본 연구는 탄소섬유 및 대나무 섬유 강화 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트) 폼의 제조를 위한 초임계 이산화탄소 발포 방법을 설명합니다.
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방법 논문
본 연구는 탄소섬유 및 대나무 섬유 강화 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트) 폼의 제조를 위한 초임계 이산화탄소 발포 방법을 설명합니다.
섬유 강화 폴리머 폼은 다양한 분야에서 광범위한 응용 분야를 찾았습니다. 특히, 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT)는 뛰어난 가공 특성, 기계적 성능 및 생체 적합성으로 인해 생분해성 재료 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 그러나 순수 PBAT 폼의 높은 수축률로 인해 적용이 제한됩니다. 발포 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 소재 중에서 탄소섬유(CF)와 대나무섬유(BF)는 독특한 장점을 보여줍니다. 이 연구는 PBAT/CF/BF 폼을 성공적으로 제조하기 위해 초임계 이산화탄소(scCO2) 발포 기술을 사용했습니다. 결과는 CF와 BF의 시너지 효과가 PBAT 폼의 수축 방지 특성을 크게 향상시키는 것을 보여줍니다. 순수 PBAT 폼에 비해 PBAT/15CF/5BF 폼의 수축률은 55.63%에서 6.92%로 87.56% 감소했습니다. PBAT/10CF/10BF 폼은 0.13g/cm3의 최저 밀도를 달성하여 31.58% 감소했습니다. PBAT/10CF/10BF 폼은 9.43%의 가장 높은 팽창률을 보였으며 이는 51.36% 증가했습니다. 압축 탄력성 테스트 결과 모든 PBAT/CF/BF 폼이 양호한 압축 탄력성을 나타냈으며 PBAT/15CF/5BF 폼은 0.26MPa의 가장 높은 압축 강도를 보여주었습니다. 이 연구는 섬유 강화 생분해성 폴리에스테르 폼 제작을 위한 효과적인 솔루션을 제공합니다. 이러한 폼은 수축 방지 특성, 경량 특성 및 우수한 탄력성을 가지고 있습니다.
섬유 강화 폴리머 폼은 높은 중량 대비 강도 비율, 우수한 열 안정성 및 다양한 구성 가능성으로 인해 항공우주1, 운송2, 건설3, 환경 보호4 등 다양한 분야에 널리 적용되었습니다. 글로벌 "이중 탄소" 목표와 플라스틱 오염 통제 이니셔티브에 힘입어 생분해성 폴리머 폼은 연구 핫스팟이 되고 있습니다 5,6,7. PBAT는 전형적인 바이오 기반 생분해성 폴리에스터로서 뛰어난 가공 성능과 환경 친화성으로 인해 기존 석유 기반 발포 소재에 대한 이상적인 대안으로 간주됩니다 8,9,10,11. 그러나 순수 PBAT 폼이 나타내는 상당한 수축으로 인해 적용이 제한됩니다12.
다양한 개질 기술 중에서 연구에 따르면 섬유 강화 기술을 사용하면 PBAT 폼13의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 고강도, 고탄성률, 저밀도로 유명한 CF는 폴리머를 강화하여 기계적 특성을 향상시키는 데 자주 활용됩니다14. CF를 포함하면 폼에 대한 더 강력한 기계적 지지를 제공할 뿐만 아니라 미세 구조를 수정하여 전반적인 성능을 향상시킬 수 있습니다15,16. Yimu Qiao et al.17은 PBAT/CF 폼과 연속 CF 강화 폴리프로필렌(PP) 프리프레그로 구성된 샌드위치 구조를 준비했습니다. 이 연구는 프리프레그가 있는 폼 셀이 더 균일하고 밀도가 높다는 것을 발견했습니다. 대조적으로, BF는 탁월한 생체 적합성과 재생성으로 인해 보강재에서 고유한 이점을 제공합니다18. 독특한 내부 미세 구조는 재료에 특정 인성과 완충 특성을 부여합니다19. Wei Guo et al.20은 알칼리 변성 BF 강화 폴리프로필렌 BF/PP 폼을 제조했습니다. 연구에 따르면 BF를 첨가하면 세포 구조가 개선되고 BF/PP 폼의 기계적 특성이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 결과적으로, PBAT 폼 제조에서 CF와 BF의 현명한 조합은 두 재료의 이점을 극대화하고 순수 PBAT 폼의 심각한 수축 문제를 완화하며 다양한 분야에 걸쳐 응용 잠재력을 더욱 넓힐 것으로 예상됩니다.
scCO2 발포 기술이 앞서 언급한 진전을 이루었지만 섬유 강화 생분해성 폴리에스테르 폼 분야에는 여전히 상당한 단점이 있습니다. 첫째, 기존 연구는 대부분 단일 섬유 보강재(예: 순수 CF 또는 순수 BF)를 사용하여 CF의 강성 향상과 BF의 인터페이스 제어 이점의 결합과 같은 다양한 섬유의 시너지 효과를 충분히 활용하지 못했습니다. 둘째, 섬유 함량이 높을 때 용융 유동성 감소로 인한 발포 결함을 방지하는 것은 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 이 논문의 혁신은 위의 문제를 해결하는 데 있습니다. 한편으로는 PBAT의 CF/BF 이중 섬유 시너지 강화를 위한 scCO2 발포 시스템을 구축하여 핵 형성 효율 및 계면 결합에서 단일 섬유 시스템의 단점을 보완합니다. 동시에 CF/BF 비율을 최적화하면 발포를 보장하면서 폼의 기계적 특성을 개선하여 생분해성 폼의 고성능을 위한 새로운 설계 개념을 제공합니다.
ScCO2 발포 기술은 환경적 이점, 조정 가능한 미크론 규모의 기공 크기 및 유연한 공정 매개변수 조정 가능성을 활용하여 고성능 마이크로셀룰러 폼 재료를 생산할 수 있는 새로운 길을 열었습니다21. scCO2 발포를 통해 CO2 는 복합 재료 시스템 내에서 균일하게 용해됩니다. 갑작스러운 압력 해제 시 이산화탄소는 빠르게 빠져나가 균일하게 분포된 수많은 기포 핵을 형성하고 이후 기공으로 성장합니다22. 이 공정을 통해 기공 크기와 밀도를 정밀하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 원래의 성능을 유지하면서 재료의 단열, 방음 및 쿠셔닝 특성을 향상시킬 수 있습니다23.
이 연구는 총 함량이 20%인 CF와 BF의 다양한 비율로 강화된 PBAT 복합재용 scCO2 발포 시스템을 조사합니다. PBAT/CF/BF 폼을 제조하기 위해 CF/BF 비율을 3:1, 1:1 및 1:3으로 선택했습니다. 발포 온도는 100°C, 발포 압력은 10MPa, 발포 시간은 60분이었습니다. 초기에 폼을 생산하고 밀도, 팽창률 및 수축률을 측정하여 섬유 비율이 다른 폼의 기본 물리적 특성의 차이를 시각적으로 설명했습니다. 그 후, 주사 전자 현미경(SEM)을 활용하여 세포 구조를 특성화했으며, 세포 직경을 측정하여 다양한 섬유 비율이 세포 형태, 크기 및 균일성에 미치는 영향을 현미경 수준에서 밝혔습니다. 마지막으로, 압축 성능을 평가하기 위해 압축 사이클 테스트를 수행했으며, 이는 다양한 섬유 보강 조합에 의해 폼에 부여된 기계적 하중 지지력을 나타냅니다. 본 연구의 결과는 우수한 물리적 특성, 미세 구조 및 기계적 강도를 갖춘 바이오 기반 생분해성 폼 소재 개발을 위한 이론적 기반과 기술적 통찰력을 제공하여 포장 및 건축과 같은 분야에서 지속 가능한 사용을 촉진할 것입니다.
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본 연구에 사용된 시약과 장비는 재료표에 나와 있습니다.
1. 원료 전처리
2. 계량 및 사전 혼합
3. 용융 압출
4. 압축 성형
5. ScCO2 발포 공정
6. 거품 특성화
알림: 시편의 밀도는 밀도계를 사용하여 직접 측정됩니다. 순수 PBAT를 예로 들어 보겠습니다.
(1)
(2)
(3)7. SEM 특성화
(4)
(5)8. 압축 특성의 결정
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앞서 언급한 프로토콜에 따라 제조된 CF 및 BF의 다양한 비율로 강화된 PBAT 폼의 물리적 이미지 및 물리적 특성은 그림 2에 나와 있습니다. CF와 BF의 비율을 높이면 PBAT 폼의 수축에 효과적으로 저항하는 것을 관찰할 수 있습니다. 측정을 통해 순수 PBAT 폼의 밀도는 0.19g/cm3 (그림 2B), 발포율은 6.23(그림 2C), 안정화된 수축률은 55.63%(그림 2D)인 것으로 나타났습니다. CF와 BF의 다른 비율을 통합한 후 발포 밀도는 일반적으로 감소한 반면 발포 비율은 그에 따라 증가했습니다. 특히 PBAT/15CF/5BF 폼은 6.92%로 가장 낮은 수축률을 보였다. 순수 PBAT에 비해 PBAT/10CF/10...
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건조 처리는 용융 압출 이전의 중요한 단계입니다. 주요 목적은 고온 조건에서 가수분해, 기화 및 계면 결함을 방지하기 위해 재료에서 수분을 제거하는 것입니다. 이는 PBAT 복합재의 기계적 특성, 가공 안정성 및 외관 품질을 보장합니다8. 본 연구에서 구체적인 절차는 PBAT, CF 및 BF를 오븐에 넣어 80°C의 온도에서 8시간 동안 건조 처리하는 것을 포함했습니다.
폼의 밀도와 팽창비를 측정함으로써 발포 공정의 효과를 직접적으로 반영하고 폼 경량화를 평가하는 핵심 지표 역할을 합니다. 수축률의 계산은 폼25의 안정성을 평가하는 데 중요합니다. 이 프로토콜에서 밀도계는 실험 결과의 정확성과 신뢰성을 보장하기 위해 직접 측정 및 계산에 사용됩니다.
세포 구조는 SEM을 사용하여 세포 ...
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저자는 공개할 것이 없습니다.
중국 남서부 산림바이오매스 자원의 고효율 활용에 관한 국가산림초원청 핵심연구소, 서남임업대학교(2023KF10)의 자금 지원에 감사드립니다. 헤이룽장성 자연과학재단(LH2024C044), 헤이룽장성 일류 학문 협력혁신 프로젝트(LJGXCG2024-F11), 헤이룽장성 젊은 엘리트 과학자 후원 프로그램(2024QNTG006), 헤이룽장성 박사후 기금(LBH-Z24041), 2023년 헤이룽장성 신시대 기금 프로젝트 우수 석사 및 박사 학위 논문.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 대나무 섬유 | 쓰촨 루주(Sichuan Lvzhu Plant Fiber) 유한회사, 중국 | 1000 메시 | 실험 작업에 공급된 원자재 |
| 부스터 펌프 | 동관선센터 제어 장비 유한회사, 중국 | DGA15C | 압력 조절에 사용됨 |
| 이산화탄소 | 하얼빈칭화 산업가스 유한회사, 중국 | 99.9% 순도 | 발포제로 사용됨 |
| 탄소 섬유 &; | 토레이 인더스트리 주식회사, nbsp; 일본 | 1000 메시 | 실험 작업에 공급된 원자재 |
| 세액터 | 정저우 제첸 기기 유한회사, 중국 | 0.5 L | 발품 용기로 사용 |
| 컴팩터 | 저장성 개산 압축기 유한회사, 중국 | XK06-010-00487 | 가압 |
| 디지털 오일 배스 | 보하미 템프텍 주식회사, 중국 | HH-5-12L | 난방에 사용됨 |
| 건조 오븐 | 상하이 이헝 과학기기 유한회사, 중국 | DGG-9070 | 원자재 건조에 사용됩니다 |
| 전자 저울 | 메틀러 톨레도(창저우) 무게 장비 시스템 주식회사 | SPN501F | 원자재 무게를 재는 데 사용됨 |
| 평판 황화 기기 | 볼론 정밀 시험기 주식회사, 중국 | BL-6170-A | 복합재료의 뜨거운 압축 성형을 위한 |
| 고정밀 고체 밀도계 | 위망 인텔리전트 이그먼트 유한회사, 중국 | JHY-120Y | 측정에 사용된 장치는... 밀도 |
| 이미지 분석 소프트웨어 국립보건원 | 국립보건원(NIH) | 이미지J | 폼의 형태학적 특성을 결정하는 데 사용되는 소프트웨어 |
| 폴리(부틸렌 아디페이트-코테레프탈레이트) | 신장 블루리지 툰허 과학 및 테크. 유한회사, 중국 | TH801T | 실험 작업에 공급된 원자재 |
| 폴리테트라플루오로에틸렌 필름 | 루오후이싱 플라스틱 소재 무역회사, 중국 | 0.5 mm | 데몰링에 사용됨 |
| 분쇄기 | 선전 청중성 전기기계기술유한회사, 중국 | 380와, 50Hz | 으깨고 과립시키는 데 익숙해져 |
| 스캐너 | FEI Inc., 미국 | 퀀타 220 | 폼 이미지 촬영에 사용되는 스캐너 |
| 쌍나사 압출기 | 난징 지엔테 머신포인트 유한회사, 중국 | SHJ-20 | 용융 혼합 |
| 범용 기계 시험 기계 | Wance Technologies Ltd., 중국 | 테스트파일럿 X10A | 압축 성능을 측정하는 데 사용됩니다 |
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