В данном исследовании описан метод вспенивания сверхкритического углекислого газа для приготовления пенопластов, армированных углеродным волокном и бамбуковым волокном из полипласта (бутиленадипат-ко-терефталата).
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
В данном исследовании описан метод вспенивания сверхкритического углекислого газа для приготовления пенопластов, армированных углеродным волокном и бамбуковым волокном из полипласта (бутиленадипат-ко-терефталата).
Армированные волокном полимерные пены нашли широкое применение во многих областях. В частности, поли (бутиленадипат-ко-терефталат) (ПБАТ) привлек значительное внимание в области биоразлагаемых материалов благодаря своим исключительным технологическим свойствам, механическим характеристикам и биосовместимости. Однако высокая скорость усадки пенопласта PBAT ограничивает его применение. Среди различных материалов, способных улучшить характеристики пенопласта, углеродное волокно (CF) и бамбуковое волокно (BF) демонстрируют уникальные преимущества. В этом исследовании использовалась технология вспенивания на основе сверхкритического углекислого газа (scCO2) для успешного приготовления пен PBAT/CF/BF. Результаты показывают, что синергетический эффект CF и BF значительно улучшает противоусадочные свойства пены PBAT. По сравнению с чистой пеной PBAT, скорость усадки пены PBAT/15CF/5BF снизилась с 55,63% до 6,92%, снизившись на 87,56%. Самая низкая плотность пены PBAT/10CF/10BF составила 0,13 г/см3, что представляет собой снижение на 31,58%. Пена PBAT/10CF/10BF показала самый высокий коэффициент расширения 9,43, увеличившись на 51,36%. Испытания на устойчивость к сжатию показали, что все пены PBAT/CF/BF продемонстрировали благоприятную устойчивость к сжатию, при этом пена PBAT/15CF/5BF продемонстрировала наивысшую прочность на сжатие 0,26 МПа. Это исследование обеспечивает эффективное решение для изготовления армированных волокном биоразлагаемых полиэфирных пенопластов. Эти пены обладают противоусадочными свойствами, легкими характеристиками и отличной упругостью.
Армированные волокном полимерные пены широко применяются в различных областях, включая аэрокосмическую промышленность1, транспорт2, строительство3 и защиту окружающей среды4, благодаря высокому соотношению прочности к весу, отличной термической стабильности и универсальной компонуемости. Руководствуясь глобальными «двухуглеродными» целями и инициативами по борьбе с загрязнением пластиком, биоразлагаемые полимерные пенопласты становятся горячей точкой исследований 5,6,7. PBAT, как типичный биоразлагаемый полиэстер на биологической основе, считается идеальной альтернативой традиционным пеноматериалам на нефтяной основе благодаря своим выдающимся технологическим характеристикам и экологичности 8,9,10,11. Однако значительная усадка, проявляемая чистыми пенопластами ПБАТ, ограничивает их применение12.
Среди различных методов модификации исследования показали, что использование технологии армирования волокнами может значительно улучшить характеристики пенопласта PBAT13. CF, известный своей высокой прочностью, высоким модулем упругости и низкой плотностью, часто используется для упрочнения полимеров, тем самым улучшая их механические свойства14. Включение CF не только обеспечивает более сильную механическую поддержку пенопластов, но также может изменить их микроструктуру, тем самым улучшая их общие характеристики15,16. Yimu Qiao et al.17 подготовили многослойную структуру, состоящую из пенопласта PBAT/CF и препрегов полипропилена (PP) непрерывного действия, армированного CF. В ходе исследования было установлено, что пенопластовые ячейки с препрегами были более однородными и плотными. В отличие от этого, BF обладает уникальными преимуществами в области армирующих материалов благодаря своей исключительной биосовместимости и возобновляемости18. Его уникальная внутренняя микроструктура придает материалу определенную прочность и амортизирующие свойства19. Wei Guo et al.20 приготовили модифицированные щелочью полипропиленовые пенопласты BF/PP, армированные BF. Исследования показывают, что добавление BF улучшает ячеистую структуру и значительно повышает механические свойства пенопластов BF/PP. Следовательно, ожидается, что разумное сочетание CF и BF при изготовлении пенопласта PBAT максимизирует преимущества обоих материалов, смягчит значительную проблему усадки чистого пенопласта PBAT и еще больше расширит его потенциал применения в различных областях.
Несмотря на то, что технология вспенивания scCO2 привела к вышеупомянутому прогрессу, все еще существуют значительные недостатки в области биоразлагаемого полиэфирного пенопласта, армированного волокном. Во-первых, в существующих исследованиях в основном используется армирование одним волокном (например, чистое CF или чистое BF), не в состоянии в полной мере использовать синергетические эффекты различных волокон, такие как сочетание повышения жесткости CF и преимуществ управления интерфейсом BF. Во-вторых, предотвращение дефектов вспенивания, вызванных снижением текучести расплава при высоком содержании волокна, остается проблемой. Новизна данной работы заключается в решении вышеуказанных вопросов. С одной стороны, он конструирует систему вспенивания scCO2 для синергетического армирования двухволоконного CF/BF PBAT, которая компенсирует недостатки одноволоконных систем в эффективности зародышеобразования и связывании границ раздела. В то же время, оптимизация соотношения CF/BF улучшает механические свойства пенопласта, обеспечивая при этом пенообразование, обеспечивая новую концепцию дизайна для высоких эксплуатационных характеристик биоразлагаемой пены.
Технология вспенивания ScCO2 открыла новые возможности для производства высокоэффективных микропористых пеноматериалов, используя ее экологические преимущества, настраиваемый размер пор в микронном масштабе и гибкуюрегулировку параметров процесса. Благодаря вспениванию scCO2 CO2 равномерно растворяется в системе композитных материалов. При резком сбросе давления углекислый газ быстро улетучивается, образуя многочисленные равномерно распределенные ядра пузырьков, которые впоследствии разрастаются в поры22. Этот процесс не только позволяет точно контролировать размер и плотность пор, но и улучшает теплоизоляционные, звукоизоляционные и амортизирующие свойства материала, сохраняя при этом его первоначальные характеристики.
В данном исследовании исследуется система вспенивания scCO2 для композитов ПБАТ, армированных различными соотношениями CF и BF, с общим содержанием 20 %. Для приготовления пены PBAT/CF/BF соотношение CF/BF было выбрано как 3:1, 1:1 и 1:3. Температура вспенивания составила 100 °С, давление вспенивания – 10 МПа, время вспенивания – 60 мин. Первоначально пены производились, и их плотность, коэффициент расширения и скорость усадки измерялись, чтобы наглядно проиллюстрировать различия в основных физических свойствах пенопластов с разным соотношением волокон. Впоследствии для характеристики клеточной структуры была использована сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), при этом диаметры клеток были измерены, чтобы выявить на микроскопическом уровне влияние различных соотношений волокон на морфологию, размер и однородность клеток. Наконец, были проведены испытания на цикл сжатия для оценки характеристик сжатия, указывающих на механическую несущую способность, придаваемую пеноматериалам различными комбинациями армирования волокон. Результаты этого исследования предложат теоретическую основу и технические знания для разработки биоразлагаемых пеноматериалов на биологической основе с превосходными физическими свойствами, микроструктурой и механической прочностью, что будет способствовать их устойчивому использованию в таких областях, как упаковка и строительство.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Реагенты и оборудование, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.
1. Предварительная обработка сырья
2. Взвешивание и предварительное смешивание
3. Экструзия расплава
4. Компрессионное формование
5. Процесс вспенивания ScCO2
6. Определение характеристик пенопласта
ПРИМЕЧАНИЕ: Плотность образца измеряется непосредственно с помощью денситометра. Возьмем в качестве примера чистый PBAT.
(1)
(2)
(3)7. Характеристика СЭМ
(4)
(5)8. Определение сжимающих свойств
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Физическое изображение и физические свойства пенопластов PBAT, армированных различными соотношениями CF и BF, приготовленных в соответствии с вышеупомянутым протоколом, представлены на рисунке 2. Можно заметить, что увеличение пропорций CF и BF эффективно противостоит усадке пенопластов PBAT. В результате измерений было установлено, что плотность чистой пены PBAT составляет 0,19 г/см3 (рис. 2B), коэффициент пенообразо...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Сушка является важным этапом, предшествующим экструзии расплава. Его основная цель — удалить влагу из материала для предотвращения гидролиза, испарения и межфазных дефектов в условиях высоких температур. Это обеспечивает механические свойства, стабильность обработки и качество внешнего вида композитов PBAT8. В данном исследовании специфическая процедура включала помещение PBAT, CF и BF в печь на 8 часов сушки при температуре 80 °C.
Изме...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторам нечего раскрывать.
Мы благодарим Ключевую лабораторию Национального управления лесным хозяйством и пастбищами по высокоэффективному использованию ресурсов лесной биомассы в Юго-Западном Китае, Юго-Западный университет лесного хозяйства (2023KF10). Фонд естественных наук провинции Хэйлунцзян (LH2024C044), совместный инновационный проект первоклассных дисциплин в провинции Хэйлунцзян (LJGXCG2024-F11), спонсорская программа молодых элитных ученых провинции Хэйлунцзян (2024QNTG006), Хэйлунцзянский постдокторский фонд (LBH-Z24041) и выдающиеся магистерские и докторские диссертации Хэйлунцзяна 2023 года в проекте финансирования новой эры.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Бамбуковое волокно | Сычуаньский завод Lvzhu Fiber Co., Ltd., Китай | 1000 mesh | Сырьё, поставляемое для экспериментальных работ |
| Бустерный насос | Dongguan Suncenter Fuild Control Equipment Co., Ltd., Китай | DGA15C | Используется для контроля давления |
| Углекислый газ | Harbin Qinghua Industrial Gases Co. Ltd., Китай | Чистота 99,9% | Используется как пенящий агент |
| Углеродное волокно | Toray Industries Incorporated Япония | 1000 mesh | Сырьё, поставляемое для экспериментальных работ |
| Цеактор | Zhengzhou Zechen Instrument Equipment Co., Ltd., Китай | 0,5 л | Используется как пенный контейнер |
| Компактор | Zhejiang Kaishan Compressor Co., Ltd., Китай | XK06-010-00487 | под давлением |
| Цифровая масляная ванна | Boho Temptech Co., Ltd., Китай | HH-5-12L | Используется для нагрева |
| Сушильная печь | Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd., Китай | DGG-9070 | Используется для сушки сырья |
| Электронный баланс | Mettler Toledo (Changzhou) Weight Equipment System Co., Ltd | SPN501F | Используется для взвешивания сырья |
| Прибор для серизации плоской пластины | Bolon Precision Testing Machines Co., Ltd., Китай | BL-6170-A | Для горячего компрессионного формования композитов |
| Высокоточный измеритель твердой плотности | Yuemang Intelligent Equipment Co., Ltd., Китай | JHY-120Y | Устройство, используемое для определения Плотность |
| Программное обеспечение для анализа изображенийНациональные институты здравоохранения | Национальные институты здравоохранения | ImageJ | Программное обеспечение, используемое для определения морфологических характеристик пенопласта |
| Поли(бутиленадипат-котерефталат) | Синьцзянская Синьцзянская Голубая Хребет Туньхэ Sci.& Tech. Co., Ltd., Китай | TH801T | Сырьё, поставляемое для экспериментальных работ |
| Политетрафторэтиленовая плёнка | Компания по торговле пластиковыми материалами Luo Huixing, Китай | 0,5 мм | Используется для демоулирования |
| Pulveriser | Shenzhen Chengzhongsheng Electromechanical Technology Co., Ltd., Китай | 380 Вт, 50 Гц | Используется для дробления и гранулирования |
| Сканер | FEI Inc., США | QUANTA 220 | Сканер, используемый для съемки пены |
| Двухвинтовой экструдер | Nanjing Jiente Machine Point Co. Ltd., Китай | SHJ-20 | Смешивание расплавом |
| Универсальная механическая испытательная машина | Wance Technologies Ltd., Китай | TestPilot X10A | Используется для оценки производительности сжатия |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.