grundlagen und technische Erkenntnisse für die Entwicklung biobasierter, biologisch abbaubarer Schaumstoffe mit überlegenen physikalischen Eigenschaften, Mikrostruktur und mechanischer Festigkeit und fördern so deren nachhaltigen Einsatz in Bereichen wie Verpackung und Bauwesen.
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Die in dieser Studie verwendeten Reagenzien und Geräte sind in der Materialtabelle aufgeführt.
1. Vorbehandlung der Rohstoffe
2. Wiegen und Vormischen
3. Schmelze-Extrusion
4. Formpressen
5. ScCO2 Schäumverfahren
6. Charakterisierung des Schaums
HINWEIS: Die Dichte der Probe wird direkt mit einem Densitometer gemessen. Nehmen wir reines PBAT als Beispiel.
(1)
(2)
(3)7. REM-Charakterisierung
(4)
(5)8. Bestimmung der Druckeigenschaften
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Das physikalische Bild und die physikalischen Eigenschaften von PBAT-Schäumen, die mit unterschiedlichen Anteilen von CF und BF verstärkt sind und gemäß dem oben genannten Protokoll hergestellt wurden, sind in Abbildung 2 dargestellt. Es ist zu beobachten, dass die Erhöhung des Anteils von CF und BF dem Schrumpfen von PBAT-Schäumen wirksam entgegenwirkt. Durch Messungen wurde festgestellt, dass die Dichte von reinem PBAT-Schaum 0,19 g/cm3 (
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Die Trocknungsbehandlung ist ein kritischer Schritt vor der Schmelzextrusion. Sein Hauptziel ist es, dem Material Feuchtigkeit zu entziehen, um Hydrolyse, Verdampfung und Grenzflächendefekte unter Hochtemperaturbedingungen zu verhindern. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften, die Verarbeitungsstabilität und die Optikqualität von PBAT-Verbundwerkstoffen8 sichergestellt. In dieser Studie wurden PBAT, CF und BF für 8 Stunden bei einer Temperatur von 80 °C in ...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Wir danken der Finanzierung durch das Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Highly Efficient Utilization of Forestry Biomass Resources in Southwest China, Southwest Forestry University (2023KF10). Natural Science Foundation of Heilongjiang Province (LH2024C044), das kollaborative Innovationsprojekt erstklassiger Disziplinen in der Provinz Heilongjiang (LJGXCG2024-F11), das Young Elite Scientist Sponsorship Program der Provinz Heilongjiang (2024QNTG006), der Heilongjiang Postdoctoral Fund (LBH-Z24041) und 2023 herausragende Master- und Doktorarbeiten von Heilongjiang im Rahmen des New Era Funding Project.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Bambusfaser | Sichuan Lvzhu Plant Fiber Co., Ltd., China | 1000 Mesh | Rohmaterial für die experimentelle Arbeit bereitgestellt |
| Booster-Pumpe | Dongguan Suncenter Fuild Control Equipment Co., Ltd., China | DGA15C | Zur Druckkontrolle verwendet |
| Kohlendioxid | Harbin Qinghua Industrial gases Co. Ltd., China | 99,9 % Reinheit | Als Schäummittel verwendet |
| Carbonfaser | Toray Industries Incorporated, Japan | 1000 Mesh | Rohmaterial für die experimentelle Arbeit bereitgestellt |
| Ceactor | Zhengzhou Zechen Instrument Equipment Co., Ltd., China | 0,5 L | Verwendet als Schäumbehälter |
| Verdichter | Zhejiang Kaishan Compressor Co., Ltd., China | XK06-010-00487 | Druckbeaufschlagung |
| Digitales Ölbad | Boho Temptech Co., Ltd., China | HH-5-12L | Gepflegt zum Heizen |
| Trocknungsofen | Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd., China | DGG-9070 | Zum Trocknen von Rohstoffen verwendet |
| Elektronische Waage | Mettler Toledo (Changzhou) Weighing Equipment System Co., Ltd | SPN501F | Verwendet zum Wiegen von Rohstoffen |
| Flachplatten-Schwefelinstrument | Bolon Precision Testing Machines Co., Ltd., China | BL-6170-A | Für Heißkompressionsguss von Verbundwerkstoffen |
| Hochpräzises Feststoffdichtemessgerät | Yuemang Intelligent Equipment Co., Ltd., China | JHY-120Y | Gerät, das zur Bestimmung verwendet wird Dichte |
| Bildanalyse-Software National Institutes of Health | Nationale Gesundheitsinstitute | ImageJ | Software zur Bestimmung der morphologischen Eigenschaften von Schaumstoff |
| Poly(Butylenadipat-Koterephthalat) | Xinjiang Blue Ridge Tunhe Wissenschaft & Tech. Co., Ltd., China | TH801T | Rohmaterial für die experimentelle Arbeit bereitgestellt |
| Polytetrafluorethylenfilm | Luo Huixing Plastic Materials Trading Company, China | 0,5 mm | Verwendet zum Entformen |
| Pulverisierer | Shenzhen Chengzhongsheng Electromechanical Technology Co., Ltd., China | 380 W, 50 Hz | Verwendet zum Zerkleinern und Granulieren |
| Scanner | FEI Inc., USA | QUANTA 220 | Scanner zum Aufnehmen eines Bildes von Schäumen verwendet |
| Doppelschraubenextruder | Nanjing Jiente Machine Point Co. Ltd., China | SHJ-20 | Schmelzmischung |
| Universelle mechanische Prüfmaschine | Wance Technologies Ltd., China | TestPilot X10A | Zur Messung der Kompressionsleistung verwendet |
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