Delignificazione e movimentazione di impiallacciature in legno.
La completa delignificazione porta ad una riduzione di massa di circa il 40% e una riduzione del volume di circa il 20% dopo l'essiccazione al 65% RH6. Oltre alla lignina, anche una frazione di emicellulose viene rimossa. La rimozione di questi componenti comporta un materiale fragile di cellulosa (vedere la figura 4). L'utilizzo di maglie metalliche come supporti facilita la manipolazione e il drappeggio.

Figura 4: Manipolazione del legno delignificato in stato umido. (A) Legno fragile delignificato nel suo stato umido. (B) La movimentazione del materiale viene alleviata utilizzando una rete metallica per il trasporto o (C) per drappeggiare il materiale in uno stampo. (D) Legno delignificato drappeggiato sopra uno stampo porosamente stampato in 3D. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Densificazione e formazione di legno delignificato in stampi chiusi.
La densificazione del legno delignificato saturo d'acqua(Figura 5A-C) è impegnativa, poiché l'acqua libera nell'impalcatura crea una contropressione sulla densificazione e consente al materiale di fluire durante la lavorazione. Ciò causa deviazioni di fibre e crepe nel materiale finale (Figura 5B,C). Una possibilità di aggirare queste limitazioni è quella di utilizzare legno idratante pre-condizionato (95% RH e 20 gradi centigradi), legnificato. In questa condizione, il legno delignificato è ancora ragionevolmente modellabile e la sua densificazione non porta a distorsioni e difetti di allineamento delle fibre.
Il materiale pre-condizionato, tuttavia, è più rigido rispetto allo stato saturo d'acqua, il che rende difficile ottenere piccoli raggi di curvatura senza danni materiali. Per i piccoli raggi di curvatura, è possibile utilizzare il drappeggio bagnato seguito da condizionamento in uno stato già sagomato, è possibile utilizzare la densificazione preventiva. Tuttavia, il condizionamento richiede molto tempo e quindi non è consigliato per le applicazioni su larga scala.

Figura 5: Densificazione a stampo chiuso del legno delignificato in uno stato umido e umido. (A) La densificazione del materiale di cellulosa saturo d'acqua porta a crepe(B,C)e disallineamento delle fibre. (D-F) La densificazione del materiale umido, condizionata al 95% RH, si traduce in una migliore conservazione dell'allineamento delle fibre e meno difetti. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Modellare e densificazione del vuoto di una parte laminata in uno stampo aperto.
Esemplificamente per la sagomatura sottovuoto, abbiamo prodotto un casco in uno stampo di gesso self-made utilizzando un processo open-mold (Figura 6A,B). Come lay-up, abbiamo drappeggiato 2 strati di fiocchi esagono-flakes per la texturing superficiale seguita da 4 strati di impiallacciatura di legno delignificato in una disposizione [0/90] (Figura 6C). I fiocchi forniscono un design attraente della superficie, mentre gli strati unidimensionali (UD) aggiungono resistenza e rigidità al composito. Abbiamo applicato 16.5 wt% amido come adesivo tra gli strati per prevenire la delaminazione14.
La densificazione sottovuoto (Figura 6D) porta all'essiccazione completa della parte entro 48 h e alla densificazione fino a uno spessore di 3 mm (1/3dello spessore iniziale). Dopo l'elaborazione del vuoto, la parte composita viene demolita (Figura 6E) e gli spigoli vengono tagliati con una fresa (Figura 6F).
Lo spessore massimo di layup che poteva essere densificato e completamente asciugato con l'approccio di stampaggio aperto era un layup a 8 strati (8 x 1,5 mm di impiallacciatura) con uno spessore finale di questa parte di 2,5 mm, che corrisponde a una densificazione fino a circa un quarto dello spessore iniziale del legno essiccato, tenendo conto del restringimento dello strato dopo la deformazione e l'essiccazione. Per ottenere tali gradi di densificazione elevati, è necessario un vuoto basso nell'intervallo di 10-2 bar.
I compositi in legno delificati che sono densificati a circa un quarto del loro spessore iniziale in genere raggiungono valori elastici di moduli intorno ai 25 GPa e valori di resistenza nell'intervallo di 150-180 MPa, come mostrato nel nostro lavoro precedente (Tabella 1)7.

Tabella 1: Valori di letteratura per il modulo elastico di tensione e la forza di tensione del legno densificato delineato. L'elaborazione del vuoto si traduce in una densificazione fino a 1/4 dello spessore iniziale, che corrisponde a un FVC del 66%.

Figura 6: Produzione di un casco mediante lavorazione a stampo aperto. (A,B) Molding del casco originale utilizzando uno stampo di gesso. (C) Drappeggio di due strati esterni con fiocchi esagonali seguito da drappeggiamento dei 4 strati interni in un layup [0/90]. (D) Densificazione e essiccazione della parte mediante vuoto. (E) Smodellatura della parte asciutta e finitura (F) con una taglierina. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
L'utilizzo delle mesh di flusso comporta in genere un'impronta mesh nell'esempio. Questo può essere considerato come una strategia di progettazione inerente al processo o può essere evitato posizionando un ulteriore strato tessile più spesso tra legno disallineamento e rete di flusso.
In alternativa, è possibile utilizzare stampi chiusi combinati con l'elaborazione del vuoto come descritto nel passaggio 4.2 del protocollo. La modellazione regolare può essere ottenuta posizionando piccoli pezzi di impiallacciature delignificate in un ordine definito, come mostrato in precedenza per il nostro esempio con il patterning esagonale sul casco.
I problemi che possono sorgere durante l'elaborazione del vuoto includono le pagine di deformazione nella parte composita, che sono causate dall'essiccazione incompleta e dal verificarsi di crepe (Figura 7). Le crepe si traducono principalmente in legno delignificato che è stato conservato in EtOH precedente fabbricazione composita. Pertanto, dopo lo stoccaggio EtOH, si consiglia di immergere con cura il legno delificato in acqua prima di un'ulteriore lavorazione. Inoltre, un attento drappeggio seguito da una leggera densificazione a mano per rimuovere un po 'd'acqua libera riduce il rischio di fessurazione.

Figura 7: Possibili problemi derivanti dalla fabbricazione di geometrie complesse. (A) Vista posteriore e vista laterale(B)del casco fabbricato. (C,D) Piccole crepe dovute al restringimento del materiale durante la lavorazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Riutilizzo o decomposizione di parti composite.
Il nostro composito celluloso-amido è tutto bio-based e può disintegrarsi in acqua. Da un lato, l'idrofiliacità del materiale è uno svantaggio, in quanto porta a una riduzione delle prestazioni meccaniche quando è a contatto con l'acqua. Un metodo semplice per proteggere il composito dall'acqua liquida comprende rivestimenti idrofobici, come abbiamo dimostrato in Frey et al. 20197. D'altra parte, un comportamento idrofilo del materiale può anche essere utile quando si tratta di fine della vita uso e aspetti di riciclaggio. Il campione può semplicemente essere disintegrato in acqua in pezzi più piccoli e i liquami fibrosi possono essere ulteriormente utilizzati per la produzione di nuovi prodotti a base di fibre, come mostrato nella Figura 8. Inoltre, il materiale fibroso è completamente biodegradabile, come mostrato nella Figura 9.

Figura 8: Riutilizzo delle fibre di legno delignificate. (A-C) Riduzione delle impiallacciature in legno delignificate in piccoli pezzi disperdendo il materiale in acqua. (D-F) Riutilizzo del liquame in fibra per la produzione del rivestimento di un casco. (D) Reveting di uno stampo di silicio con liquami in fibra. (E) Rivestimento finale del casco. (F) Rivestimento in legno disintegrato disintegrato all'interno del guscio duro del casco. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Degradazione delle fibre di legno delignificate. (A)Piatto di Petri pieno di terra. (B) Posizionare i liquami in fibra sopra il terreno e (C) riempirlo con acqua. (D) Biodegradazione dopo un giorno, (E) dopo otto giorni e (F) dopo 26 giorni. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.