Name: Produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 47 s
Description: Poznaj metodę produkcji wytrzymałych pform z włókien naturalnych z wykorzystaniem celulozy bakteryjnej jako spoiwa. Technika ta umożliwia tworzenie ekologicznych kompozytów hierarchicznych o wysokiej wytrzymałości mechanicznej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować Uniwersytetowi Wiedeńskiemu za wsparcie KYL oraz Brytyjskiej Radzie ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych (EPSRC) za Fundusz Kontynuacyjny na finansowanie SRS i pracy (EP/J013390/1).

1. Przygotowanie bakteryjnej zawiesiny z włókien celulozowo-sizalowych
<ol>
	<li>Określić masę mokrego do suchego BC, mierząc mokrą masę BC, a następnie suszyć próżniowo mokry BC w temperaturze 80 °C przez noc (O/N). Po wysuszeniu zmierzyć suchą masę BC.</li>
	<li>Zmierzyć ilość mokrej błonki BC odpowiadającą 18 g suchej BC z wcześniej ustalonej masy BC na mokro.</li>
	<li>Pokrój mokre błonki BC na małe kawałki o długości ~1-2 cm za pomocą ostrych nożyczek. Po ścięciu namocz błonki BC w 1 litrze wody, aby umożliwić nawodnienie przeciętych błonek.</li>
	<li>Pokrojoną błonkę BC należy wprowadzić do blendera i dodać do niego odpowiednią ilość wody, aby proces miksowania przebiegł bezproblemowo.</li>
	<li>Miksuj te błonki BC przez 2 minuty.</li>
	<li>Wlać zmiksowany BC do 15-litrowego pojemnika i dodawać wodę, aż całkowita objętość wody wyniesie 14 l, co daje stężenie BC w wodzie wynoszące 0,1 (g/ml)% (procent masy celulozy bakteryjnej na jednostkę objętości wody). Błonki BC mogą wymagać podawania partiami do blendera w celu zmiksowania.</li>
	<li>Pokrój 72 g luźnych włókien sizalowych (lub dowolnego źródła krótkich włókien naturalnych) na włókna o długości 1-2 cm i dodaj je do zawiesiny BC. Delikatnie wymieszać zawiesinę, aby zapewnić jednorodną dyspersję włókien sizalu w zawiesinie BC.</li>
	<li>Namocz włókna sizalu w tej zawiesinie O / N.</li>
</ol>
2. Produkcja preform z włókien sizalowych
<ol>
	<li>Otwórz formę arkusza i zamknij zawór spustowy.</li>
	<li>Napełnij system wodą DI, aż poziom wody dotrze do drutu nośnego.</li>
	<li>Umieść metalowy drut formujący o siatce 100 na drucie nośnym, wyśrodkowany w podstawie formy do blachy.</li>
	<li>Zamknij i zatrzaśnij formę do arkusza. Dodaj więcej świeżej wody, aż drut formujący zostanie zanurzony w wodzie.</li>
	<li>Wlej przygotowaną zawiesinę z włókna sizalowego-BC do formy arkusza. Delikatnie mieszając zawiesinę, aby upewnić się, że włókna sizalu są równomiernie rozprowadzone w całej formie.</li>
	<li>Otwórz zawór spustowy, aby spuścić wodę, co spowoduje powstanie mokrego placka filtracyjnego z włókien sizalowych i BC na drucie formującym. Natychmiast po spuszczeniu wody otwórz formę do blachy i usuń drut formujący.</li>
	<li>Umieść drut formujący na kawałku bibuły. Dodatkowe bibuły umieszcza się na wierzchu placka filtracyjnego, a następnie metalową płytkę.</li>
	<li>Odwróć placek filtracyjny. Trzymając drut formujący skierowany teraz do góry, usuń drut formujący i umieść dodatkową bibułę bezpośrednio na placku filtracyjnym, a następnie na metalowej płytce.</li>
	<li>Umieść ciężarek o wadze 10 kg na metalowej płycie, aby wypchnąć wodę. Gdy bibuła jest całkowicie nasączona, zastąp bibułę świeżą bibułą i ponownie dociśnij placek filtracyjny za pomocą ciężarka 10 kg.</li>
	<li>Wymień bibułę po raz ostatni i wykonaj końcowe prasowanie 1 tony w gorącej prasie, aby skonsolidować preformę włókna.</li>
	<li>Podgrzej gorącą prasę do 120 °C, aby wspomóc odparowanie resztek wody. Powinno to zająć około 4 godzin. Zmniejsz temperaturę gorącej prasy do temperatury pokojowej (RT) i poczekaj, aż preforma ostygnie przed wyjęciem z gorącej prasy.</li>
</ol>
3. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) preformy włókna sizalowego BC
<ol>
	<li>Wytnij 2 × 2 cm2 preformy z włókna sizalowego BC.</li>
	<li>Przyklej tę wyciętą preformę do króćca SEM za pomocą zakładek węglowych.</li>
	<li>Pokryć próbkę w powlekarce Cr pracującej pod ciśnieniem 75 mA przez 1 minutę.</li>
	<li>Obraz preformy włókien sizalowych BC-sizal z pistoletem do emisji polowej SEM w trybie w soczewce przy użyciu energii wiązki 5 kV. 
	Uwaga: Nie próbuj obrazować preformy z włókna sizalowego bez przyklejenia preformy do króćca SEM za pomocą kleju przewodzącego. Luźne włókna zostaną odessane podczas opróżniania komory SEM i uszkodzą działo elektronowe.</li>
</ol>
4. Produkcja kompozytów z wykorzystaniem infuzji żywicy wspomaganej próżniowo (VARI)
<ol>
	<li>Umieść preformę na wierzchu strony oprzyrządowania, która składa się z nieporowatej tkaniny antyadhezyjnej ze szkła pokrytego PTFE.</li>
	<li>Przykryj preformę porowatą tkaniną antyadhezyjną ze szkła pokrytego PTFE, znaną również jako warstwa peel, a następnie porowatym medium przepływowym. Zarówno warstwa peeling, jak i medium przepływowe powinny być większe niż preforma (patrz rysunek 2, aby zapoznać się ze schematem procesu).</li>
	<li>Umieść rurki omega na zamierzonym wlocie i wylocie żywicy zestawu VARI. Upewnij się, że probówki omega są umieszczone na porowatym podłożu przepływowym, aby umożliwić rozprowadzenie żywicy w zestawie VARI podczas infuzji. Długość rurek omega powinna być tak szeroka, jak medium przepływowe.</li>
	<li>Umieść taśmy wrażliwe na nacisk na obrzeżach zestawu.
	<ol>
		<li>Upewnij się, że papierowy podkład taśm wrażliwych na nacisk jest w tym momencie nadal pozostawiony na taśmach.</li>
		<li>Włóż rurki doprowadzające i odprowadzające żywicę do otworów rurek omega i przykryj zestaw folią workową na bazie polimeru fluoroetylenu i uszczelnij ją za pomocą taśm samoprzylepnych.</li>
		<li>Uszczelnij rurkę doprowadzającą żywicę. Umieść drugi koniec rurki wylotowej żywicy na wierzchu ściereczki odpowietrzającej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieść metalową płytkę na wewnętrznej torbie, w której znajduje się preforma włókna, a następnie kawałek tkaniny do oddychania. Metalowa płytka powinna być wielkości preformy.</li>
	<li>Zidentyfikuj pozycję, w której powinien znajdować się zawór próżniowy z workiem przelotowym i umieść dolną część zaworu na wierzchu tkaniny odpowietrzającej.</li>
	<li>Umieść taśmę uszczelniającą próżniową wokół worka wewnętrznego, a na niej umieść folię do pakowania próżniowego i zamknij. Nadmiar folii do pakowania próżniowego utworzy fałdy.</li>
	<li>Umieść taśmę uszczelniającą wewnątrz plisy, aby zakończyć uszczelnienie.</li>
	<li>Wytnij mały "x" na folii do pakowania próżniowego, w miejscu, w którym znajduje się dolna część zaworu, i wkręć górną część, aby zakończyć zawór próżniowy z workiem przelotowym. Ważne jest, aby unikać marszczenia się folii do pakowania próżniowego pod górną częścią, ponieważ może to spowodować nieszczelną ścieżkę.</li>
	<li>Podłącz szybkozłączkę i pociągnij podciśnienie. Podczas tego procesu folię do pakowania próżniowego można przesuwać i umieszczać tam, gdzie potrzebny jest nadmiar. Sprawdź, czy nie ma wycieków próżni.</li>
	<li>Przygotuj żywicę, mieszając żywicę epoksydową i utwardzacz w stosunku wagowym 100 do 19. Odgazuj żywicę pod zmniejszonym ciśnieniem, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza uwięzione podczas mieszania żywicy epoksydowej i utwardzacza.</li>
	<li>Po ustaleniu, że konfiguracja VARI jest szczelna, poprowadź żywicę przez rurkę podłączoną do rurki omega.</li>
	<li>Upewnij się, że żywica jest podawana powoli, tak aby miała czas na nasiąknięcie do preformy włókna. Pozwól żywicy wypłynąć z rurki wylotowej żywicy i zanurz się w ściereczce odpowietrzającej, aż nie będzie można zaobserwować pęcherzyków powietrza wydobywających się z rurki wylotowej.</li>
	<li>Uszczelnij rurkę wylotową i pozwól żywicy utwardzić się przez 24 godziny w temperaturze pokojowej, a następnie wykonaj etap utwardzania w temperaturze 50 °C przez 16 godzin 
	Uwaga: (1) Cykl utwardzania jest zależny od żywicy. (2) Bardzo ważne jest, aby maksymalne podciśnienie zostało osiągnięte w konfiguracji VARI i nie było wycieku podciśnienia w konfiguracji. Zła konfiguracja VARI (nieosiągnięcie maksymalnej próżni lub nieszczelności) spowoduje powstanie porów w produkowanych kompozytach i znacznie zmniejszoną frakcję objętościową włókien w kompozytach. (3) Stosunek żywicy epoksydowej do utwardzacza jest zależny od żywicy. Przed zmieszaniem należy zapoznać się z kartą katalogową żywicy pod kątem stosunku żywicy epoksydowej do utwardzacza.</li>
</ol>

<ol><li>Blaker, J. J., Lee, K. Y., Bismarck, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+composites+made+entirely+from+renewable+resources%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biobased+Mater.+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Hierarchical composites made entirely from renewable resources.</a> J. Biobased Mater. Bioenergy. 5, 1-16 (2011).</li>
<li>Shurteff, W., Aoyagi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Henry+Ford+and+his+researchers+-+History+of+their+work+with+soybeans%2C+soyfoods+and+chemurgy+%281928-2011%29%3A+Extensively+annotated+bibliography+and+sourcebook%5BTitle%5D)+AND+%22Soyinfo%22%5BJournal%5D)">Henry Ford and his researchers - History of their work with soybeans, soyfoods and chemurgy (1928-2011): Extensively annotated bibliography and sourcebook.</a> Soyinfo. (1928-2011), Soyinfo Center. (2011).</li>
<li>Bismarck, A., Mishra, S., Lampke, T. Ch. 2, Plant Fibers as Reinforcement for Green Composites. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBismarck%2C+A+%22Natural+Fibers%2C+Biopolymers+and+Biocomposites%22">Natural Fibers, Biopolymers and Biocomposites</a>. Mohanty, A. K., Misra, M., Drzal, L. T. , CRC Press. 37-108 (2005).</li>
<li>Bismarck, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+Progress+in+Natural+Fibre+Composites%3A+Selected+Papers+from+the+3rd+International+Conference+on+Innovative+Natural+Fibre+Composites+for+Industrial+Applications%2C+Ecocomp+2011+and+BEPS+2011%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biobased+Mater.+Bioenergy%22%5BJournal%5D)">Recent Progress in Natural Fibre Composites: Selected Papers from the 3rd International Conference on Innovative Natural Fibre Composites for Industrial Applications, Ecocomp 2011 and BEPS 2011.</a> J. Biobased Mater. Bioenergy. 6, 343-345 (2012).</li>
<li>Pommet, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+modification+of+natural+fibers+using+bacteria%3A+Depositing+bacterial+cellulose+onto+natural+fibers+to+create+hierarchical+fiber+reinforced+nanocomposites%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Surface modification of natural fibers using bacteria: Depositing bacterial cellulose onto natural fibers to create hierarchical fiber reinforced nanocomposites.</a> Biomacromolecules. 9, 1643-1651 (2008).</li>
<li>Lee, K. -Y., Delille, A., Bismarck, A. Ch. 6, Greener Surface Treatments of Natural Fibres for the Production of Renewable Composite Materials. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLee%2C+K-Y+%22Cellulose+Fibers%3A+Bio-+and+Nano-Polymer+Composites%22">Cellulose Fibers: Bio- and Nano-Polymer Composites</a>. Kalia, S., Kaith, B. S., Kaur, I. , Springer-Verlag. 155-178 (2011).</li>
<li>Kalia, S., Kaith, B. S., Kaur, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pretreatments+of+Natural+Fibers+and+their+Application+as+Reinforcing+Material+in+Polymer+Composites-A+Review%5BTitle%5D)+AND+%22Polym.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">Pretreatments of Natural Fibers and their Application as Reinforcing Material in Polymer Composites-A Review.</a> Polym. Eng. Sci. 49, 1253-1272 (2009).</li>
<li>Bledzki, A. K., Gassan, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Composites+reinforced+with+cellulose+based+fibres%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Polym.+Sci%22%5BJournal%5D)">Composites reinforced with cellulose based fibres.</a> Prog. Polym. Sci. 24, 221-274 (1999).</li>
<li>Gousse, C., Chanzy, H., Cerrada, M. L., Fleury, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+silylation+of+cellulose+microfibrils%3A+preparation+and+rheological+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Surface silylation of cellulose microfibrils: preparation and rheological properties.</a> Polymer. 45, 1569-1575 (2004).</li>
<li>Siro, I., Plackett, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microfibrillated+cellulose+and+new+nanocomposite+materials%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review.</a> Cellulose. 17, 459-494 (2010).</li>
<li>Joseph, K., Thomas, S., Pavithran, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+chemical+treatment+on+the+tensile+properties+of+short+sisal+fibre-reinforced+polyethylene+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Effect of chemical treatment on the tensile properties of short sisal fibre-reinforced polyethylene composites.</a> Polymer. 37, 5139-5149 (1996).</li>
<li>Siqueira, G., Bras, J., Dufresne, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+Process+of+Chemical+Grafting+of+Cellulose+Nanoparticles+with+a+Long+Chain+Isocyanate%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">New Process of Chemical Grafting of Cellulose Nanoparticles with a Long Chain Isocyanate.</a> Langmuir. 26, 402-411 (2010).</li>
<li>Arbelaiz, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+short+flax+fibre+bundle%2Fpolypropylene+composites%3A+Influence+of+matrix%2Ffibre+modification%2C+fibre+content%2C+water+uptake+and+recycling%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of short flax fibre bundle/polypropylene composites: Influence of matrix/fibre modification, fibre content, water uptake and recycling.</a> Composites Science and Technology. 65, 1582-1592 (2005).</li>
<li>Gassan, J., Bledzki, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+fiber-surface+treatment+on+the+mechanical+properties+of+jute-polypropylene+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Compos.+Pt.+A-Appl.+Sci.+Manuf%22%5BJournal%5D)">The influence of fiber-surface treatment on the mechanical properties of jute-polypropylene composites.</a> Compos. Pt. A-Appl. Sci. Manuf. 28, 1001-1005 (1997).</li>
<li>Gauthier, R., Joly, C., Coupas, A. C., Gauthier, H., Escoubes, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interfaces+in+polyolefin%2Fcellulosic+fiber+composites%3A+Chemical+coupling%2C+morphology%2C+correlation+with+adhesion+and+aging+in+moisture%5BTitle%5D)+AND+%22Polym.+Compos%22%5BJournal%5D)">Interfaces in polyolefin/cellulosic fiber composites: Chemical coupling, morphology, correlation with adhesion and aging in moisture.</a> Polym. Compos. 19, 287-300 (1998).</li>
<li>George, J., Sreekala, M. S., Thomas, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+interface+modification+and+characterization+of+natural+fiber+reinforced+plastic+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Polym.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">A review on interface modification and characterization of natural fiber reinforced plastic composites.</a> Polym. Eng. Sci. 41, 1471-1485 (2001).</li>
<li>Hornsby, P. R., Hinrichsen, E., Tarverdi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+properties+of+polypropylene+composites+reinforced+with+wheat+and+flax+straw+fibres.+2.+Analysis+of+composite+microstructure+and+mechanical+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Preparation and properties of polypropylene composites reinforced with wheat and flax straw fibres. 2. Analysis of composite microstructure and mechanical properties.</a> Journal of Materials Science. 32, 1009-1015 (1997).</li>
<li>Joseph, P. V., Joseph, K., Thomas, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Short+sisal+fiber+reinforced+polypropylene+composites%3A+the+role+of+interface+modification+on+ultimate+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Compos.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Short sisal fiber reinforced polypropylene composites: the role of interface modification on ultimate properties.</a> Compos. Interfaces. 9, 171-205 (2002).</li>
<li>Thomason, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Why+are+natural+fibres+failing+to+deliver+on+composite+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Conference+Proceedings+of+the+17th+International+Conference+of+Composite+Materials%22%5BJournal%5D)">Why are natural fibres failing to deliver on composite performance.</a> Conference Proceedings of the 17th International Conference of Composite Materials. , Edinburgh, United Kingdom. (2009).</li>
<li>Thomason, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dependence+of+Interfacial+Strength+on+the+Anisotropic+Fiber+Properties+of+Jute+Reinforced+Composites%5BTitle%5D)+AND+%22Polym.+Compos%22%5BJournal%5D)">Dependence of Interfacial Strength on the Anisotropic Fiber Properties of Jute Reinforced Composites.</a> Polym. Compos. 31, 1525-1534 (2010).</li>
<li>Wielage, B., Lampke, T., Marx, G., Nestler, K., Starke, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermogravimetric+and+differential+scanning+calorimetric+analysis+of+natural+fibres+and+polypropylene%5BTitle%5D)+AND+%22Thermochim.+Acta%22%5BJournal%5D)">Thermogravimetric and differential scanning calorimetric analysis of natural fibres and polypropylene.</a> Thermochim. Acta. 337, 169-177 (1999).</li>
<li>Brown, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+chemical+action+of+pure+cultivations+of+bacterium+aceti%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Chemical+Society%2C+Transations%22%5BJournal%5D)">The chemical action of pure cultivations of bacterium aceti.</a> Journal of the Chemical Society, Transations. 49, 172-187 (1886).</li>
<li>Lee, K. -Y., Buldum, G., Mantalaris, A., Bismarck, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((More+Than+Meets+the+Eye+in+Bacterial+Cellulose+Biosynthesis%2C+Bioprocessing%2C+and+Applications+in+Advanced+Fiber+Composites%5BTitle%5D)+AND+%22Macromol.+Biosci%22%5BJournal%5D)">More Than Meets the Eye in Bacterial Cellulose Biosynthesis, Bioprocessing, and Applications in Advanced Fiber Composites.</a> Macromol. Biosci. 14, 10-32 (2014).</li>
<li>Eichhorn, S. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review%3A+current+international+research+into+cellulose+nanofibres+and+nanocomposites%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites.</a> Journal of Materials Science. 45, 1-33 (2010).</li>
<li>Eichhorn, S. J., Davies, G. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+the+crystalline+deformation+of+native+and+regenerated+cellulose%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">Modelling the crystalline deformation of native and regenerated cellulose.</a> Cellulose. 13, 291-307 (2006).</li>
<li>Matsuo, M., Sawatari, C., Iwai, Y., Ozaki, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Orientation+Distribution+and+Crystallinity+on+the+Measurement+by+X-Ray-Diffraction+of+the+Crystal-Lattice+Moduli+of+Cellulose-I+and+Cellulose-II%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Effect of Orientation Distribution and Crystallinity on the Measurement by X-Ray-Diffraction of the Crystal-Lattice Moduli of Cellulose-I and Cellulose-II.</a> Macromolecules. 23, 3266-3275 (1990).</li>
<li>Hsieh, Y. C., Yano, H., Nogi, M., Eichhorn, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+estimation+of+the+Young%27s+modulus+of+bacterial+cellulose+filaments%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">An estimation of the Young's modulus of bacterial cellulose filaments.</a> Cellulose. 15, 507-513 (2008).</li>
<li>Lee, K. -Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+only+modification+of+bacterial+cellulose+nanofibres+with+organic+acids%5BTitle%5D)+AND+%22Cellulose%22%5BJournal%5D)">Surface only modification of bacterial cellulose nanofibres with organic acids.</a> Cellulose. 18, 595-605 (2011).</li>
<li>Juntaro, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creating+hierarchical+structures+in+renewable+composites+by+attaching+bacterial+cellulose+onto+sisal+fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Creating hierarchical structures in renewable composites by attaching bacterial cellulose onto sisal fibers.</a> Adv. Mater. 20, 3122-3126 (2008).</li>
<li>Juntaro, J., Pommet, M., Mantalaris, A., Shaffer, M., Bismarck, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanocellulose+enhanced+interfaces+in+truly+green+unidirectional+fibre+reinforced+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Compos.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Nanocellulose enhanced interfaces in truly green unidirectional fibre reinforced composites.</a> Compos. Interfaces. 14, 753-762 (2007).</li>
<li>Lee, K. -Y., Bharadia, P., Blaker, J. J., Bismarck, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Short+sisal+fibre+reinforced+bacterial+cellulose+polylactide+nanocomposites+using+hairy+sisal+fibres+as+reinforcement%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Part+A-Applied+Sciencce+and+Manufacturing%22%5BJournal%5D)">Short sisal fibre reinforced bacterial cellulose polylactide nanocomposites using hairy sisal fibres as reinforcement.</a> Composites Part A-Applied Sciencce and Manufacturing. 43, 2065-2074 (2012).</li>
<li>Lee, K. -Y., Ho, K. K. C., Schlufter, K., Bismarck, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hierarchical+composites+reinforced+with+robust+short+sisal+fibre+preforms+utilising+bacterial+cellulose+as+binder%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Hierarchical composites reinforced with robust short sisal fibre preforms utilising bacterial cellulose as binder.</a> Composites Science and Technology. 72, 1479-1486 (2012).</li>
<li>Cincik, E., Koc, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+analysis+on+air+permeability+of+polyester%2Fviscose+blended+needle-punched+nonwovens%5BTitle%5D)+AND+%22Textile+Research+Journal%22%5BJournal%5D)">An analysis on air permeability of polyester/viscose blended needle-punched nonwovens.</a> Textile Research Journal. 82, 430-442 (2012).</li>
<li>Zhang, L., Miao, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Commingled+natural+fibre%2Fpolypropylene+wrap+spun+yarns+for+structured+thermoplastic+composites%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Commingled natural fibre/polypropylene wrap spun yarns for structured thermoplastic composites.</a> Composites Science and Technology. 70, 130-135 (2010).</li>
<li>Garkhail, S. K., Heijenrath, R. W. H., Peijs, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+natural-fibre-mat-reinforced+thermoplastics+based+on+flax+fibres+and+polypropylene%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Composite+Materials%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of natural-fibre-mat-reinforced thermoplastics based on flax fibres and polypropylene.</a> Applied Composite Materials. 7, 351-372 (2000).</li>
<li>Saito, T., Kuramae, R., Wohlert, J., Berglund, L. A., Isogai, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+Ultrastrong+Nanofibrillar+Biomaterial%3A+The+Strength+of+Single+Cellulose+Nanofibrils+Revealed+via+Sonication-Induced+Fragmentation%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">An Ultrastrong Nanofibrillar Biomaterial: The Strength of Single Cellulose Nanofibrils Revealed via Sonication-Induced Fragmentation.</a> Biomacromolecules. 14, 248-253 (2013).</li>
<li>Impregnating a fibrous reinforcing substrate with a resin, by using a vacuum and differential pressure in a dual chambered system. US patent. , US7413694-B2; US2012231107-A1; US2008220112-A1; US8356989-B2 (2001).</li>
<li>Vacuum assisted moulding of fibre reinforced plastic structures|in which even distribution of resin is ensured by removable medium having upwardly facing openings and connecting lateral passages. US patent. , US4902215-A (1989).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wykazaliśmy w tym eksperymencie, że luźne włókna sizalowe można wiązać z BC. Jednak wybór włókien nie ogranicza się tylko do włókien sizalowych. Można również stosować inne rodzaje włókien, takie jak len i konopie. Oprócz tego wykazaliśmy również, że mączka drzewna, papier z recyklingu i rozpuszczająca się masa celulozowa mogą być również wiązane w sztywne i wytrzymałe preformy za pomocą spoiwa BC (wyniki nie zostały jeszcze opublikowane). Kryterium jest to, że użyte włókna powinny być hydrofilowe i wchłaniać wodę. Jak wspomniano powyżej, hydrofilowy charakter włókien będzie wchłaniał wodę, wciągając BC, który jest rozproszony w podłożu. BC jest filtrowany na powierzchni tych hydrofilowych włókien i tworzy warstwę powłoki BC po wysuszeniu włókien. Podczas gdy celuloza bakteryjna może osadzać się wokół włókien naturalnych poprzez hodowlę Acetobacter xylinus w obecności włókien naturalnych 5,29,30, proces ten jest pracochłonny i wymaga drogich bioreaktorów ze ścisłą kontrolą pH i zawartości rozpuszczonego tlenu. Z drugiej strony, nasz ulepszony proces opiera się na metodzie papierniczej (tj. dyspergowaniu włókien naturalnych w zawiesinie BC) i nie ma potrzeby stosowania bioreaktorów31.
Jeśli chodzi o zastosowanie włókien naturalnych w kompozytach, losowo zorientowane włókniny (krótkie i losowo zorientowane) preformy z włókien naturalnych są wytwarzane przez igłowanie (zasadniczo zszywanie) włókien polimerowych (zwykle poliestru) przez luźne zagęszczone włókna33. Aby wytworzyć kompozyt, preformy włókien są następnie umieszczane w formie i nasączane żywicą. Włókna polimerowe mogą być również mieszane z włóknami naturalnymi34 (zwykle lnem, konopiami lub jutą) lub dyspergowane w zawiesinie włókien naturalnych i filtrowane próżniowo35 przy wysokiej frakcji objętościowej polimeru (50 % obj.). Ta mata z włókna polimerowego i włókien naturalnych (preforma) jest następnie podgrzewana w celu stopienia polimeru w celu wytworzenia struktury kompozytowej. Te ostatnie procesy wytwarzania kompozytów są wewnętrznie skalowalne, ale są ograniczone wyborem włókien polimerowych (polimer powinien topić się w temperaturach niższych niż temperatura degradacji włókien), które można wykorzystać do produkcji preform, a tym samym rodzaju matryc dostępnych do wytwarzania kompozytów. Stosując naszą metodę, BC działa nie tylko jako spoiwo, ale także jako nano-zbrojenie32. Jak wspomniano powyżej, moduł Younga pojedynczego nanowłókna BC oszacowano na 114 GPa. Podczas gdy wytrzymałość na rozciąganie pojedynczego włókna BC nie jest znana, wytrzymałość na rozciąganie pojedynczych włókien drewna i osłonic utlenionych TEMPO została ostatnio zmierzona za pomocą kawitacji indukowanej ultradźwiękami36. Dla tych pojedynczych nanowłókien zmierzono wytrzymałość na rozciąganie w zakresie 0,8-1,5 GPa. Te właściwości mechaniczne, wraz z potencjałem wiązania BC, sprawiły, że BC jest doskonałym kandydatem do produkcji prawdziwie zielonych i losowo zorientowanych, krótkich, wzmocnionych włóknem naturalnym, wzmocnionych celulozą bakteryjną kompozytów odnawialnych o wydajności mechanicznej przewyższającej konwencjonalne polimery wzmocnione włóknami naturalnymi.
Jeśli chodzi o produkcję kompozytów, preferowanym przez nas procesem produkcyjnym jest omawiany dwuworkowy napar żywicy wspomagany próżniowo (DBVI) opracowany przez Waldropa i wsp.37 W przeciwieństwie do bardziej konwencjonalnego naparu żywicy wspomaganego próżniowo w jednym worku (znanego również jako proces Seemanna38), DBVI wykorzystuje dwa niezależne worki próżniowe podczas procesu infuzji (patrz rysunek 2). Podczas gdy proces Seemanna sprawdzi się w produkcji kompozytów, proces ten może ucierpieć z powodu rozluźnienia worka próżniowego za frontem przepływu żywicy. Kiedy tak się stanie, obszar, w którym następuje relaks, będzie miękki i gąbczasty. Rozluźnienie worka próżniowego spowoduje, że worek próżniowy odsunie się od przepływającego medium ze względu na preferencyjny przepływ płynnej żywicy po ścieżce najmniejszego oporu. Spowoduje to, że wyprodukowane kompozyty będą miały niejednorodne frakcje objętościowe włókien (tj. obszar zrelaksowany będzie miał niższy udział objętościowy włókien niż obszar niezrelaksowany worka próżniowego). DBVI nie cierpi z powodu tej wady, ponieważ wewnętrzny worek próżniowy nigdy nie rozluźnia się za czołem przepływu płynnej żywicy. W rezultacie powstałe panele kompozytowe będą miały wyższy niż przeciętny udział objętościowy włókien i bardziej jednolitą grubość. Co więcej, zastosowanie zewnętrznego worka próżniowego zapewnia redundancję systemu i poprawia integralność podciśnienia w procesie infuzji cieczy.

Stale rosnące ceny ropy naftowej i rosnące zapotrzebowanie społeczeństwa na zrównoważoną przyszłość zapoczątkowały i ożywiły badania i rozwój materiałów ekologicznych, zwłaszcza polimerów i kompozytów. Niestety, wydajność termomechaniczna ekologicznych lub odnawialnych polimerów jest często gorsza w porównaniu z tradycyjnymi polimerami na bazie ropy naftowej1. Na przykład dostępny w handlu polilaktyd (PLA) i polihydroksymaślan (PHB) są kruche i mają niskie temperatury odkształcenia cieplnego. Jednym z rozwiązań polegających na tworzeniu materiałów odnawialnych, które dorównują, a nawet przewyższają wydajnością powszechnie stosowane materiały inżynieryjne na bazie ropy naftowej, jest wyciąganie wniosków z przeszłości; Henry Ford zastosował strategię kompozytową, tj. połączenie polimerów pochodzenia biologicznego/odnawialnego ze wzmocnieniem2, w celu poprawy właściwości polimerów odnawialnych. Często twierdzi się, że włókna naturalne są idealnym kandydatem na zbrojenie ze względu na ich niski koszt, niską gęstość, odnawialność i biodegradowalność3. Kompozyty z włókien naturalnych przeżywają renesans w latach dziewięćdziesiątych XX wieku, co widać po wykładniczym wzroście liczby recenzowanych publikacji naukowych (ryc. 1)4. Jednak hydrofilowy charakter włókien naturalnych i właściwości hydrofobowe większości tworzyw termoplastycznych są często obwiniane za słabą przyczepność włókien do matrycy5, co często skutkuje słabymi parametrami mechanicznymi powstałych kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami. Aby sprostać temu wyzwaniu, wielu badaczy podjęło próbę chemicznej modyfikacji powierzchni włókien naturalnych6,7. Te modyfikacje chemiczne obejmują acetylację8, sililowanie9, szczepienie polimerów10, leczenie izocyjanianami11,12, stosowanie maleowanych środków sprzęgających13-17 i benzoilację18. Mimo że te zabiegi chemiczne sprawiły, że włókna naturalne stały się bardziej hydrofobowe, powstałe w ten sposób polimery wzmocnione włóknami naturalnymi nadal nie spełniają oczekiwań pod względem wydajności mechanicznej19. Thomason20 wysunął hipotezę, że ta awaria może być wynikiem anizotropowości i wysokiego liniowego współczynnika rozszerzalności termicznej włókien naturalnych. Oprócz tego włókna naturalne mają również wady, takie jak ograniczona temperatura przetwarzania21, zmienność między partiami3, niska wytrzymałość na rozciąganie w porównaniu z włóknami syntetycznymi, takimi jak włókna szklane, aramidowe lub węglowe oraz brak odpowiednich procesów produkcyjnych do produkcji kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami naturalnymi. W związku z tym użycie włókien naturalnych jako zbrojenia nie wystarczy, aby wypełnić wspomnianą wcześniej lukę w zakresie właściwości i wydajności między materiałami ekologicznymi a polimerami na bazie ropy naftowej.
Nanoceluloza to nowy zielony środek wzmacniający. W szczególności nanoceluloza wytwarzana przez bakterie, np. z gatunku Acetobacter 22, znana również jako celuloza bakteryjna, stanowi interesującą alternatywę dla projektowania materiałów ekologicznych23 ze względu na możliwość wykorzystania wysokiej sztywności i wytrzymałości kryształów celulozy24. Sztywność pojedynczego kryształu celulozy oszacowano na około 100-160 GPa za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii Ramana i symulacji numerycznych25-27. Jest to więcej niż włókna szklane ~70 GPa, które są jednak znacznie gęstsze. Celuloza bakteryjna (BC) jest również z natury nanowymiarowa, ma średnicę około 50 nm i długość kilku mikrometrów28. Opisaliśmy metodę powlekania włókien naturalnych (sizalowych i konopnych) warstwami BC poprzez hodowlę Acetobacter xylinius w obecności włókien naturalnych5,29,30. Doprowadziło to do poprawy adhezji międzyfazowej między PLLA a włóknami naturalnymi powlekanymi BC29,31. Aby uprościć proces powlekania tych włókien, Lee i wsp.W ramach projektu 31 opracowano metodę powlekania włókien naturalnych (sizalowych) bez użycia bioreaktorów. Ta metoda opiera się na procesie zanurzania gnojowicy, w którym suche włókna sizalowe są zanurzane w zawiesinie BC. Rozszerzeniem tej metody32 jest filtrowanie zawiesiny wodnej zawierającej luźne włókna sizalowe i BC w celu wytworzenia preform włókien sizalowych odpowiednich do produkcji typowych struktur kompozytowych.

<table><tbody><tr><td>Celuloza bakteryjna</td><td>fzmb</td><td>9004-34-6</td><td>Numer CAS jest oparty na numerze CAS dla włókien celulozowych</td></tr><tr><td>sizalowych</td><td>Wigglesworth Co. Ltd, Wielka Brytania</td><td></td><td>Rodzaj włókien można zastąpić dowolnym rodzajem włókien naturalnych</td></tr><tr><td>Prime 20 ULV</td><td>SP Gurit</td><td></td><td>Rodzaj żywicy można zastąpić dowolnym rodzajem płynnej żywicy przeznaczonej do infuzji</td></tr> <tr><td>żywicy wspomaganej próżniąStandardowa forma do arkuszy Formax</td><td>Adirondack Machine Corporation</td><td></td><td>Ten element wyposażenia można zastąpić B&uuml; Lejek Chnera.</td></tr><tr><td>Pompa próżniowa</td><td>Edwards, Wielka Brytania</td><td>XDS 5</td><td></td></tr><tr><td>Płyta grzejna</td><td>Wenesco Inc, Stany Zjednoczone</td><td>HP 1836-AH</td><td></td></tr><tr><td>Porowata tkanina antyadhezyjna ze szkła powlekanego PTFE</td><td>Tygavac Advaced Materials Ltd, Wielka Brytania</td><td>TFG075P</td><td></td></tr><tr><td>Rurki Omega</td><td>Tygavac Advaced Materials Ltd, Wielka Brytania</td><td>Omegaflow 313</td><td></td></tr><tr><td>Tkanina odpowietrzająca</td><td>EasyComposites Ltd, Wielka Brytania</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ciśnienie Taśmy wrażliwe</td><td>Aerovac, Wielka Brytania</td><td>SM5127</td><td></td></tr><tr><td>Folia do pakowania próżniowego (FEP)</td><td>Tygavac Advaced Materials Ltd, Wielka Brytania</td><td>RF260</td><td></td></tr><tr><td>Folia do pakowania próżniowego (Nylon)</td><td>Aerovac, Wielka Brytania</td><td>Capran 519</td><td></td></tr></tbody></table>

produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo

Manufacturing Of Robust Natural Fiber Preforms Utilizing Bacterial Cellulose as Binder

Nowatorska metoda produkcji sztywnych i wytrzymałych preform z włókien naturalnych jest tutaj prezentowana. Metoda ta opiera się na procesie papierniczym, w którym luźne i krótkie włókna sizalowe są dyspergowane w zawiesinie wodnej zawierającej celulozę bakteryjną. Zawiesina włókien i nanocelulozy jest następnie filtrowana (za pomocą próżni lub grawitacji), a mokry placek filtracyjny jest prasowany w celu wyciśnięcia nadmiaru wody, po czym następuje etap suszenia. Spowoduje to rogowacenie bakteryjnej sieci celulozowej, utrzymującej razem luźne włókna naturalne.
Nasza metoda jest szczególnie odpowiednia do produkcji sztywnych i wytrzymałych preform włókien hydrofilowych. Porowaty i hydrofilowy charakter takich włókien powoduje znaczne pobieranie wody, wciągając celulozę bakteryjną zdyspergowaną w zawiesinie. Celuloza bakteryjna zostanie następnie przefiltrowana na powierzchni tych włókien, tworząc bakteryjną powłokę celulozową. Kiedy luźna zawiesina celulozy bakteryjnej jest filtrowana i suszona, sąsiednia celuloza bakteryjna tworzy sieć i rogowaciałość, aby utrzymać razem luźne włókna.
Wprowadzenie celulozy bakteryjnej do preformy spowodowało znaczny wzrost właściwości mechanicznych preform włókien. Można to przypisać wysokiej sztywności i wytrzymałości sieci celulozy bakteryjnej. Dzięki tej preformie odnawialne, wysokowydajne kompozyty hierarchiczne mogą być również wytwarzane przy użyciu konwencjonalnych metod produkcji kompozytów, takich jak infuzja filmu żywicznego (RFI) lub formowanie transferowe żywicy (RTM). W tym miejscu opisujemy również wytwarzanie odnawialnych kompozytów hierarchicznych przy użyciu dwuworkowej infuzji żywicy wspomaganej próżniowo.

Bez spoiwa BC krótkie, luźne włókna sizalu są utrzymywane razem jedynie przez tarcie i splątania między włóknami. W rezultacie preforma ta jest luźna i nie była w stanie utrzymać dużego obciążenia. Rycina 3 przedstawia preformę z włókien sizalu bez BC jako spoiwa, z obciążeniem przyłożonym w trybie zginania trójpunktowego. Widać, że preforma jest dość luźna, a po przyłożeniu obciążenia poprzez wlanie wody do kubka z polipropylenu, preforma zaczyna się gwałtownie uginać. Przyłożone obciążenie odpowiada 40 g wody. Jednakże, gdy jako spoiwo dla tych krótkich i luźnych włókien sizalu zastosowano 20 wt.% BC, otrzymano sztywną preformę z włókien. Preforma ta jest w stanie wytrzymać obciążenie pełnego kubka z polipropylenu (~170 g) bez żadnego znaczącego ugięcia (Rycina 3).
Mikrografie z elektronowego mikroskopu skaningowego typowej preformy z włókien sisalu z BC przedstawiono na Rysunku 4. Widać, że BC pokrywa powierzchnię włókien sisalu. Efekt ten wynika z hydrofilowej natury włókien sisalu (lub wszelkich innych włókien naturalnych). Hydrofilowa natura włókien sisalu powoduje pochłanianie wody, co wciąga BC rozproszone w medium. Ponieważ BC są większe niż pory włókien naturalnych, nie były one w stanie wniknąć do wnętrza włókien. Zamiast tego zostały odfiltrowane na powierzchni włókien sisalu i utworzyły warstwę powłoki z BC po wysuszeniu włókien.
Właściwości mechaniczne tych preform włóknistych poddanych rozciąganiu zestawiono w Tabeli 1. Ze względu na porowatą strukturę preform włóknistych o porowatości ~70%, wytrzymałość na rozciąganie (obciążenie na jednostkę powierzchni) preformy nie jest jednoznacznie określona. Dlatego w tabeli podano siłę rozciągania (obciążenie niezbędne do zniszczenia próbki na jednostkę szerokości materiału, która w naszym doświadczeniu wynosi 15 mm) oraz indeks rozciągania (siła rozciągania na jednostkę gramatury) naszej próbki. Przy zastosowaniu 20% wag. BC jako spoiwa zmierzono odpowiednio siłę rozciągania 12,1 kN·m-1 oraz indeks rozciągania 15 N·m·g-1 . Właściwości rozciągania czystych preform z włókien sizalowych nie były mierzalne, ponieważ preforma włóknista była luźna.
Podpisy do rycin:
<img alt="Wykres wzrostu liczby publikacji, 1980-2010; przedstawia rosnącą liczbę wyników badań w czasie." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51432/51432fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51432/51432fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Liczba publikacji w dziedzinie włókien naturalnych i kompozytów. Dane zostały zebrane z bazy Web of Knowledge przy użyciu wyszukiwania słów kluczowych odpowiednio „natural fib*” ORAZ „composite*”. Źródło: Bismarck et al.4, za uprzejmością American Scientific Publishing Ltd.
<img alt="Schemat procesu pakowania próżniowego; przedstawia konfigurację z preformą, workiem próżniowym, tkaniną drenażową i rurkami omega." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51432/51432fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51432/51432fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2. Schemat infuzji żywicy wspomaganej próżniowo z zastosowaniem podwójnego worka.
<img alt="Demonstracja równowagi statycznej z plastikowym kubkiem; eksperyment ilustrujący równowagę i stabilność." fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51432/51432fig3highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51432/51432fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Fotografie ilustrujące różnicę w sztywności zginania prefabrykatów z włókien sizalu bez (dwie górne zdjęcia) i z (dwie dolne zdjęcia) BC jako spoiwa.
<img alt="Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego pokazujące strukturę włókien celulozowych przy różnych powiększeniach." fo:content-width="3in" fo:src="/files/ftp_upload/51432/51432fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51432/51432fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4. Mikrografie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego typowej preformy z włókien naturalnych z zastosowaniem BC jako spoiwa przy różnych powiększeniach. Góra: 100X, środek: 1 000X i dół: 25 000X. (a) oraz (b) oznaczają odpowiednio włókno sizalu i nanofibryle BC.
<table border="1" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody >
		<tr >
			<td >Materiały</td>
			<td >Siła rozciągania (kN·m-1)</td>
			<td >Wskaźnik rozciągania (N·m·g-1)</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >Czysta preforma z sizalu</td>
			<td >Niepodatne na pomiar</td>
			<td >Niepodatne na pomiar</td>
		</tr >
		<tr >
			<td >Preforma BC-sisal</td>
			<td >12.1 ± 2.4</td>
			<td >15 ± 3</td>
		</tr >
	</tbody >
</table>
Tabela 1. Właściwości rozciągalności prefabrykatów z włókna sizalu, z dodatkiem BC jako spoiwa oraz bez niego.

Prezentujemy nowatorską metodę produkcji sztywnych i wytrzymałych krótkich preform z włókien naturalnych przy użyciu procesu produkcji papieru. Celuloza bakteryjna działa jednocześnie jako spoiwo dla luźnych włókien i zapewnia sztywność preformom włókien. Preformy te mogą być nasączane żywicą w celu uzyskania prawdziwie zielonych, hierarchicznych kompozytów.

Produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo

A novel method of manufacturing rigid and robust natural fiber preforms is presented here. This method is based on a papermaking process, whereby loose ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest stworzenie wytrzymałych i sztywnych prefabrykatów z włókien naturalnych z wykorzystaniem celulozy bakteryjnej jako spoiwa oraz wytworzenie odnawialnych kompozytów hierarchicznych za pomocą konwencjonalnego procesu produkcji kompozytów. Osiąga się to najpierw poprzez przygotowanie zawiesiny celulozy bakteryjnej w wodzie. W drugim kroku luźne, krótkie włókna naturalne są dyspergowane w zawiesinie celulozy bakteryjnej.Następnie powstałą zawiesinę bakteryjnej celulozy z włóknami naturalnymi filtruje się w celu usunięcia nadmiaru wody. Ostatnim krokiem jest zagęszczenie i wysuszenie osadu filtracyjnego w celu utworzenia wytrzymałej i sztywnej preformy włóknistej. Ostatecznie preforma ta może zostać nasycona żywicą w stanie ciekłym, co pozwala na stworzenie wysokowydajnych kompozytów odnawialnych, wzmocnionych włóknami naturalnymi oraz bakteryjną celulozą.Procedurę tę zaprezentują mata, Kang oraz C. Przed rozpoczęciem procedury należy odważyć ilość mokrych granulek celulozy bakteryjnej odpowiadającą 18 gramom suchej celulozy bakteryjnej, bazując na wcześniej określonym stosunku masy mokrej do suchej celulozy bakteryjnej. Następnie, za pomocą ostrych nożyczek, należy pociąć mokre granulki celulozy bakteryjnej na małe kawałki o wielkości około jednego do dwóch centymetrów. Po pocięciu granulki celulozy bakteryjnej należy namoczyć w jednym litrze wody w celu ich nawodnienia.Przełóż pocięte pelety celulozy bakteryjnej do blendera i dodaj od 300 do 500 mililitrów wody, aby proces blendowania przebiegał sprawnie. Następnie blenduj pelety przez dwie minuty. Po zakończeniu przelej zblendowaną celulozę bakteryjną do pojemnika o pojemności 15 litrów i dolej wody, aż całkowita objętość wody wyniesie 14 litrów, co zapewni stężenie celulozy bakteryjnej w wodzie na poziomie 0,1% w/v.Następnie 72 g włókien o luźnym splocie należy pociąć na odcinki o długości od jednego do dwóch centymetrów i dodać je do zawiesiny celulozy bakteryjnej. Zawiesinę należy delikatnie wymieszać szpatułką, aby zapewnić jednorodną dyspersję włókien sizalu w zawiesinie celulozy bakteryjnej. Na tym etapie formę do arkuszy należy napełnić wodą dejonizowaną, aż poziom wody osiągnie siatkę wspierającą.Umieść metalowy drut formujący o oczkach 50 mesh na drucie wspierającym, centrując go w podstawie formy do arkuszy, a następnie zamknij i zatrzaśnij formę. Następnie dolej świeżej wody, aż drut formujący zostanie całkowicie zanurzony. Wlej przygotowaną zawiesinę z celulozy bakteryjnej i włókien sizalu do formy do arkuszy.Delikatnie wymieszaj zawiesinę szpatułką, aby upewnić się, że rozmiar włókien jest jednorodnie rozłożony w całej formie. Następnie otwórz zawór spustowy, aby odlać wodę, co spowoduje powstanie mokrego placka filtracyjnego z włókien sizalu i celulozy bakteryjnej na sicie formującym. Natychmiast po odlaniu wody otwórz formę do arkuszy i wyjmij sito formujące.Połóż drut formujący na arkuszu papieru filtracyjnego. Następnie połóż trzy dodatkowe arkusze papieru filtracyjnego na wierzchu placka filtracyjnego, a następnie przykryj go metalową płytką. Następnie obróć placek filtracyjny za pomocą drutu formującego.Obracając próbkę górą do góry, zdejmij pokrywę i połóż trzy dodatkowe papiery filtracyjne bezpośrednio na osadzie filtracyjnym, a następnie przykryj je metalową płytką. Na metalowej płytce umieść obciążenie o masie 10 kilogramów, aby wycisnąć wodę. Gdy papiery filtracyjne będą całkowicie nasączone, zastąp je nowymi i ponownie dociśnij osad filtracyjny obciążeniem 10 kilogramów.Po ostatniej wymianie papierów osuszających, przeprowadź końcowe prasowanie z naciskiem jednej tony w prasie na gorąco w celu konsolidacji preformy z włókien. Rozgrzej prasę do 120 °C, aby wspomóc odparowanie pozostałej wody. Po czterech godzinach obniż temperaturę prasy do temperatury pokojowej i wyjmij preformę po jej ostygnięciu.Umieść taśmę wrażliwą na nacisk wokół obwodu wewnętrznej i zewnętrznej konfiguracji. Następnie umieść preformę na stronie oprzyrządowania, która składa się z nieporowatej tkaniny rozdzielającej z włókna szklanego powlekanego politetrafluoroetylenem (PTFE). Przykryj preformę porowatą tkaniną rozdzielającą z włókna szklanego powlekanego PTFE, znaną również jako peel ply, a następnie porowatym medium przepływowym.Umieść rurki omega w zamierzonych punktach wlotu i wylotu żywicy w układzie infuzji żywicy wspomaganej próżniowo (VARI). Upewnij się, że rurki omega znajdują się na wierzchu porowatego medium przepływowego, aby umożliwić rozprowadzenie żywicy w układzie VARI. Podczas infuzji wprowadź rurki doprowadzające i odprowadzające żywicę do otworów w rurkach omega. Następnie przykryj cały układ folią próżniową na bazie fluoroetylenu i uszczelnij ją za pomocą taśmy czułej na nacisk.Na wierzchu wewnętrznego worka w miejscu, gdzie znajduje się prefabrykat z włókien, umieść metalową płytkę, a następnie kawałek tkaniny odprowadzającej (breather cloth). Po uszczelnieniu rurki doprowadzającej żywicę, ułóż drugi koniec rurki wylotowej żywicy na tkaninie odprowadzającej. Po wyznaczeniu miejsca, w którym powinien znajdować się zawór próżniowy przechodzący przez worek, umieść dolną część zaworu na tkaninie odprowadzającej.Nałóż folię do workowania próżniowego na wierzch wewnętrznego worka i uszczelnij ją. Następnie umieść płytkę na taśmie uszczelniającej, aby dokończyć uszczelnianie. Wytnij mały znak X w folii do workowania próżniowego w miejscu, w którym znajduje się dolna część zaworu, a następnie przykręć górną część, aby dokończyć przejście przez worek.Zawór próżniowy. Podłączyć szybkozłączkę i wytworzyć próżnię. Następnie sprawdzić, czy nie ma wycieków próżni.Następnie przygotuj żywicę, mieszając żywicę epoksydową i utwardzacz w stosunku wagowym 100 do 19. Odgazuj żywicę pod obniżonym ciśnieniem, aby usunąć wszystkie pęcherzyki powietrza uwięzione podczas mieszania żywicy epoksydowej i utwardzacza. Po upewnieniu się, że cały układ jest szczelny, wprowadź żywicę przez rurkę podłączoną do rurki omega; dopilnuj, aby żywica była podawana powoli, tak aby miała czas na impregnację preformy z włókien.Należy pozwolić żywicy wypłynąć z rurki odpływowej i przesiąknąć do tkaniny odprowadzającej powietrze, aż do momentu, gdy z rurki odpływowej przestaną wydostawać się pęcherzyki powietrza. Na koniec należy uszczelnić rurkę odpływową i pozostawić żywicę do utwardzenia na 24 godziny w temperaturze pokojowej, a następnie przeprowadzić etap dotwardzania w temperaturze 50 °C przez 16 godzin bez zastosowania spoiwa z celulozy bakteryjnej. Krótkie, luźne włókna sizalu są utrzymywane razem jedynie przez tarcie i splątania pomiędzy włóknami.W rezultacie preforma ta jest luźna i nie jest w stanie utrzymać dużego ciężaru. Przedstawiono tutaj preformę z włókien sizalowych bez celulozy bakteryjnej. Pełniąc rolę spoiwa pod wpływem obciążenia w trybie zginania trójpunktowego, preforma okazuje się być dość luźna, a po przyłożeniu obciążenia w postaci dodania 40 g wody do kubka z polipropylenu, preforma zaczyna ulegać silnemu ugięciu.Jednakże, gdy zastosowano 28% celulozy bakteryjnej jako spoiwo dla tych krótkich i luźnych włókien sizalowych, wytworzono sztywną prefabrykat włóknisty. Prefabrykat ten jest w stanie wytrzymać obciążenie pełnym kubkiem z polipropylenu o wadze 170 gramów bez żadnego znaczącego odkształcenia. Tutaj przedstawiono mikrografie elektronowe skaningowe typowego prefabrykatu z celulozy bakteryjnej i włókien sizalowych.Można zauważyć, że celuloza bakteryjna pokrywa powierzchnię włókien sizalu. Efekt ten wynika z hydrofilowej natury włókien sizalu. Właściwości hydrofilowe włókien sizalu powodują absorpcję wody, co wciąga rozproszoną w medium celulozę bakteryjną.Ponieważ celuloza bakteryjna jest większa niż pory włókien naturalnych, nie była ona w stanie wniknąć do ich wnętrza. Zamiast tego została ona przefiltrowana na powierzchni włókien syzalowych, tworząc warstwę powłoki z celulozy bakteryjnej po wysuszeniu włókien. Właściwości mechaniczne tych prefabrykatów włóknistych poddanych rozciąganiu przedstawiono w tabeli; ze względu na porowatą strukturę prefabrykatów, z porowatością wynoszącą około 70%, wytrzymałość na rozciąganie prefabrykatu nie jest dobrze określona.W związku z tym zestawiono w tabeli siłę rozciągania oraz wskaźnik rozciągania próbki. Przy zastosowaniu 20% wagowych celulozy bakteryjnej jako lepiszcza zmierzono odpowiednio siłę rozciągania wynoszącą 12,1 kN/m oraz wskaźnik rozciągania wynoszący 15 N·m/g. Natomiast właściwości rozciągania czystych preform z włókien sizalowych nie można było zmierzyć, ponieważ preforma z włókien była luźna.Nasza technika utorowała drogę naukowcom zajmującym się materiałami oraz inżynierom do zbadania zastosowania praw komórek nano w opracowywaniu hierarchicznych, wysokowydajnych kompozytów odnawialnych.

manufacturing-robust-natural-fiber-preforms-utilizing-bacterial

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Produkcja Wytrzymałych Podkładów Z Naturalnych Włókien Z Wykorzystaniem Bakteryjnej Celulozy Jako Spoiwa

Źródło: Arias, S. L. i in. Wytwarzanie funkcjonalizowanej magnetycznej nanocelulozy bakteryjnej z nanocząstek tlenku żelaza.  J. Vis. Exp. (2016).Ten film demonstruje produkcję nanocelulozy poprzez hodowlę bakterii produkujących celulozę w medium odżywczym zawierającym mannitol. Bakterie metabolizują mannitol do glukozy, która następnie jest polimeryzowana i wytłaczona jako łańcuchy glukanowe, krystalizujące się w arkusze celulozy, tworząc trójwymiarową macierz na styku powietrze–ciecz.

Przygotowanie bakteryjnych pelikuli nanocelulozy z bakterii produkujących celulozę

Celem tych badań było stworzenie syntetycznej tkanki ściany komórkowej roślinnej przy użyciu warstwa po warstwie składania włókienek nanocelulozowych i izolowanej ligniny złożonej z rozcieńczonych zawiesin wodnych. Techniki pomiaru powierzchni mikrowagi kryształów kwarcu i mikroskopii sił atomowych zostały wykorzystane do monitorowania tworzenia polimerowo-polimerowego materiału nanokompozytowego.

W kierunku biomimiki drewna: wytwarzane wolnostojące folie z nanocelulozy, ligniny i syntetycznej polikacji

Tutaj prezentujemy protokół tworzenia magnetycznej bakteryjnej nanocelulozy (BNC) do zastosowań w rekonstrukcji uszkodzonych naczyń krwionośnych. BNC został zsyntetyzowany przez szczep G. xylinus. Z drugiej strony, namagnesowanie BNC zostało zrealizowane poprzez wytrącanie in situ jonów żelazawychFe2+ i Fe3+ wewnątrz siatki BNC.

Wytwarzanie funkcjonalizowanej magnetycznej nanocelulozy bakteryjnej z nanocząstkami tlenku żelaza

Schematy syntezy w celu przygotowania wysoce stabilnych nanocząsteczek włochatych na bazie włókien drzewnych i funkcjonalnych biopolimerów na bazie celulozy zostały szczegółowo opisane.

Wysoce stabilne, funkcjonalne włochate nanocząstki i biopolimery z włókien drzewnych: w kierunku zrównoważonej nanotechnologii

Tutaj demonstrujemy nowatorską metodę ekologicznej i zrównoważonej produkcji wysoce stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów celulozy (CNC) i nanowłókien (CNF) przy użyciu wysoce nadających się do recyklingu stałych kwasów dikarboksylowych.

Ekologiczna i tania produkcja stabilnych termicznie i karboksylowanych nanokryształów i nanowłókien celulozy z wykorzystaniem wysoce nadających się do recyklingu kwasów dikarboksylowych

Celem tego protokołu jest produkcja całych włókien macierzy zewnątrzkomórkowej przeznaczonych do gojenia ran, które są odpowiednie do oceny przedklinicznej jako część regeneracyjnego implantu rusztowania. Włókna te są wytwarzane przez hodowlę fibroblastów na membranach z pustych włókien i ekstrahowane przez rozpuszczenie błon.

Produkcja włókien macierzy zewnątrzkomórkowej poprzez protektorową hodowlę komórek z pustych włókien

Przedstawiono metodę syntezy aerożeli kompozytowych z bioszablonowego palladu z nanowłókien celulozowych. Powstałe w ten sposób kompozytowe materiały aerożelowe oferują potencjał w zastosowaniach związanych z katalizą, wykrywaniem i magazynowaniem wodoru.

Metoda syntezy aerożeli kompozytowych z biofibry palladowej z nanowłókien celulozowych

Trzy kluczowe kroki tego protokołu to: i) opracowanie właściwego składu i konsystencji tuszu hydrożelowego celulozy, ii) drukowanie 3D rusztowań w różnych strukturach porów z dobrą wiernością kształtu i wymiarów oraz iii) demonstracja właściwości mechanicznych w symulowanych warunkach ciała do regeneracji chrząstki.

Drukowane w 3D porowate rusztowania hydrożelowe z celulozy nanokompozytowej

Delitynizowane zagęszczone drewno stanowi nowy, obiecujący, lekki, wysokowydajny i pochodzenia biologicznego materiał o dużym potencjale, aby w przyszłości częściowo zastąpić kompozyty wzmocnione włóknem naturalnym lub włóknem szklanym. Przedstawiamy tutaj dwie wszechstronne ścieżki produkcji i pokazujemy możliwość tworzenia złożonych części kompozytowych.

Wytwarzanie i projektowanie wysokowydajnych kompozytów drewnopochodnych

Opracowano wszechstronny proces wytłaczania dwuślimakowego, który zapewnia efektywną termo-mechano-chemiczną obróbkę wstępną biomasy lignocelulozowej, co prowadzi do zwiększenia średniego współczynnika proporcji włókien. Naturalne spoiwo może być również dodawane w sposób ciągły po rafinacji włókien, co prowadzi do powstania płyt pilśniowych pochodzenia biologicznego o ulepszonych właściwościach mechanicznych po prasowaniu na gorąco otrzymanego materiału wytłaczanego.

Proces wytłaczania dwuślimakowego do produkcji odnawialnych płyt pilśniowych

Ten protokół przedstawia łatwą i tanią metodę tworzenia kulek z celulozy bakteryjnej (BC). Ten biomateriał może funkcjonować jako medium hermetyzujące dla materiałów stałych, w tym biowęgla, kulek polimerowych i odpadów kopalnianych.

Bakteryjne kulki celulozowe, które zamykają materiały stałe

Poznaj metodę produkcji wytrzymałych pform z włókien naturalnych z wykorzystaniem celulozy bakteryjnej jako spoiwa. Technika ta umożliwia tworzenie ekologicznych kompozytów hierarchicznych o wysokiej wytrzymałości mechanicznej.

Produkcja wytrzymałych pform z włókien naturalnych wykorzystujących celulozę bakteryjną jako spoiwo

Przeglądaj więcej filmów