Deze studie beschrijft een superkritische kooldioxideschuimmethode voor de bereiding van koolstofvezel en bamboevezelversterkt poly (butyleenadipataat-co-tereftalaat) schuim.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Deze studie beschrijft een superkritische kooldioxideschuimmethode voor de bereiding van koolstofvezel en bamboevezelversterkt poly (butyleenadipataat-co-tereftalaat) schuim.
Vezelversterkte polymeerschuimen hebben uitgebreide toepassingen gevonden op tal van gebieden. Met name poly (butyleenadipataat-co-tereftalaat) (PBAT) heeft veel aandacht gekregen op het gebied van biologisch afbreekbare materialen vanwege zijn uitzonderlijke verwerkingseigenschappen, mechanische prestaties en biocompatibiliteit. De hoge krimpsnelheid van puur PBAT-schuim beperkt echter de toepassing ervan. Van de verschillende materialen die de schuimprestaties kunnen verbeteren, vertonen koolstofvezel (CF) en bamboevezel (BF) unieke voordelen. Deze studie maakte gebruik van superkritische kooldioxide (scCO2) schuimtechnologie om PBAT/CF/BF-schuim met succes te bereiden. De resultaten tonen aan dat het synergetische effect van CF en BF de anti-krimpeigenschappen van PBAT-schuim aanzienlijk verbetert. In vergelijking met puur PBAT-schuim daalde de krimpsnelheid van PBAT/15CF/5BF-schuim van 55,63% naar 6,92%, een vermindering van 87,56%. PBAT/10CF/10BF-schuim bereikte de laagste dichtheid van 0,13 g/cm3, wat neerkomt op een afname van 31,58%. PBAT/10CF/10BF-schuim vertoonde de hoogste expansieverhouding van 9,43, een stijging van 51,36%. Compressiebestendigheidstests toonden aan dat alle PBAT/CF/BF-schuimen een gunstige compressiebestendigheid vertoonden, waarbij PBAT/15CF/5BF-schuim de hoogste druksterkte van 0,26 MPa vertoonde. Dit onderzoek biedt een effectieve oplossing voor het vervaardigen van vezelversterkte biologisch afbreekbare polyesterschuimen. Die schuimen hebben anti-krimpeigenschappen, lichtgewicht eigenschappen en uitstekende veerkracht.
Vezelversterkte polymeerschuimen worden op grote schaal toegepast op verschillende gebieden, waaronder lucht- en ruimtevaart1, transport2, bouw3 en milieubescherming4, vanwege hun hoge sterkte-gewichtsverhouding, uitstekende thermische stabiliteit en veelzijdige composability. Gedreven door wereldwijde "dual-carbon"-doelstellingen en initiatieven ter beheersing van plasticvervuiling, worden biologisch afbreekbare polymeerschuimen een onderzoekshotspot 5,6,7. PBAT, als een typisch biologisch afbreekbaar polyester op biologische basis, wordt beschouwd als een ideaal alternatief voor traditionele schuimmaterialen op basis van aardolie vanwege de uitstekende verwerkingsprestaties en milieuvriendelijkheid 8,9,10,11. De aanzienlijke krimp van pure PBAT-schuimen beperkt echter de toepassing ervan12.
Naast verschillende modificatietechnieken heeft onderzoek uitgewezen dat het gebruik van vezelversterkingstechnologie de prestaties van PBAT-schuim13 aanzienlijk kan verbeteren. CF, bekend om zijn hoge sterkte, hoge modulus en lage dichtheid, wordt vaak gebruikt om polymeren te versterken, waardoor hun mechanische eigenschappen worden verbeterd14. De opname van CF biedt niet alleen een sterkere mechanische ondersteuning voor schuimen, maar kan ook hun microstructuur wijzigen, waardoor hun algehele prestaties worden verbeterd15,16. Yimu Qiao et al.17 bereidden een sandwichstructuur voor die bestond uit PBAT/CF-schuim en continue CF-versterkte polypropyleen (PP) prepregs. Uit de studie bleek dat de schuimcellen met prepregs uniformer en dichter waren. BF daarentegen biedt unieke voordelen op het gebied van versterkingsmaterialen vanwege de uitzonderlijke biocompatibiliteit en hernieuwbaarheid18. De unieke interne microstructuur verleent het materiaal een zekere taaiheid en dempende eigenschappen19. Wei Guo et al.20 bereidde alkali-gemodificeerde BF versterkte polypropyleen BF/PP-schuimen. Het onderzoek toont aan dat de toevoeging van BF de cellulaire structuur verbetert en de mechanische eigenschappen van BF/PP-schuimen aanzienlijk verbetert. Bijgevolg wordt verwacht dat de oordeelkundige combinatie van CF en BF bij de fabricage van PBAT-schuim de voordelen van beide materialen zal maximaliseren, het aanzienlijke krimpprobleem van puur PBAT-schuim zal verminderen en het toepassingspotentieel op verschillende gebieden verder zal verbreden.
Hoewel de scCO2-schuimtechnologie de bovengenoemde vooruitgang heeft geboekt, zijn er nog steeds aanzienlijke tekortkomingen op het gebied van vezelversterkt biologisch afbreekbaar polyesterschuim. Ten eerste maakt bestaand onderzoek meestal gebruik van versterking met één vezel (zoals puur CF of puur BF), waardoor de synergetische effecten van verschillende vezels, zoals de combinatie van de stijfheidsverbetering van CF en de voordelen van interfacecontrole, niet volledig worden benut. Ten tweede blijft het vermijden van schuimdefecten veroorzaakt door verminderde smeltvloeibaarheid bij een hoog vezelgehalte een uitdaging. De innovatie van dit artikel ligt in het aanpakken van de bovenstaande problemen. Aan de ene kant construeert het een scCO2-schuimsysteem voor CF/BF dual-fiber synergetische versterking van PBAT, die de tekortkomingen van single-fiber systemen op het gebied van nucleatie-efficiëntie en interfacebinding compenseert. Tegelijkertijd verbetert de optimalisatie van de CF/BF-verhouding de mechanische eigenschappen van het schuim en zorgt het voor schuimvorming, wat een nieuw ontwerpconcept oplevert voor de hoge prestaties van biologisch afbreekbaar schuim.
ScCO2-schuimtechnologie heeft nieuwe wegen geopend voor de productie van hoogwaardige microcellulaire schuimmaterialen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de milieuvoordelen, de afstembare poriegrootte op micronschaal en de flexibele aanpasbaarheid van procesparameters21. Door scCO2-schuimvorming lost CO2 gelijkmatig op in het composietmateriaalsysteem. Bij plotselinge drukontlasting ontsnapt het koolstofdioxide snel, waardoor talrijke gelijkmatig verdeelde bellenkernen worden gevormd die vervolgens uitgroeien tot poriën22. Dit proces maakt niet alleen een nauwkeurige controle van de poriegrootte en -dichtheid mogelijk, maar verbetert ook de thermische isolatie, geluidsisolatie en dempende eigenschappen van het materiaal, terwijl de oorspronkelijke prestaties behouden blijven23.
Deze studie onderzoekt een scCO2-schuimsysteem voor PBAT-composieten versterkt met verschillende verhoudingen van CF en BF, beide met een totaal gehalte van 20 %. Om PBAT/CF/BF-schuim te bereiden, werd de CF/BF-verhouding gekozen als 3:1, 1:1 en 1:3. De schuimtemperatuur was 100 °C, de schuimdruk was 10 MPa en de schuimtijd was 60 minuten. Aanvankelijk werden schuimen geproduceerd en hun dichtheid, uitzettingsverhouding en krimpsnelheid werden gemeten om de verschillen in de fundamentele fysische eigenschappen van de schuimen met verschillende vezelverhoudingen visueel te illustreren. Vervolgens werd scanning-elektronenmicroscopie (SEM) gebruikt om de cellulaire structuur te karakteriseren, waarbij celdiameters werden gemeten om op microscopisch niveau de impact van variërende vezelverhoudingen op de celmorfologie, grootte en uniformiteit te onthullen. Ten slotte werden compressiecyclustests uitgevoerd om de compressieprestaties te beoordelen, waarbij het mechanische draagvermogen werd aangegeven dat aan de schuimen werd verleend door verschillende vezelversterkingscombinaties. De resultaten van deze studie zullen theoretische grondslagen en technische inzichten bieden voor de ontwikkeling van biogebaseerde, biologisch afbreekbare schuimmaterialen met superieure fysische eigenschappen, microstructuur en mechanische sterkte, waardoor het duurzame gebruik ervan op het gebied van verpakkingen en constructie wordt bevorderd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De reagentia en de apparatuur die in dit onderzoek zijn gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel.
1. Voorbehandeling van grondstoffen
2. Wegen en voormengen
3. Extrusie smelten
4. Compressie gieten
5. ScCO2 schuimend proces
6. Karakterisering van het schuim
OPMERKING: De dichtheid van het monster wordt direct gemeten met behulp van een densitometer. Neem pure PBAT als voorbeeld.
(1)
(2)
(3)7. SEM karakterisering
(4)
(5)8. Bepaling van drukeigenschappen
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het fysische beeld en de fysische eigenschappen van PBAT-schuimen versterkt met verschillende verhoudingen van CF en BF, bereid volgens het bovengenoemde protocol, worden weergegeven in figuur 2. Er kan worden waargenomen dat het verhogen van de verhoudingen CF en BF effectief bestand is tegen de krimp van PBAT-schuimen. Door middel van metingen werd de dichtheid van puur PBAT-schuim gevonden op 0,19 g/cm3 (Figuur 2B)...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Droogbehandeling is een cruciale stap voorafgaand aan smeltextrusie. Het primaire doel is om vocht uit het materiaal te verwijderen om hydrolyse, verdamping en grensvlakdefecten onder hoge temperaturen te voorkomen. Dit garandeert de mechanische eigenschappen, verwerkingsstabiliteit en uiterlijke kwaliteit van PBAT-composieten8. In deze studie bestond de specifieke procedure uit het plaatsen van PBAT, CF en BF in een oven gedurende 8 uur droogbehandeling bij een t...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs hebben niets te onthullen.
We danken de financiering van Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Highly-Efficient Use of Forestry Biomass Resources in Southwest China, Southwest Forestry University (2023KF10). Natural Science Foundation van de provincie Heilongjiang (LH2024C044), het gezamenlijke innovatieproject van eersteklas disciplines in de provincie Heilongjiang (LJGXCG2024-F11), het sponsorprogramma voor jonge elitewetenschappers door de provincie Heilongjiang (2024QNTG006), het Heilongjiang Postdoctoral Fund (LBH-Z24041) en 2023 uitstekende master- en doctoraatsscripties van Heilongjiang in het New Era-financieringsproject.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Bamboo fiber | Sichuan Lvzhu Plant Fiber Co.,Ltd., China | 1000 mesh | Grondstof geleverd voor het experimentele werk |
| Boosterpomp | Dongguan Suncenter Fuild Control Equipment Co.,Ltd., China | DGA15C | Gebruikt om druk te regelen |
| Koolstofdioxide | Harbin Qinghua Industrial gases Co. Ltd., China | 99,9% zuiverheid | Gebruikt als schuimmiddel |
| Koolstofvezel | Toray Industries Incorporated, Japan | 1000 mesh | Grondstof geleverd voor het experimentele werk |
| Ceactor | Zhengzhou Zechen Instrument Equipment Co., Ltd., China | 0,5 L | Gebruikt als schuimcontainer |
| Compactor | Zhejiang Kaishan Compressor Co., Ltd., China | XK06-010-00487 | onder druk |
| Digitaal oliebad | Boho Temptech Co.,Ltd., China | HH-5-12L | Gebruikt om te verwarmen |
| Droogoven | Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd., China | DGG-9070 | Gebruikt om grondstoffen te drogen |
| Elektronische balans | Mettler Toledo (Changzhou) Weighing Equipment System Co., Ltd | SPN501F | Gebruikt om grondstoffen te wegen |
| Vlak plaat zwavelisering instrument | Bolon Precision Testing Machines Co.,Ltd., China | BL-6170-A | Voor hete compressievorming van composieten |
| Hoge-precisie vaste dichtheidsmeter | Yuemang Intelligent Equipment Co., Ltd., China | JHY-120Y | Apparaat gebruikt om de dichtheid te bepalen |
| Beeldanalyse softwareNational Institutes of Health | National Institutes of Health | ImageJ | Software gebruikt voor het bepalen van de morfologische kenmerken van schuim |
| Poly(butyleen adipat-co-tereftalaat) | Xinjiang Blue Ridge Tunhe Sci.& Tech. Co.,Ltd., China | TH801T | Grondstof geleverd voor het experimentele werk |
| Polytetrafluorethyleen film | Luo Huixing Plastic Materials Trading Company, China | 0,5 mm | Gebruikt om te ontvormen |
| Pulveriseerder | Shenzhen Chengzhongsheng Electromechanical Technology Co., Ltd.,China | 380 w, 50 Hz | Gebruikt om te pletten en te granuleren |
| Scanner | FEI Inc., USA | QUANTA 220 | Scanner gebruikt voor het maken van een afbeelding van schuimen |
| Twee-schroeven extruder | Nanjing Jiente Machine Point Co. Ltd., China | SHJ-20 | Smeltmixen |
| Universele mechanische testmachine | Wance Technologies Ltd., China | TestPilot X10A | Gebruikt om de compressieprestaties te meten |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.