Fabricación De robustos Fibra Natural Preformas Utilizando bacteriana celulosa como Carpeta

Resumen

Se presenta un nuevo método de fabricación de preformas de fibras naturales cortas rígidas y robustas usando un proceso de fabricación de papel. Celulosa bacteriana actúa simultáneamente como aglutinante para las fibras sueltas y proporciona rigidez a las preformas de fibra. Estas preformas puede ser infundido con una resina para producir materiales compuestos jerárquicos realmente verdes.

Resumen

Un nuevo método de fabricación de preformas de fibras naturales rígidas y robustas se presenta aquí. Este método se basa en un proceso de fabricación de papel, con lo cual las fibras de sisal sueltos y cortas se dispersan en una suspensión de agua que contiene celulosa bacteriana. Se filtra la fibra y la suspensión nanocellulose entonces (usando el vacío o la gravedad) y la torta de filtro prensado en húmedo para exprimir el exceso de agua, seguido de una etapa de secado. Esto dará lugar a la hornificación de la red de celulosa bacteriana, la celebración de las fibras naturales sueltos juntos.

Nuestro método es especialmente adecuado para la fabricación de preformas rígidas y robustas de fibras hidrófilas. La naturaleza porosa e hidrófila de estas fibras resulta en la absorción de agua significativa, dibujo en la celulosa bacteriana dispersado en la suspensión. La celulosa bacteriana A continuación, se filtró contra la superficie de estas fibras, formando un recubrimiento de celulosa bacteriana. Cuando la célula bacteriana de fibra sueltaulosa suspensión se filtra y se seca, la celulosa bacteriana adyacente forma una red y hornified para mantener las fibras sueltas de otro modo juntos.

La introducción de celulosa bacteriana en la preforma resultó en un aumento significativo de las propiedades mecánicas de las preformas de fibra. Esto se puede atribuir a la alta rigidez y la resistencia de la red de celulosa bacteriana. Con esta preforma, materiales compuestos de alto rendimiento jerárquicos renovables también se pueden fabricar mediante el uso de métodos de producción compuesto convencionales, tales como la infusión de resina película (RFI) o moldeo por transferencia de resina (RTM). Aquí, también se describe la fabricación de materiales compuestos jerárquicos renovables usando vacío de doble bolsa de infusión de resina asistida.

Introducción

Constante aumento del precio del petróleo y la creciente demanda del público para un futuro sostenible han despertado y revivido la investigación y desarrollo de materiales verdes, especialmente polímeros y materiales compuestos. Por desgracia, el rendimiento termo-mecánico de polímeros verdes o renovables, es a menudo inferior en comparación con los polímeros a base de petróleo tradicionales ^1. Por ejemplo, comercializado poliláctico (PLA) y polihidroxibutirato (PHB) son frágiles y tienen temperaturas de distorsión de calor bajo. Una solución de creación de materiales renovables que igualan o incluso superan el rendimiento de los materiales de ingeniería a base de petróleo de uso común es aprender del pasado; Henry Ford utiliza una estrategia de material compuesto, es decir, la combinación de polímeros bio-based/renewable con un refuerzo ^2, para mejorar las propiedades de los polímeros renovables. Con frecuencia se afirma que las fibras naturales sirven como candidato ideal como refuerzo debido a su bajo costo, baja densidad, renewabilidad y la biodegradabilidad ^3. Compuestos de fibra natural se ha visto un renacimiento en la década de 1990, como puede verse por el aumento exponencial en el número de publicaciones científicas revisadas por pares (Figura 1) ^4. Sin embargo, la naturaleza hidrófila de las fibras naturales y las características hidrófobas de la mayoría de los termoplásticos se culpa a menudo para dar como resultado la adhesión de fibra-matriz pobres ^5, que a menudo resulta en un rendimiento mecánico de los materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras resultantes. Para resolver este desafío, numerosos investigadores intentaron modificar químicamente las superficies de fibras naturales ^6,7. Estas modificaciones químicas incluyen acetilación ^{8, 9} sililación, polímero de injerto ^10, tratamientos isocianato ^11,12, el uso de agentes de acoplamiento maleados ^13-17, y benzoilación ^18. A pesar de que estos tratamientos químicos han rendido las fibras naturales más hidrofóbica, el resultado natural de la fibra de refuerzopolímeros d todavía no cumplieron en términos de rendimiento mecánico ^19. Thomason ²⁰ hipótesis de que este fracaso podría ser un resultado de la anisotropicity y el alto coeficiente térmico de dilatación lineal de fibras naturales. Además de esto, las fibras naturales también sufren de desventajas tales como la temperatura limitada de procesamiento ^21, la variabilidad de lote a lote ^3, baja resistencia a la tracción en comparación con las fibras sintéticas, tales como vidrio, aramida o fibras de carbono y la falta de procesos de fabricación adecuados para producir fibras naturales reforzados compuestos de polímeros. Por lo tanto, el uso de fibras naturales como refuerzo no será suficiente para cerrar la brecha de la propiedad rendimiento antes mencionada entre los materiales verdes y polímeros a base de petróleo.

Nanocellulose es un agente de refuerzo verde emergente. En particular, producido nanocellulose por bacterias, tales como de la especie Acetobacter ^22, también conocidos como cellulos bacterianase sirve como una alternativa interesante para el diseño de materiales verdes ²³ debido a la posibilidad de explotar la alta rigidez y la resistencia de los cristales de celulosa ^24. La rigidez de un solo cristal de celulosa se ​​estimó en aproximadamente 100-160 GPa usando difracción de rayos X, espectroscopia de Raman y simulaciones numéricas ^25-27. Esto es más alto que las fibras de vidrio ~ 70 GPa, que son sin embargo mucho más denso. Celulosa bacteriana (AC) es también inherentemente nano-tamaño con un diámetro de aproximadamente 50 nm y varios micrómetros de longitud ^28. Nos informó de un método para (sisal y el cáñamo) fibras naturales de la capa con capas de BC cultivando Acetobacter xylinius en presencia de fibras naturales ^5,29,30. Esto llevó a una mejor adherencia interfacial entre PLLA y fibras naturales recubiertas de BC ^29,31. Con el fin de simplificar el proceso de recubrimiento de estas fibras, Lee et al. ³¹ desarrolló un método de revestimiento (sisal) Fibe naturalesCódigo de producto sin el uso de biorreactores. Este método se basa proceso de inmersión lechada, con lo cual las fibras de sisal secos se sumergen en una suspensión BC. Una extensión de este método ³² es filtrar la suspensión acuosa que contiene fibras de sisal sueltas y BC para producir preformas de fibra de sisal adecuados para operaciones típicas de fabricación de estructuras compuestas.

Protocolo

1. Preparación de suspensión bacteriana de fibra de celulosa-sisal

1. Determinar la masa húmedo a seco de BC mediante la medición de la masa húmeda de BC, seguido por secado al vacío de BC húmedo a 80 ° C durante la noche (O / N). Una vez seco, medir la masa seca de BC.
2. Mida la cantidad de mojado BC película equivalente a 18 g de seco BC de la masa de húmedo a seco predeterminado de BC.
3. Cortar las unas películas BC mojadas en pequeños trozos de ~ 1-2 cm con un par de tijeras afiladas. Después de cortar, remojar las unas películas BC en 1 litro de agua para permitir la hidratación de unas películas de corte.
4. Alimentar a la película de corte antes de Cristo en la licuadora y agregar una cantidad apropiada de agua en la licuadora de tal manera que el proceso de mezcla salga bien.
5. Mezcle estos unas películas BC durante 2 min.
6. Vierta el blended BC en un recipiente 15 L y añadir agua hasta que el volumen total de agua es de 14 L, lo que representa una concentración de BC en agua de 0,1 (g / ml)% (porcentaje de masa de celulosa bacteriana per unvolumen que de agua). Las unas películas BC que tenga que ser alimentado a la licuadora en lotes para la mezcla.
7. Cortar 72 g de fibras de sisal sueltos (o cualquier fuente de fibras naturales cortas) en fibras largas 1-2 cm y agregarlos a la suspensión antes de Cristo. Revuelva suavemente la suspensión para asegurar una dispersión homogénea de fibras de sisal en la suspensión antes de Cristo.
8. Remoje las fibras de sisal en esta suspensión de O / N.

2. Fabricación de fibra de sisal Preform

1. Molde de hoja Abra y cierre la válvula de drenaje.
2. Llenar el sistema con agua desionizada hasta que el nivel del agua alcanza el alambre de refuerzo.
3. Coloque una rejilla de formación 100 de malla de metal en el cable de refuerzo, se centró dentro de la base del molde de hoja.
4. Cierre y asegure el molde de hoja. Añadir agua fresca adicional hasta que la malla de formación se sumerge en agua.
5. Verter la suspensión de fibras de sisal-BC preparado en el molde de la hoja. Agitar suavemente la suspensión para asegurar que las fibras de sisal son distribuyen homogéneamentebuido en todo el molde.
6. Abrir la válvula de drenaje para drenar el agua, lo que resultará en la formación de una torta de filtro húmeda de fibras de sisal y BC en la tela metálica formadora. Inmediatamente después de los desagües de agua, abrir el molde de hoja y retire la malla de formación.
7. Coloque la rejilla de formación en un pedazo de papel secante. Papeles adicionales de transferencia se colocan en la parte superior de la torta de filtro, seguido de una placa de metal.
8. Voltear la torta de filtro alrededor. Con la malla de formación que se enfrenta la parte superior, retire la malla de formación y colocar más papel secante directamente en la parte superior de la torta de filtración, seguido por una placa de metal.
9. Coloque un peso de 10 kg en la parte superior de la placa metálica para presionar el agua fuera. Cuando el papel secante está totalmente empapado, reemplace los papeles de transferencia con los papeles de transferencia frescos y pulse la torta del filtro nuevo con un peso de 10 kg.
10. Vuelva a colocar los papeles de transferencia 1 hora final y realizar una última pulsación de 1 tonelada en una prensa caliente para consolidar la preforma de fibra.
11. Calentar la prensa caliente hasta 120 ° C para ayudar a la evaporación del agua residual. Esto debería tomar aproximadamente 4 horas. Reducir la temperatura de la prensa caliente a temperatura ambiente (RT) y permitir que la preforma se enfríe antes de retirarlos de la prensa caliente.

3. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) de la preforma de fibra de sisal BC-

1. Cortar una preforma de 2 × 2 cm ² de fibra BC-sisal.
2. Pegue esta preforma corte en SEM talón mediante fichas de carbono.
3. Escudo de la muestra en un dispositivo de recubrimiento por pulverización catódica Cr operando a 75 mA durante 1 min.
4. Imagen de la preforma de fibra BC-sisal con emisión de campo SEM arma en el modo en el objetivo utilizando una energía de haz de 5 kV.
   Nota: No trate de la imagen de la preforma de fibra de sisal sin pegar la preforma en el talón de SEM utilizando adhesivo conductor. Las fibras sueltas serán absorbidos de distancia durante la evacuación de la cámara de SEM y dañan el cañón de electrones.

4. Manufacturing Composite usando Vacío Assisted Resin Infusion (VARI)

1. Coloque la preforma en la parte superior del lado utillaje, que consiste en un tejido de liberación de vidrio de PTFE no poroso recubierto.
2. Cubrir la preforma con una tela porosa de PTFE recubierto de liberación de vidrio, también conocido como una capa de cáscara, seguido de un medio poroso de flujo. Tanto la capa de la cáscara y el medio de flujo deben ser más grandes que la preforma (véase la Figura 2 para un esquema de proceso).
3. Coloque los tubos omega en la entrada de resina previsto y salida del VARI levantado. Asegúrese de que los tubos de omega se colocan en la parte superior del medio poroso de flujo para permitir que la resina para distribuir en el VARI estableció durante la infusión. La longitud de tubos de omega debe ser tan amplio como medio de flujo.
4. Lugar de presión cintas sensibles alrededor de la periferia de la puesta en marcha.
   1. Asegúrese de que el soporte de papel de las cintas sensibles a la presión todavía se deja en las cintas en este punto.
   2. Introducir los tubos de alimentación y de salida de resina en las aberturas de latubos omega y cubrir la puesta a punto con una película de bolsa a base de polímeros fluoroetileno y sellarlo utilizando cintas sensibles a la presión.
   3. Selle el tubo de alimentación de resina. Colocar el otro extremo del tubo de salida de resina en la parte superior de la tela del respiradero.
5. Coloque una placa de metal en la parte superior de la bolsa interior, donde la preforma de fibra es, seguido de un trozo de tela respiro. La placa de metal debe ser el tamaño de la preforma.
6. Identificar la posición en la que la válvula de vacío a través de la bolsa debe ser y colocar la pieza inferior de la válvula en la parte superior de la tela del respiradero.
7. Coloque la cinta sellante de vacío alrededor de la bolsa interna y colocar una película de bolsa de vacío en la parte superior de la misma y sellarlo. El exceso de película de bolsa de vacío formará pliegues.
8. Coloque la cinta de sellado en el interior del pliegue para completar el sellado.
9. Cortar una pequeña 'x' en la película de bolsa de vacío, donde la pieza inferior de la válvula y el tornillo está en la pieza superior para completar el medio de válvula de vacío bolsa. Es importaciónnt para evitar las arrugas de la película de bolsa de vacío bajo la pieza superior ya que esto podría causar una vía de fuga.
10. Conecte el conector rápido y tire de un vacío. Durante este proceso, la película de bolsa de vacío se puede mover alrededor y el lugar donde se necesita un exceso. Compruebe si hay fugas de vacío.
11. Preparar la resina mediante la mezcla de la resina epoxi y el endurecedor en una relación en peso entre 100 y 19. Desgasificar la resina a una presión reducida para eliminar todas las burbujas de aire atrapadas durante la mezcla de la resina epoxi y el endurecedor.
12. Una vez que el VARI creó está decidido a ser libre de fugas, alimenta la resina a través de un tubo conectado al tubo de omega.
13. Asegúrese de que la resina se alimenta lentamente tal que tiene tiempo para impregnar en la preforma de fibra. Permitir que la resina fluya hacia fuera desde el tubo de salida de resina y penetre en la tela de respiración hasta que no hay burbujas de aire pueden ser observados que sale desde el tubo de salida.
14. Selle el tubo de salida y deje que la resina cure durante 24 horas a temperatura ambiente, seguido de un post-curing de paso a 50 ° C durante 16 h.
    Nota: (1) El ciclo de curado es una resina dependiente. (2) Es muy importante que el vacío máximo se alcanza en el VARI establecido y no hay fuga de vacío dentro de puesta en marcha. Un pobre VARI estableció (no alcanzar el vacío máximo o una fuga) dará lugar a poros dentro de los compuestos fabricados y fracción de volumen de fibras reducido significativamente en los materiales compuestos. (3) La relación-epoxi-a endurecedor es la resina dependiente. Por favor, consulte la ficha técnica de la resina para la relación de epoxi para endurecedor antes de la mezcla.

Resultados

Sin una carpeta antes de Cristo, las cortas, fibras de sisal sueltos se mantienen unidas sólo por la fricción y enredos entre las fibras. Como resultado, esta preforma está suelto y no era capaz de soportar tanto peso. Figura 3 muestra la preforma de fibra de sisal y sin AC como el aglutinante, con una carga aplicada en modo de flexión de 3 puntos. La preforma puede ser visto a ser bastante suelta y cuando se aplica una carga mediante la adición de agua en la taza de polipropileno, la preforma comienza a desviar severamente. La carga aplicada es equivalente a 40 g de agua. Sin embargo, cuando se utilizó 20 en peso.% BC como el aglutinante para estas fibras de sisal cortos y sueltos, se fabrica una preforma de fibra rígida. Esta preforma puede soportar la carga de una taza de polipropileno completa (~ 170 g) sin ninguna desviación significativa (Figura 3).

Micrografías electrónicas de barrido de una preforma típica de fibra de sisal BC-se muestran en la Figura 4. BC puede verse que se cubre la superficie delas fibras de sisal. Este efecto es debido a la naturaleza hidrófila de las fibras de sisal (o cualquier otras fibras naturales). La naturaleza hidrófila de las fibras de sisal absorbe el agua, dibujo en el BC que se dispersa en el medio. Desde BC es más grande que los poros de las fibras naturales, que no fueron capaces de penetrar en las fibras. En su lugar, se filtraron contra la superficie de fibras de sisal y forman una capa de recubrimiento de AC cuando se secaron las fibras.

El comportamiento mecánico de estas preformas de fibra bajo tensión se tabulan en la Tabla 1. Debido a la naturaleza porosa de las preformas de fibra con una porosidad de ~ 70%, la resistencia a la tracción (carga por unidad de área) de la preforma no está bien definido. Por lo tanto, tabulamos la fuerza de tracción (carga necesaria para quebrar la muestra por unidad de ancho, que es de 15 mm en nuestro experimento, del material) y el índice de tracción (fuerza de tracción por unidad de gramaje) de nuestras muestras. Un índice de fuerza de tracción y resistencia a la tracción de 12.1 kN · m ^-1 y se midió 15 N · m · ^g-1, respectivamente, cuando se usó 20 en peso.% BC como el aglutinante. Sin embargo, las propiedades de tracción de preformas de fibra de sisal limpias no eran mensurables como la preforma de fibra está suelto.

Figura Legends:

Figura 1. Número de publicaciones en el campo de las fibras naturales y materiales compuestos. Los datos fueron recolectados de la Web of Knowledge usando una búsqueda por palabra clave de 'fib naturales *' Y 'compuesto *', respectivamente. Se obtiene de Bismarck et al. ⁴ con el permiso de la revista Scientific American Publishing Ltd.

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Figura 2. Esquema de doble bolsa de vacío asistido infusión de resina.

Figura 3. Las fotografías que ilustran la diferencia en la rigidez de preformas de fibra de sisal flexión sin (dos imágenes superiores) y con (dos imágenes inferiores) BC como aglutinante.

.. Figura 4 micrografías electrónicas de barrido de una típica preforma de fibra natural utilizando BC como aglutinante con distintos aumentos Top: 100X, medio: 1000 X y el fondo: 25000 X, respectivamente. (A) y (b) denotar la SIfibra de sal y BC nanofibras, respectivamente.

Materiales	Fuerza de tracción (kN · m -1)	Índice de la tracción (N · m · g -1)
Preforma sisal Neat	No se puede medir	No se puede medir
Preforma BC-sisal	12,1 ± 2,4	15 ± 3

Tabla 1. Las propiedades de tracción de las preformas de fibra de sisal, con y sin AC como el aglutinante.

Discusión

Hemos demostrado en este experimento que las fibras de sisal sueltas se pueden enlazar con el BC. Sin embargo, la elección de las fibras no se limita a fibras de sisal sólo. , También se pueden utilizar otros tipos de fibras, tales como el lino y el cáñamo. Además de esto, también hemos demostrado que la harina de madera, papel reciclado, y disolviendo la pulpa también se puede enlazar en preformas rígidas y robustas usando un aglomerante BC (resultados no publicados aún). El criterio es que las fibras usadas deben ser hidrófilo y absorber agua. Como se ha mencionado, la naturaleza hidrófila de las fibras va a absorber agua, dibujo en el BC que se dispersa en el medio. El BC se filtra contra la superficie de estas fibras hidrófilas y forma una capa de recubrimiento de AC cuando se secaron las fibras. Mientras que la celulosa bacteriana puede ser depositado alrededor de las fibras naturales mediante el cultivo de xylinus de Acetobacter en la presencia de fibras naturales ^{5, 29, 30,} este proceso es laborioso y de rerequiere bioreactores caros con un estricto control de pH y el contenido de oxígeno disuelto. Nuestro proceso mejorado, en el otro lado, se basa en un método de fabricación de papel (es decir: la dispersión de fibras naturales en una suspensión BC) y no hay necesidad de biorreactores ^31.

Con respecto a la aplicación de las fibras naturales en materiales compuestos, orientadas al azar no tejido (corto y orientado al azar) preformas de fibras naturales son producidos por la perforación de la aguja (esencialmente costura) fibras de polímero (típicamente un poliéster) a través de fibras compactados sueltos ^33. Para hacer un compuesto, las preformas de fibra se colocan entonces en un molde y se infunden con una resina. Fibras de polímeros también pueden ser mezclados con fibras naturales ³⁴ (típicamente de lino, de cáñamo, de yute o) o dispersa en una suspensión de fibra natural y se filtró a vacío ³⁵ en la fracción de alto volumen de polímero (50 vol.%). Esta estera de fibra-fibra natural polímero (preforma) se calienta entonces posteriormente para fundir el polímero a Plaborar una estructura de material compuesto. Los últimos procesos de producción de materiales compuestos son intrínsecamente escalable pero están limitadas por la elección de fibras de polímero (el polímero debe fundir a temperaturas inferiores a la temperatura de degradación de las fibras) que se pueden utilizar para hacer preformas y, por lo tanto, el tipo de matrices disponibles para hacer compuestos. Usando nuestro método, BC no sólo actúa como un aglutinante, que también actúa como un nano-refuerzo ^32. Como se ha mencionado, el módulo de Young de un nanofibras BC individuo se estimó en 114 GPa. Si bien no se conoce la resistencia de la fibra a la tracción simple de AC, la resistencia a la tracción de la madera y las fibras tunicado TEMPO-oxidado individuales se ha medido recientemente utilizando cavitación inducida por ultrasonidos ^36. Una resistencia a la tracción de entre 0,8-1,5 GPa se midió para estas nanofibras individuales. Estas propiedades mecánicas, junto con el potencial de unión de BC, AC hicieron un excelente candidato para producir corto Natur verdaderamente verde y orientado al azarAL reforzados con fibras, materiales compuestos renovables bacterianas de celulosa reforzado con rendimiento mecánico que excede polímeros reforzados con fibras convencionales.

En término de la fabricación de material compuesto, nuestro proceso de fabricación preferido es la bolsa de doble asistida por vacío de resina de infusión discutido (DBVI) desarrollado por Waldrop et al. ³⁷ A diferencia de la infusión asistida por vacío más convencional sola bolsa de resina (también conocido como el proceso de Seemann ^38), DBVI emplea a dos bolsas de vacío independientes durante el proceso de infusión (ver Figura 2). Mientras que el proceso de Seemann funcionará para materiales compuestos de fabricación, este proceso podría sufrir de bolsa de vacío relajación detrás del frente de flujo de la resina. Cuando esto ocurre, el área donde se produce la relajación se sentirá suave y esponjoso. La relajación bolsa de vacío se traducirá en la bolsa de vacío alejándose del medio de flujo debido al flujo preferente de resina líquida en el camino de menor resistencia. Tsu causarán los compuestos manufacturados tengan fracciones de volumen de fibra no uniformes (es decir, la zona relajada tendrá una fracción de volumen de fibra menor que el área no relajado de la bolsa de vacío). DBVI no sufre de este inconveniente, como la bolsa de vacío interior nunca se relaja detrás del frente de flujo de la resina líquida. Como resultado, los paneles compuestos resultantes tendrán más alta que la fracción media de volumen de fibra y el grosor más uniforme. Por otra parte, el uso de la bolsa de vacío exterior proporciona una redundancia en el sistema y mejora la integridad de vacío del proceso de infusión líquido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Celulosa bacteriana	fzmb	9004-34-6	El número CAS se basa en el número CAS de las fibras de celulosa
Sisal	Wigglesworth Co. Ltd, Reino Unido		El tipo de fibras se puede sustituir por cualquier tipo de fibras naturales
Prime 20 ULV	SP Gurit		El tipo de resina se puede sustituir por cualquier tipo de resina líquida diseñada para la infusión
de resina asistida por vacíoMolde de hoja estándar Formax	Adirondack Machine Corporation		Este equipo podría ser reemplazado por un Bü Embudo Chner.
Bomba de vacío	Edwards, Reino Unido	XDS 5
Placa caliente	Wenesco Inc, EE. UU	HP 1836-AH
Tejido antiadherente de vidrio recubierto de PTFE poroso	Tygavac Advaced Materials Ltd, Reino Unido	TFG075P
Tubos Omega	Tygavac Advaced Materials Ltd, Reino Unido	Omegaflow 313
Paño de respiración	EasyComposites Ltd, Reino Unido
Presión cintas sensibles	Aerovac, Reino Unido	SM5127
Película de ensacado al vacío (FEP)	Tygavac Advaced Materials Ltd, Reino Unido	RF260
Película de ensacado al vacío (Nylon)	Aerovac, Reino Unido	Capran 519