この研究では、炭素繊維および竹繊維強化ポリ(アジピン酸ブチレン-コテレフタレート)フォームを調製するための超臨界二酸化炭素発泡法について説明します。
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この記事について
サマリー
要約
繊維強化ポリマーフォームは、多くの分野で幅広い用途が見出されています。特に、ポリ(アジピン酸ブチレン-コテレフタレート)(PBAT)は、その優れた加工特性、機械的性能、生体適合性により、生分解性材料の分野で大きな注目を集めています。ただし、純粋な PBAT フォームの収縮率が高いため、その用途が制限されます。発泡性能を高めることができるさまざまな素材の中で、炭素繊維 (CF) と竹繊維 (BF) には独自の利点があります。この研究では、超臨界二酸化炭素 (scCO2) 発泡技術を採用して、PBAT/CF/BF フォームの調製に成功しました。結果は、CF と BF の相乗効果により、PBAT フォームの収縮防止特性が大幅に向上することを示しています。純粋なPBATフォームと比較して、PBAT/15CF/5BFフォームの収縮率は55.63%から6.92%に減少し、87.56%減少しました。PBAT/10CF/10BFフォームは、31.58%減少した0.13g/cm3の最低密度を達成しました。PBAT/10CF/10BFフォームは9.43%増の51.36%と最も高い膨張率を示した。圧縮弾力試験では、すべての PBAT/CF/BF フォームが良好な圧縮弾力を示し、PBAT/15CF/5BF フォームが 0.26 MPa という最高の圧縮強度を示すことが明らかになりました。この研究は、繊維強化生分解性ポリエステルフォームを製造するための効果的なソリューションを提供します。これらのフォームは、収縮防止特性、軽量特性、優れた弾力性を備えています。
概要
繊維強化ポリマーフォームは、その高い強度重量比、優れた熱安定性、多用途の構成可能性により、航空宇宙1、輸送2、建設3、環境保護4 などのさまざまな分野で広く応用されています。世界的な「デュアルカーボン」目標とプラスチック汚染防止イニシアチブに後押しされ、生分解性ポリマーフォームは研究のホットスポットになりつつあります 5,6,7。PBAT は、典型的なバイオベースの生分解性ポリエステルとして、その優れた加工性能と環境への優しさにより、従来の石油ベースの発泡材料に代わる理想的な代替品と考えられています 8,9,10,11。ただし、純粋なPBATフォームが示す大幅な収縮により、その用途が制限されます12。
さまざまな改質技術の中でも、繊維強化技術を採用すると PBAT フォーム13 の性能を大幅に向上させることが研究でわかっています。CF は、高強度、高弾性率、低密度で知られており、ポリマーを強化するために頻繁に利用され、それによってポリマーの機械的特性が向上します14。CFを含めると、フォームの機械的サポートが強化されるだけでなく、フォームの微細構造が変化し、全体的な性能が向上する可能性があります15,16。Yimu Qiao ら 17 は、PBAT/CF フォームと連続 CF 強化ポリプロピレン (PP) プリプレグで構成されるサンドイッチ構造を調製しました。この研究では、プリプレグを含む発泡セルはより均一で密度が高いことがわかりました。対照的に、BF は、その優れた生体適合性と再生可能性により、強化材料において独自の利点をもたらします18。その独特の内部微細構造は、材料に一定の靭性とクッション性を与えます19。Wei Guo et al.20 は、アルカリ変性 BF 強化ポリプロピレン BF/PP フォームを調製しました。この研究は、BF の添加により気泡構造が改善され、BF/PP フォームの機械的特性が大幅に向上することを示しています。したがって、PBAT フォームの製造における CF と BF の賢明な組み合わせにより、両方の材料の利点が最大化され、純粋な PBAT フォームの重大な収縮の問題が軽減され、さまざまな分野でその応用の可能性がさらに広がることが期待されます。
scCO2 発泡技術は前述の進歩を遂げましたが、繊維強化生分解性ポリエステルフォームの分野ではまだ重大な欠点があります。まず、既存の研究では主に単繊維強化(純粋なCFや純粋なBFなど)が使用されており、CFの剛性向上とBFの界面制御の利点の組み合わせなど、さまざまな繊維の相乗効果を十分に活用できていません。第二に、繊維含有量が高い場合の溶融流動性の低下によって引き起こされる発泡欠陥を回避することは依然として課題です。この論文の革新性は、上記の問題に対処することにあります。一方では、PBATのCF/BF二本繊維相乗強化のためのscCO2 発泡システムを構築し、核形成効率と界面結合における単繊維システムの欠点を補います。同時に、CF/BF比を最適化することで、発泡を確保しながらフォームの機械的特性を向上させ、生分解性フォームの高性能のための新しい設計コンセプトを提供します。
ScCO2 発泡技術は、環境上の利点、調整可能なミクロンスケールの細孔サイズ、および柔軟なプロセスパラメータ調整機能を活用して、高性能マイクロセルラーフォーム材料を製造するための新しい道を切り開きました21。scCO2 発泡により、CO2 は複合材料系内で均一に溶解します。突然の圧力解放により、二酸化炭素は急速に逃げ出し、多数の均一に分布した気泡核を形成し、その後細孔に成長します22。このプロセスにより、細孔のサイズと密度を正確に制御できるだけでなく、本来の性能を維持しながら、材料の断熱性、防音性、クッション性も向上します23。
この研究では、CFとBFの比率が異なるPBAT複合材料のscCO2 発泡システムを調査し、どちらも合計含有量が20%です。PBAT / CF / BFフォームを調製するために、CF / BF比を3:1、1:1、および1:3として選択しました。発泡温度は100°C、発泡圧力は10MPa、発泡時間は60分でした。最初にフォームを製造し、その密度、膨張率、収縮率を測定して、繊維比の異なるフォームの基本的な物理的特性の違いを視覚的に示しました。続いて、走査型電子顕微鏡(SEM)を利用して細胞構造を特徴付け、細胞の直径を測定して、細胞の形態、サイズ、均一性に対する繊維比率の変化の影響を顕微鏡レベルで明らかにしました。最後に、圧縮サイクル試験を実施して圧縮性能を評価し、さまざまな繊維強化の組み合わせによってフォームに付与される機械的耐荷重能力を示しました。この研究の結果は、優れた物理的特性、微細構造、機械的強度を備えたバイオベースの生分解性発泡材料の開発のための理論的基盤と技術的洞察を提供し、包装や建設などの分野での持続可能な使用を促進します。
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プロトコル
この研究で使用された試薬と機器は、 材料表に記載されています。
1. 原料の前処理
- PBAT、CF、およびBFを80°Cのオーブンに8時間入れます(図1A)。
2. 計量と予備混合
- 総質量200gを例にとると、電子天秤を使用してPBATとCFを比例して計量します(たとえば、PBAT / 20CF:180 g PBATと20 g CF)。
- 計量したPBATとCFをポリエチレンバッグに注ぎ、5分間混合してCFの予備的な均一な分散を確保します。
3. 溶融押出
- 二軸押出機の電源スイッチをオンにします(図1B)。
- 各ゾーンの温度をそれぞれ135°C、145°C、155°C、165°C、160°Cに設定します。
- 加熱プログラムを開始し、各ゾーンの温度が設定値に達した後、30分間維持します。
- ホスト速度を 5 rpm に設定します。
- フィーダーの回転速度を3rpmに設定します。
- 純粋なPBATペレットを押出機に加え、10分間実行してスクリューを洗浄します。
- PBAT/20CFプレミックスに切り替えて連続的に押し出します。
- 上記の手順に従って、それぞれPBAT/15CF/5BF、PBAT/10CF/10BF、PBAT/5CF/15BF、PBAT/20BFの含有量でサンプルを調製します。原材料を交換する前に、純粋なPBATでネジを清掃してください。
- 押し出された塊を集め、粉末造粒機を使用して粉砕します(図1C)。
- 粉砕したサンプルをポリエチレン袋に密封して保管し、配合比率と日付をラベル付けします。
4. 圧縮成形
- フラット加硫機の電源スイッチをオンにします(図1D)。
- 上下プレートの温度を165°Cに設定します。
- 加熱プログラムを開始し、目標温度に達したら10分間維持します。
- 100 mm×100 mm×4 mmの金型寸法に基づいて、計算された必要な材料質量は60 gです。
- 平らなガスケットの上にポリテトラフルオロエチレンフィルムを置き、すぐに金型を配置します。
- 材料を金型に均等に分配します。
- 材料を配置するために金型の上にポリテトラフルオロエチレンフィルムを置き、平らなガスケットで覆います。
- 敷設した材料を平ら加硫機の加熱プレートの中央に置きます。
- 金型の閉鎖手順を開始し、1 MPa の圧力を加え、圧力を 3 分間維持し、気泡の形成を避けるために材料から空気を排出します。
- 金型を閉じる手順を続け、圧力を 10 MPa に上げ、10 分間維持して、材料が溶けて金型に均一に充填されるようにします。
- 暖房を止め、冷却システムを作動させ、温度が40°Cを下回るまで待ってから、減圧して金型を取り外します。
5. ScCO2 発泡プロセス
- ブレードを使用して、成形シートを10 mm×10 mm×4 mmの寸法に切断します(図1E)。
- 切断したパネルを反応容器に入れます。
- レンチ工具を使用してリアクターのボルトを締め、リアクターを閉じます。
- 反応釜の排気バルブを閉じます。
- CO2シリンダーベントのバルブを開きます。
- ブースターポンプの吸気バルブを開きます。
- 反応器の入口バルブを開き、CO2 ガスを反応器に注入します。
- 反応器の入口バルブを閉じ、3分間維持します。
- 反応器の排気バルブを開けて、反応器内の空気を排出します。
- 2つのオイルバスの電源スイッチをオンにし、温度をそれぞれ165°Cと100°Cに設定します。
- サンプルの入った反応容器を165°Cのオイルバスに10分間入れます。
- 反応器の入口バルブを開いて反応器を加圧し、CO2を導入し、圧力を10MPaに制御し、温度を10分間維持します。
- CO2シリンダーの換気バルブを閉じます。
- ブースターポンプの吸気バルブを閉じます。
- 反応釜の入口バルブを閉じます。
- サンプルの入った反応容器を100°Cのオイルバスに移し、温度と圧力を60分間維持します。
- 反応器の排気バルブを開き、3秒以内に急速に圧力を解放して、発泡材料を取得します。
6. 泡の特性評価
注:試験片の密度は、濃度計を使用して直接測定されます。純粋なPBATを例に挙げます。
- 電源を入れます。表示は8888888 gから0.00gに変わります。
- 0 キーを押してゼロにリセットします。
- サンプルを測定プラットフォームに置きます。
- 安定化後に ENTER キーを押します。
- サンプルを取り出し、拭いて乾かします。
- サンプルを水中の水中の吊り下げプラットフォームに置きます。
- 安定化したら、 ENTER キーを押します。読み取り値は1.223 g / cm3です。
- SETボタンを押して計量モードを終了し、計量モードに戻り、他の製品の測定に進みます。
注:試験片の密度は、濃度計を使用して直接測定されます。 - 次の式1 を使用して、フォームの初期発泡率 (φ24) を計算します。
(1)
注:ρ0は試験片の固体密度であり、ρ1は泡の初期発泡密度です。 - 次の式24 を使用して、泡安定化後の発泡膨張率 (φ 2) を計算します。
(2)
注:ρ2は、泡安定化後の発泡密度です。 - 次の式24 を使用して収縮率 (S) を計算します。
(3)
7. SEM特性評価
- 発泡体切断サンプルをSEM試験片ステージに置きます。
- フォームにゴールドスプレー処理を施します。
- 加速電圧を5kVに設定してSEM画像を取得します。
- 画像Jを使用してSEM画像を開き、 直線 ツールを使用して画像のスケールバーに一致させます。
- [ 分析]>[スケールの設定]をクリックし、[ 既知の距離 ]をSEM画像のスケールバーに設定して、[ グローバル>OK]をクリックします。
- [ >ツールの分析]> [ROI 管理 ]をクリックしてフォームのセルサイズを測定し、[ 追加]をクリックします。指定された必要なサンプル数を測定します。
- [ 測定] をクリックして、さらに計算するための数値の定量的データを取得します。
- 次の式24を使用して、フォームの平均セル直径を計算します。
(4)
注:ni は、SEM画像内の直径がDi の細胞の数を指します。 - 次の式24を使用して、フォームの核形成密度(N0)を計算します。
(5)
注:nはSEMのセルの総数、AはSEMの面積です。
8. 圧縮特性の測定
- GB/T 1041-2008 試験規格に従って、各タイプのフォームから 10 mm × 10 mm× 8 mm の試験片を 6 セット切断します。
注: 試験片の目視検査を実施して、表面が平らで、亀裂や材料不足などの明らかな欠陥がないことを確認します。 - 試験片の寸法を測定します。
- ソフトウェアを開きます。
- 試験機の電源を入れ、ソフトウェアに接続します。
- 圧縮治具を取り付け、その平行度と垂直度が要件を満たしていることを確認します。
- 発泡試験片を圧縮治具の中央に置き、試験片と治具が良好に接触するようにします。
- 試験機の試験パラメータを設定します。負荷速度は5mm/minで、10サイクル、圧縮ひずみは50%です。
- 動作試験を実施し、発泡試験片に圧縮力を加えると同時にデータを記録します。
- テストが完了したら、泡サンプルを取り出します。
注: 実験中は、局所的な変形、ひび割れ、崩壊が発生するかどうかなど、発泡試験片の変形を観察し、詳細な記録を残してください。 - すべての泡サンプルに対して上記の手順を繰り返して、結果の再現性を検証し、確認します。
- 実験後、泡サンプルの圧縮強度を計算します。
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結果
前述のプロトコルに従って調製されたCFとBFの異なる比率で強化されたPBATフォームの物理的画像と物理的特性を 図2に示します。CF と BF の割合を増やすと、PBAT フォームの収縮に効果的に抵抗することが観察できます。測定により、純粋なPBATフォームの密度は0.19 g / cm3 (図2B)、発泡率は6.23(図2C)、安定収縮率は55.63%(図2D)であることがわかりました。CFとBFの異なる比率を組み込んだ後、発泡密度は一般的に減少し、それに応じて発泡率は増加しました。特に、PBAT/15CF/5BF フォームの収縮率はわずか 6.92% と最も低かったです。純粋なPBATと比較して、PBAT/10CF/10BFフォームは、31.58%の低減である0.13 g/cm³の最低密度と、51.36%の増...
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ディスカッション
乾燥処理は、溶融押出に先立つ重要なステップです。その主な目的は、材料から水分を除去して、高温条件下での加水分解、気化、界面欠陥を防ぐことです。これにより、PBAT 複合材料8 の機械的特性、加工安定性、および外観品質が保証されます。この研究では、PBAT、CF、およびBFをオーブンに入れ、80°Cの温度で8時間の乾燥処理を行うという具体的な手順が含まれる。
フォームの密度と膨張率を測定することで、発泡プロセスの有効性を直接反映し、フォームの軽量化を評価するための重要な指標として機能します。収縮率の計算は、フォーム25 の安定性を評価するために重要です。このプロトコルでは、実験結果の精度と信頼性を確保するために、直接測定と計算に密度計が使用されます。
細胞構造をSEMを使用して特徴付け、細胞の形態、サイズ、均一性に対するさまざまな繊維の影響を顕微鏡的な観点から徹底的に...
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開示事項
著者らは開示するものは何もない。
謝辞
西南林業大学(2023KF10)の中国南西部における林業バイオマス資源の高効率利用に関する国家林業草原局の重点研究所の資金提供に感謝します。黒竜江省自然科学基金(LH2024C044)、黒竜江省一流分野の共同イノベーションプロジェクト(LJGXCG2024-F11)、黒竜江省若手エリート科学者スポンサーシッププログラム(2024QNTG006)、黒竜江省ポスドク基金(LBH-Z24041)、および2023年黒竜江省新時代資金プロジェクトにおける優れた修士論文および博士論文。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 竹繊維 | 四川緑珠植物繊維有限公司、中国 | 1000メッシュ | 実験作業に供給された原材料 |
| ブースターポンプ | 中国、東莞太陽センター・フイルドコントロール機器有限公司 | DGA15C | 圧力制御に使われる |
| 二酸化炭素 | ハルビン清華工業ガス有限公司、中国 | 純度99.9% | 発泡剤として使用 |
| カーボンファイバー | 東良工業株式会社、および日本 | 1000メッシュ | 実験作業に供給された原材料 |
| セアクター | 鄭州澤辰機器有限公司、中国 | 0.5L | 泡立て容器として使用 |
| コンパクター | 浙江開山圧縮機有限公司、中国 | XK06-010-00487 | 加圧 |
| デジタルオイルバス | ボホ・テンプテック株式会社、中国 | HH-5-12L | 加熱に使われます |
| 乾燥オーブン | 上海一衡科学機器有限公司、中国 | DGG-9070 | 原材料の乾燥に使われます |
| 電子天秤 | メトラー・トレド(常州)計量機器システム株式会社 | SPN501F | 原材料の計量に使われます |
| 平板硫化装置 | ボロン精密試験機有限公司、中国 | BL-6170-A | 複合材料の熱い圧縮成形用 |
| 高精度固体密度計 | 岳芒インテリジェント機器有限公司、中国 | JHY-120Y | 判定に使われる装置...密度 |
| 画像解析ソフトウェア 国立衛生研究所 | 国立衛生研究所 | イメージJ | フォームの形態的特徴を決定するためのソフトウェア |
| ポリ(ブチレンアディファート-コテレフタル酸塩) | 新疆ブルーリッジ屯和科学テック株式会社、中国 | TH801T | 実験作業に供給された原材料 |
| ポリテトラフルオロエチレンフィルム | 羅慧星プラスチック材料貿易会社、中国 | 0.5mm | デモルドに使われました |
| 粉砕機 | 深圳成中生電気機械技術有限公司、中国 | 380ワット、50Hz | 砕いて粒状にするために使われている |
| スキャナー | FEI Inc.、アメリカ | クアンタ220 | フォームの画像撮影に使われるスキャナー |
| ツインスクリューエクストルーダー | 南京建徳機械ポイント有限公司、中国 | SHJ-20 | 溶融混合 |
| ユニバーサル機械式試験機 | ワンス・テクノロジーズ株式会社、中国 | テストパイロット X10A | 圧縮性能の測定に用いられます |
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