Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

صناعة قوية التشكيل الاستفادة من الألياف الطبيعية السليلوز البكتيرية كما بيندر

Published: May 22, 2014 doi: 10.3791/51432
Automatic Translation
1,2, 3, 1, 1,3
1Polymer and Composite Engineering (PaCE) Group, Institute of Materials Chemistry and Research, University of Vienna, 2Department of Chemical Engineering, University College London, 3Polymer and Composite Engineering (PaCE) Group, Department of Chemical Engineering, Imperial College London

Summary

نقدم طريقة جديدة لتصنيع قصيرة التشكيل الألياف الطبيعية جامدة وقوية باستخدام عملية صناعة الورق. السليلوز البكتيريا تعمل في وقت واحد كما الموثق للألياف فضفاضة ويوفر الصلابة إلى التشكيل الألياف. يمكن غرست هذه التشكيل مع الراتنج لإنتاج المواد المركبة الهرمية الخضراء حقا.

Abstract

ويرد طريقة جديدة لتصنيع التشكيل الألياف الطبيعية جامدة وقوية هنا. ويستند هذا الأسلوب على عملية صناعة الورق، حيث يتم توزيع ألياف السيزال فضفاضة وقصيرة في تعليق المياه التي تحتوي على السليلوز البكتيرية. ثم يتم تصفية الألياف وnanocellulose تعليق (باستخدام فراغ أو الجاذبية) والضغط على كعكة فلتر الرطب للضغط من أي المياه الزائدة، تليها خطوة التجفيف. وهذا يؤدي إلى تقرن شبكة السليلوز البكتيرية، وعقد الألياف الطبيعية فضفاضة معا.

يناسب أسلوبنا خصيصا لتصنيع التشكيل جامدة وقوية من الألياف ماء. طبيعة مسامية وماء من تلك الألياف النتائج في امتصاص الماء كبيرة، الرسم في السليلوز البكتيرية المنتشرة في التعليق. وبعد ذلك يتم تصفية السليلوز البكتيرية ضد السطح من هذه الألياف، وتشكيل طبقة السليلوز البكتيرية. عندما الخلية البكتيرية الألياف فضفاضةيتم تصفية تعليق ulose والمجففة، والسليلوز البكتيرية المجاورة يشكل شبكة ومتقرن لعقد ألياف فضفاضة وإلا معا.

أدى إدخال السليلوز البكتيرية في التشكيل في زيادة كبيرة في الخواص الميكانيكية للألياف التشكيل. ويمكن أن يعزى ذلك إلى صلابة عالية وقوة الشبكة السليلوز البكتيرية. مع هذا التشكيل، والأداء الرفيع المركبة الهرمية المتجددة يمكن أيضا أن تصنع باستخدام أساليب الإنتاج المركب التقليدية، مثل الراتنج التسريب فيلم (RFI) أو نقل الراتنج صب (RTM). هنا، نحن تصف أيضا تصنيع المواد المركبة الهرمية المتجددة باستخدام كيس مزدوج فراغ بمساعدة الراتنج التسريب.

Introduction

وأثارت الزيادة المطردة في أسعار النفط والطلب المتزايد للجمهور من أجل مستقبل مستدام وإحياء البحث والتطوير من المواد الخضراء، وخاصة البوليمرات والمواد المركبة. للأسف، وأداء الحرارية والميكانيكية للبوليمرات الخضراء أو المتجددة هو في كثير من الأحيان أقل شأنا بالمقارنة مع البترول على أساس البوليمرات التقليدية 1. على سبيل المثال، polylactide المتاحة تجاريا (جيش التحرير الشعبى الصينى) وpolyhydroxybutyrate (PHB) هي هشة وتمتلك انخفاض درجات الحرارة تشويه الحرارة. حل واحد لخلق المواد المتجددة التي تطابق أو حتى يتجاوز أداء المواد الهندسية القائمة على النفط استخداما هو أن نتعلم من الماضي؛ تستخدم هنري فورد استراتيجية مركب، أي الجمع بين البوليمرات bio-based/renewable مع التعزيز 2، لتعزيز خصائص البوليمرات المتجددة. كثيرا ما يزعم أن الألياف الطبيعية تخدم المرشح المثالي كما التعزيز بسبب تكلفتها المنخفضة، وانخفاض الكثافة، renewabiliتاي والتحلل البيولوجي 3. شهدت مركبات الألياف الطبيعية نهضة في عام 1990 كما يتضح من الزيادة المطردة في عدد المنشورات العلمية لاستعراض الأقران (الشكل 1) 4. ومع ذلك، غالبا ما يلقى باللوم طبيعة ماء من الألياف الطبيعية وخصائص مسعور معظم اللدائن الحرارية ليؤدي ذلك إلى ضعف التصاق الألياف مصفوفة 5، والذي غالبا ما يؤدي إلى أداء الميكانيكية الفقراء من الناتج مركبات البوليمر المقوى بالألياف. لحل هذا التحدي، حاول العديد من الباحثين لتعديل كيميائيا أسطح الألياف الطبيعية 6،7. وتشمل هذه التعديلات الكيميائية أستلة 8، 9 silylation البوليمر تطعيم 10، علاجات الإيزوسيانات 11،12، واستخدام وكلاء اقتران maleated 13-17، وbenzoylation 18. على الرغم من هذه العلاجات الكيميائية جعلت الألياف الطبيعية أكثر مسعور، والناتجة الطبيعية الألياف تعزيزلا يزال د البوليمرات فشلت في تحقيق من حيث الأداء الميكانيكية 19. توماسون 20 افترضنا أن هذا الفشل يمكن أن يكون نتيجة للanisotropicity ومعامل الحراري الخطي عالية من التوسع من الألياف الطبيعية. بالإضافة إلى ذلك، تعاني أيضا من الألياف الطبيعية عيوب مثل درجة الحرارة محدودة تجهيز 21، دفعة إلى دفعة تقلب 3، قوة الشد منخفضة بالمقارنة مع الألياف الاصطناعية، مثل الزجاج، أراميد أو ألياف الكربون وعدم وجود عمليات التصنيع مناسبة ل إنتاج الألياف الطبيعية ومركبات البوليمر المقوى. وبالتالي، فإن استخدام الألياف الطبيعية كتعزيز لا تكون كافية لسد الفجوة الملكية الأداء المذكورة آنفا بين المواد الخضراء والبوليمرات الذي يعتمد على النفط.

Nanocellulose هو أخضر وكيل تعزيز الناشئة. على وجه الخصوص، أنتجت nanocellulose من البكتيريا، مثل من الأنواع الخلالة 22، المعروف أيضا باسم بكتيريا cellulosيخدم الإلكترونية كبديل للاهتمام لتصميم المواد الخضراء 23 نظرا لإمكانية استغلال صلابة عالية وقوة من بلورات السليلوز 24. وقدر صلابة من الكريستال السليلوز واحدة لتكون حوالي 100-160 برنامج العمل العالمي باستخدام حيود الأشعة السينية، رامان الطيفي والمحاكاة العددية 25-27. وهذا هو أعلى من الألياف الزجاجية ~ 70 برنامج العمل العالمي، والتي هي مع ذلك أكثر كثافة. السليلوز البكتيرية (BC) هو أيضا بطبيعتها نانو الحجم التي يبلغ قطرها حوالي 50 نانومتر، وعدة ميكرومتر في الطول 28. أبلغنا طريقة لمعطف الطبيعية (السيزال والقنب) الألياف مع طبقات من قبل الميلاد زراعة الخلالة xylinius في وجود الألياف الطبيعية 5،29،30. هذا أدى إلى تحسين التصاق بينية بين PLLA والألياف الطبيعية قبل الميلاد المغلفة 29،31. من أجل تبسيط عملية طلاء هذه الألياف، لي وآخرون 31 وضعت طريقة لطلاء الطبيعية (السيزال) عالم حواءالتمرير من دون استخدام المفاعلات الحيوية. وهذا الأسلوب يستند عملية غمس الطين، حيث يتم مغمورة ألياف السيزال الجافة في تعليق قبل الميلاد. امتدادا لهذا الأسلوب هو 32 لتصفية تعليق المياه التي تحتوي على ألياف السيزال فضفاضة وBC لإنتاج ألياف السيزال التشكيل مناسبة لهياكل نموذجية مركب التصنيع.

Protocol

1. إعداد البكتيرية تعليق السليلوز-السيزال الألياف

  1. تحديد كتلة الرطب إلى الجاف قبل الميلاد عن طريق قياس كتلة الرطب من قبل الميلاد، يليه فراغ تجفيف الرطب قبل الميلاد في 80 درجة مئوية خلال الليل (O / N). مرة واحدة المجففة، وقياس كتلة جافة من ق.
  2. قياس كمية الرطب جليدة تعادل قبل الميلاد إلى 18 غرام من جاف قبل الميلاد من الكتلة الرطبة إلى الجافة محددة مسبقا من قبل الميلاد.
  3. قطع pellicles BC الرطب إلى قطع صغيرة من ~ 1-2 سم باستخدام زوج من مقص حاد. بعد القطع، نقع pellicles قبل الميلاد في 1 لتر من الماء للسماح للترطيب قطع pellicles.
  4. تغذية جليدة قطع قبل الميلاد في الخلاط وإضافة كمية مناسبة من الماء في الخلاط مثل أن عملية المزج سيسير بشكل سلس.
  5. مزج هذه pellicles قبل الميلاد لمدة 2 دقيقة.
  6. صب BC المخلوطة في وعاء 15 لتر ويضاف الماء حتى حجم المياه الكلي هو 14 L، ما يجعل منها تركيز قبل الميلاد في الماء 0.1 (ز / مل)٪ (نسبة وزنية من السليلوز البكتيرية في الامم المتحدةذلك حجم المياه). قد تحتاج pellicles قبل الميلاد ليكون الطعام في الخلاط على دفعات للمزج.
  7. قطع 72 غرام من الألياف السيزال فضفاضة (أو أي مصدر من الألياف الطبيعية قصيرة) في 1-2 سم ألياف طويلة وإضافتها إلى تعليق ق. يحرك برفق تعليق لضمان تشتت متجانسة ألياف السيزال في التعليق قبل الميلاد.
  8. نقع ألياف السيزال في هذا التعليق O / N.

2. تصنيع ألياف السيزال التشكيل

  1. فتح قالب ورقة وإغلاق صمام الصرف.
  2. ملء النظام مع الماء DI حتى يصل مستوى المياه السلك الدعم.
  3. وضع الأسلاك تشكيل 100 شبكة معدنية على السلك الدعم، تركزت في قاعدة القالب ورقة.
  4. وثيقة وتحط القالب ورقة. إضافة المياه العذبة إضافية حتى يتم المغمورة السلك تشكيل في الماء.
  5. صب أعد السيزال الألياف-BC التعليق في القالب ورقة. التحريك بلطف تعليق لضمان أن ألياف السيزال هي التوزيعية متجانسuted في جميع أنحاء العفن.
  6. فتح صمام استنزاف لاستنزاف المياه، الأمر الذي سيؤدي في تشكيل كعكة فلتر الرطب من ألياف السيزال وBC على السلك تشكيل. فورا بعد مصارف المياه، وفتح القالب ورقة وإزالة الأسلاك تشكيل.
  7. وضع الأسلاك تشكيل على قطعة من الورق النشاف. توضع أوراق النشاف إضافية على الجزء العلوي من الكعكة التصفية، تليها لوحة معدنية.
  8. الوجه كعكة فلتر حولها. مع السلك تشكيل تواجه الآن أعلى، وإزالة الأسلاك تشكيل ووضع ورق نشاف إضافية مباشرة على الجزء العلوي من الكعكة التصفية، تليها لوحة معدنية.
  9. وضع 10 كجم الوزن على الجزء العلوي من لوحة معدنية للضغط على المياه. عندما يتم استيعابه ورقة النشاف بالكامل، استبدال أوراق النشاف مع أوراق النشاف الطازجة واضغط على كعكة فلتر مرة أخرى باستخدام وزن 10 كجم.
  10. استبدال أوراق النشاف 1 مرة الأخيرة وإجراء إلحاحا النهائي من 1 طن في الصحافة الساخنة لتعزيز التشكيل الألياف.
  11. تسخين الصحافة الساخنة تصل إلى 120 درجة مئوية لمساعدة تبخر المياه المتبقية. هذا ينبغي أن يستغرق حوالي 4 ساعة. خفض درجة حرارة الصحافة الساخن لدرجة حرارة الغرفة (RT)، والسماح للالتشكيل ليبرد قبل إزالة من الصحافة الساخنة.

3. المجهر الإلكتروني (SEM) من التشكيل BC-السيزال الألياف

  1. قطع التشكيل 2 × 2 سم 2 الألياف BC-السيزال.
  2. عصا هذا الخفض على التشكيل SEM كعب باستخدام علامات التبويب الكربون.
  3. معطف العينة في تفل المغطي الكروم تعمل على 75 أمبير لمدة 1 دقيقة.
  4. صورة BC-السيزال الألياف التشكيل مع انبعاث المجال بندقية SEM في الوضع في عدسة باستخدام الطاقة شعاع من 5 كيلو فولت.
    ملاحظة: لا تحاول أن صورة التشكيل السيزال الألياف دون الإلتصاق التشكيل على كعب SEM باستخدام لاصق موصل. سيتم امتص الألياف فضفاضة بعيدا أثناء إخلاء الغرفة ووزارة شؤون المرأة وتضر بندقية الإلكترون.

4. تصنيع مركبة لاستخدام Vacuum بمساعدة الراتنج تسريب (VARI)

  1. وضع التشكيل على رأس الجانب الأدوات، والذي يتكون من السليكوون غير قابلة للاختراق المغلفة الإفراج الزجاج والنسيج.
  2. تغطية التشكيل مع مسامية السليكوون المغلفة النسيج الإفراج الزجاج، والمعروف أيضا باسم قشر رقائق، تليها المتوسطة تدفق التي يسهل اختراقها. يجب أن يكون كل من رقائق قشر والمتوسطة تدفق أكبر أن التشكيل (انظر الشكل 2 التخطيطي لعملية).
  3. وضع أنابيب أوميغا عند مدخل ومخرج الراتنج المقصود من VARI اقامة. ضمان أن يتم وضع أنابيب أوميغا على أعلى من المتوسطة تدفق مسامية تسمح لتعيين الراتنج لتوزيع ما يصل إلى VARI خلال الحقن في الوريد. يجب أن يكون طول أنابيب أوميغا واسعة مثل تدفق المتوسطة.
  4. الأشرطة الحساسة مكان الضغط حول محيط مجموعة لأعلى.
    1. ضمان الدعم ورقة من الأشرطة الضغط الحساسة لا يزال اليسار على الأشرطة عند هذه النقطة.
    2. إدراج الراتنج الأعلاف ومنفذ الأنابيب في فتحاتأنابيب أوميغا وتغطية اقامة مع فيلم التعبئة القائمة على fluoroethylene البوليمر وختم ذلك باستخدام الأشرطة الضغط الحساسة.
    3. ختم أنبوب تغذية الراتنج. وضع الطرف الآخر من منفذ أنبوب الراتنج على رأس من القماش استراحة.
  5. وضع لوحة معدنية على رأس حقيبة الداخلية حيث التشكيل الألياف، تليها قطعة من القماش استراحة. وينبغي أن يكون لوحة معدنية حجم التشكيل.
  6. تحديد موقف حيث يجب أن يكون من خلال كيس صمام الفراغ ووضع قطعة أسفل صمام على رأس من القماش استراحة.
  7. وضع الشريط تسرب فراغ حول حقيبة الداخلية ووضع الفيلم فراغ التعبئة على أعلى من ذلك وختم عليها. والفيلم فراغ التعبئة الزائدة تشكل الطيات.
  8. وضع الشريط تسرب داخل طوى لإكمال الختم.
  9. قطع صغيرة 'س' على الفيلم فراغ التعبئة حيث قطعة أسفل صمام هو والمسمار في قطعة أعلى إلى استكمال من خلال كيس صمام فراغ. فمن importaالإقليم الشمالي لتجنب التجاعيد من الفيلم فراغ التعبئة تحت قطعة أعلى لأن ذلك قد يتسبب في مسار التسرب.
  10. توصيل وتركيب الاتصال السريع وسحب فراغ. أثناء هذه العملية، يمكن نقل الفيلم فراغ التعبئة حول وضع وحيثما تكون هناك حاجة الزائدة. تحقق من وجود تسرب فراغ.
  11. إعداد الراتنج عن طريق خلط الايبوكسي وتصليب في نسبة وزن 100-19. ديغا الراتنج تحت ضغط خفض لإزالة جميع فقاعات الهواء المحبوس خلال خلط من راتنجات الايبوكسي وتصليب.
  12. مرة واحدة تعيين VARI حتى يتم تحديد أن تكون خالية من التسرب، وإطعام الراتنج عبر أنابيب متصلة أنبوب أوميغا.
  13. تأكد من أن الراتنج يتم تغذية هذه ببطء أنه لديه الوقت للتلقيح في التشكيل الألياف. السماح للراتنج لتتدفق من الراتنج أنبوب مخرج ونقع في القماش استراحة حتى يمكن ملاحظة عدم وجود فقاعات الهواء يخرج من أنبوب منفذ.
  14. ختم أنبوب مخرج والسماح للراتنج لعلاج لمدة 24 ساعة على RT، تليها مرحلة ما بعد خورينانوغرام خطوة عند 50 درجة مئوية لمدة 16 ساعة.
    ملاحظة: (1) دورة علاج والراتنج التابعة. (2) ومن المهم للغاية أن يتم تحقيق أقصى قدر من الفراغ داخل VARI إعداد وعدم وجود تسرب فراغ داخل الإعداد. تشكيل لفقراء VARI حتى (لا تحقيق أقصى قدر من فراغ أو تسرب) سيؤدي إلى داخل المسام المركبة المصنعة وانخفاض كبير في نسبة حجم الألياف داخل المركبة. (3) إن نسبة الايبوكسي إلى تصليب الراتنج التابعة. يرجى الاطلاع على ورقة بيانات المنتج من الراتنج الايبوكسي لنسبة إلى تصليب قبل الاختلاط.

Representative Results

دون الموثق قبل الميلاد، تقام على المدى القصير وألياف السيزال فضفاضة معا إلا من خلال الاحتكاك والتشابكات بين الألياف. ونتيجة لذلك، وهذا التشكيل هو فضفاض وأنه لم يكن قادرا على دعم الكثير من وزنه. ويبين الشكل 3 التشكيل ألياف السيزال دون BC كما الموثق، مع تحميل تطبيق في وضع الانحناء 3 نقطة. يمكن أن ينظر إلى التشكيل لتكون فضفاضة نوعا ما، وعندما يتم تطبيق الحمل بإضافة الماء في كوب البولي بروبلين، ويبدأ التشكيل لصرف بشدة. لتحميل تطبيق ما يعادل 40 غرام من الماء. ومع ذلك، عندما كان يستخدم 20 وزن٪ BC كما الموثق لهذه الألياف السيزال قصيرة وفضفاضة، ويتم تصنيعها من ألياف التشكيل جامدة. هذا التشكيل يمكن أن تحمل حمولة من كوب البولي بروبلين كامل (~ 170 غ) من دون أي انحراف كبير (الشكل 3).

وتظهر الميكروسكوب الإلكتروني الماسح من نموذجي BC-السيزال الألياف التشكيل في الشكل 4. يمكن أن ينظر قبل الميلاد الى أن تغطي سطحألياف السيزال. ويرجع ذلك إلى طبيعة ماء من ألياف السيزال (أو أي الألياف الطبيعية الأخرى) هذا التأثير. طبيعة ماء من ألياف السيزال تمتص الماء، الرسم في BC التي فرقت في المتوسط. منذ قبل الميلاد أكبر من المسام من الألياف الطبيعية، وأنها لم تكن قادرة على اختراق الألياف. بدلا من ذلك، كانوا تصفيتها ضد السطح من ألياف السيزال وتشكيل طبقة من الطلاء قبل الميلاد عندما تم المجففة الألياف.

يتم جدولتها أداء الميكانيكية لهذه الألياف التشكيل تحت التوتر في الجدول 1. نظرا لطبيعة مسامية من التشكيل الألياف مع مسامية ~ 70٪، وقوة الشد (الحمل في وحدة المساحة) من التشكيل ليست واضحة المعالم. وبالتالي، فإننا جدولة قوة الشد (الحمل اللازمة لتفشل العينة في وحدة العرض، والذي هو 15 ملم في تجربتنا، من المواد) ومؤشر الشد (قوة الشد لكل وحدة grammage) من العينة لدينا. قوة الشد والشد مؤشر 12.1 كيلو نيوتن · م -1 و15 N · م · ز -1 تم قياس، على التوالي، عندما كان يستخدم 20 وزن٪ BC كما الموثق. ومع ذلك، كانت خصائص الشد من التشكيل أنيق ألياف السيزال لا يمكن قياسها مثل التشكيل الألياف واهية.

أساطير الرقم:

الشكل 1
الشكل 1. عدد من المنشورات في مجال الألياف الطبيعية والمواد المركبة. وقد تم جمع البيانات من الويب المعرفة باستخدام كلمات البحث من 'أكذوبة الطبيعية *' و 'مركب *'، على التوالي. تم الحصول عليها من بسمارك وآخرون. 4 بإذن نوع من أمريكا النشر العلمي المحدودة

files/ftp_upload/51432/51432fig2.jpg "/>
الشكل 2. تخطيطي حقيبة مزدوجة فراغ بمساعدة ضخ الراتنج.

الرقم 3
الرقم 3. صور توضح الفرق في الانحناء صلابة من التشكيل ألياف السيزال دون (أعلى صورتين) ومع (أسفل صورتين) قبل الميلاد كما الموثق.

الرقم 4
. الرقم 4 الميكروسكوب الضوئي من الإلكترون نموذجية التشكيل الألياف الطبيعية باستخدام قبل الميلاد كما الموثق على مختلف تكبير الأعلى: 100X والمتوسطة: 1،000 X والقاع: 25،000 X، على التوالي. (أ) و (ب) للدلالة على الاشتراكيةسال الألياف وBC nanofibrils، على التوالي.

المواد قوة الشد (كيلو نيوتن · م -1) مؤشر الشد (N · م · ز -1)
أنيق السيزال التشكيل لا يمكن قياسها لا يمكن قياسها
BC-السيزال التشكيل 12.1 ± 2.4 15 ± 3

الجدول 1. خصائص الشد للألياف السيزال التشكيل، مع وبدون BC كما الموثق.

Discussion

أظهرنا في هذه التجربة أن ألياف السيزال فضفاضة يمكن ربط مع ق. ومع ذلك، فإن اختيار الألياف لا يقتصر على ألياف السيزال فقط. أنواع أخرى من الألياف، مثل الكتان والقنب، ويمكن أن تستخدم أيضا. بالإضافة إلى هذا، لقد أظهرنا أيضا أن دقيق الخشب، الورق المعاد تدويره، وتذويب اللب ويمكن أيضا أن تكون ملزمة في التشكيل جامدة وقوية باستخدام الموثق قبل الميلاد (النتائج لم تنشر بعد). المعيار هو أن الألياف المستخدمة يجب أن يكون ماء وتمتص الماء. كما سبق ذكره، فإن طبيعة ماء من الألياف تمتص الماء، الرسم في BC التي فرقت في المتوسط. يتم تصفية قبل الميلاد ضد السطح من هذه الألياف ماء وتشكل طبقة من الطلاء قبل الميلاد عندما تم المجففة الألياف. في حين يمكن أن تودع السليلوز البكتيرية حول الألياف الطبيعية من خلال زراعة xylinus الخلالة في وجود الألياف الطبيعية 5، 29، 30، وهذه العملية شاقة وإعادةملازم المفاعلات الحيوية مكلفة مع رقابة مشددة من درجة الحموضة ومحتوى الأكسجين المذاب. لدينا تحسين العملية، من ناحية أخرى، ويستند على طريقة صناعة الورق (أي: تفريق الألياف الطبيعية في التعليق قبل الميلاد) وليس هناك حاجة لالمفاعلات الحيوية 31.

فيما يتعلق بتطبيق الألياف الطبيعية في المواد المركبة، موجهة بشكل عشوائي غير المنسوجة (قصيرة وموجهة بشكل عشوائي) ويتم إنتاج الألياف الطبيعية من خلال التشكيل اللكم إبرة (خياطة أساسا) ألياف البوليمر (عادة البوليستر) من خلال ألياف ضغط فضفاضة 33. لجعل المركب، وألياف التشكيل ثم يتم وضعها في قالب ويملؤه الراتنج. ويمكن أيضا أن تختلط مع ألياف البوليمرات ألياف الطبيعية 34 (عادة الكتان والقنب والجوت أو) أو فرقت في تعليق الألياف الطبيعية وفراغ تصفية 35 في ارتفاع نسبة حجم البوليمر (50 المجلد٪). ثم يتم تسخين هذا البوليمر الألياف الطبيعية الألياف حصيرة (التشكيل) في وقت لاحق لإذابة البوليمر عroduce هيكل المركبة. العمليات الأخيرة لإنتاج المواد المركبة هي في جوهرها قابلة لكنها محدودة عن طريق اختيار من ألياف البوليمر (يجب إذابة البوليمر عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التحلل من الألياف) التي يمكن استخدامها لجعل التشكيل، وبالتالي نوع من المصفوفات متاحة لجعل المركبة. باستخدام طريقة لدينا، BC لا تعمل ليس فقط باعتباره الموثق، فإنه يعمل أيضا على تعزيز 32 نانو. كما سبق ذكره، وقدر معامل يونج لnanofiber BC الفردية لتكون 114 برنامج العمل العالمي. في حين ان واحد قوة الشد من الألياف قبل الميلاد غير معروف، والشد من الخشب وألياف الغلالة تتأكسد TEMPO واحدة وقد تم قياس مؤخرا استخدام الموجات فوق الصوتية التجويف المستحث 36. وقد تم قياس قوة الشد من بين 0.8-1.5 جيغا لهذه ألياف النانو واحد. هذه الخصائص الميكانيكية، جنبا إلى جنب مع إمكانية الربط من قبل الميلاد، وجعلت BC مرشح ممتاز لإنتاج الخضراء حقا وموجهة بشكل عشوائي الناطور قصيرةآل المقوى بالألياف، ومركبات المقوى السليلوز البكتيرية المتجددة مع أداء الميكانيكية التي يتجاوز البوليمرات المقوى بالألياف التقليدية.

في فترة من تصنيع المركبة، عملية التصنيع لدينا المفضل هو مناقشة فراغ بمساعدة حقيبة مزدوجة الراتنج التسريب (DBVI) التي وضعتها والدروب وآخرون 37 وخلافا لأكثر تقليدية حقيبة واحدة فراغ بمساعدة الراتنج التسريب (المعروف أيضا باسم عملية سيمان 38)، DBVI توظف اثنين من أكياس فراغ مستقلة أثناء عملية ضخ (انظر الشكل 2). في حين أن عملية سيمان ستعمل لتصنيع المواد المركبة، وهذه العملية قد يعانون من حقيبة فراغ الاسترخاء وراء الجبهة تدفق الراتنج. عندما يحدث هذا، فإن المنطقة التي يحدث فيها استرخاء ويشعر لينة وإسفنجية. سوف الاسترخاء حقيبة فراغ يؤدي إلى حقيبة فراغ الابتعاد عن تدفق المتوسطة بسبب تدفق تفضيلية من الراتنج السائل في الطريق الأقل مقاومة. Tله سوف يتسبب في المركبة المصنعة لديك كسور حجم الألياف غير موحدة (أي منطقة استرخاء سوف يكون لها جزء حجم الألياف أقل من منطقة غير مريح من حقيبة فراغ). DBVI لا يعانون من هذا العيب، وحقيبة فراغ الداخلي يرتاح أبدا وراء الجبهة تدفق الراتنج السائل. ونتيجة لذلك، فإن الألواح المركبة مما أدى لديهم أعلى من متوسط ​​نسبة حجم الألياف وسمك أكثر اتساقا. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام حقيبة فراغ الخارجي يوفر التكرار للنظام ويحسن سلامة الفراغ من عملية ضخ السائل.

Disclosures

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

فإن الكتاب أود أن أشكر جامعة فيينا لدعم كايل ومجلس بحوث الهندسة والعلوم الفيزيائية المملكة المتحدة (EPSRC) للصندوق على المتابعة لتمويل SRS والعمل (EP/J013390/1).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bacterial cellulose fzmb 9004-34-6 The CAS number is based on the CAS number for cellulose
Sisal fibers Wigglesworth Co. Ltd, UK The type of fibers can be substituted with any type of natural fibers
Prime 20 ULV SP Gurit The type of resin can be substituted with any type of liquid resin designed for vacuum assisted resin infusion
Formax standard sheet mould Adirondack Machine Corporation This piece of equipment could be replaced with a Büchner funnel.
Vacuum pump Edwards, UK XDS 5
Hot plate Wenesco Inc, USA HP 1836-AH
Porous PTFE coated glass release fabric Tygavac Advaced Materials Ltd, UK TFG075P
Omega tubes Tygavac Advaced Materials Ltd, UK Omegaflow 313
Breather cloth EasyComposites Ltd, UK
Pressure sensitive tapes Aerovac, UK SM5127
Vacuum bagging film (FEP) Tygavac Advaced Materials Ltd, UK RF260
Vacuum bagging film (Nylon) Aerovac, UK Capran 519

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 87، السليلوز البكتيرية، والألياف الطبيعية، التشكيل، والفراغ بمساعدة الراتنج التسريب، المركبة الهرمية، الموثق
صناعة قوية التشكيل الاستفادة من الألياف الطبيعية السليلوز البكتيرية كما بيندر
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lee, K. Y., Shamsuddin, S. R.,… More

Lee, K. Y., Shamsuddin, S. R., Fortea-Verdejo, M., Bismarck, A. Manufacturing Of Robust Natural Fiber Preforms Utilizing Bacterial Cellulose as Binder. J. Vis. Exp. (87), e51432, doi:10.3791/51432 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter