Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

ייצור של תבניות ייצרו מראש חזקות סיבים טבעיים ניצול קטריאלי תאית כמו בינדר

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

אנו מציגים שיטה חדשה לייצור מפוליאטילן סיבים טבעיים קצר נוקשה וחזק באמצעות תהליך יצירת נייר. תאית חיידקים פועלת בו זמנית כקלסר לסיבים הרופפים ומספקת קשיחות למפוליאטילן הסיבים. יכול להיות חדור מפוליאטילן אלה עם שרף לייצר חומרים מרוכבים היררכיים באמת ירוקים.

Abstract

שיטה חדשה לייצור מפוליאטילן סיבים טבעיים נוקשה וחזק מוצגת כאן. שיטה זו מבוססת על תהליך יצירת נייר, לפיה סיבי סיסל רופפים וקצרים הם התפזרו לתוך השעיה מים המכילה תאית חיידקים. הסיבים והשעית nanocellulose מכן מסונן (באמצעות ואקום או כוח משיכה) ועוגת הסינון הרטובה לחצה לסחוט את עודפי מים, ואחרי שלב ייבוש. זה יגרום hornification של רשת תאית חיידקים, מחזיק את הסיבים טבעיים הרופפים יחד.

השיטה שלנו מתאימה במיוחד לייצור של תבניות ייצרו מראש נוקשה וחזקים של סיבים הידרופילי. הטבע הנקבובי והידרופילי, סיבים כאלה תוצאות בספיגת מים משמעותיות, ציור בתאית החיידקים המפוזרים בהשעיה. תאית החיידקים לאחר מכן ניתן תהיה מסוננת נגד פני השטח של סיבים אלה, ויוצר ציפוי תאית חיידקים. כאשר תא הסיבים בקטריאלי הרופףההשעיה ulose מסוננת ומיובשת, תאית חיידקים הסמוכים יוצר רשת וhornified להחזיק את הסיבים אחרים הרופפים יחד.

המבוא של תאית חיידקים לתוך preform הביא לעלייה משמעותית של התכונות מכאניות של מפוליאטילן הסיבים. זו ניתן לייחס לקשיחות הגבוהה והכוח של רשת תאית חיידקים. עם preform זה, יכול גם להיות מיוצרים חומרים מרוכבים היררכיים גבוהים ביצועים מתחדשים על ידי שימוש בשיטות ייצור מורכב קונבנציונליות, כגון עירוי שרף סרט (RFI) או דפוס העברת שרף (RTM). הנה, אנחנו גם לתאר את הייצור של חומרים מרוכבים היררכיים מתחדשים באמצעות ואקום שקית כפול סייע עירוי שרף.

Introduction

מחירי נפט עולה בהתמדה והביקוש הגובר של הציבור לעתיד בר קיימא עוררו והחיו את המחקר ופיתוח של חומרים ירוקים, בעיקר פולימרים וחומרים מרוכבים. למרבה הצער, הביצועים מכניים תרמו פולימרים ירוקים או מתחדשים לעתים קרובות נחותים בהשוואה לפולימרים מבוססות נפט מסורתי 1. לדוגמא, polylactide זמין מסחרי (PLA) וpolyhydroxybutyrate (PHB) הם שבירים ובעל טמפרטורות עיוות חום נמוכות. פתרון אחד של יצירת חומרים מתחדשים התואמים או אפילו עולים על הביצועים של הנדסת חומרים מבוסס נפט נפוץ הוא ללמוד מהעבר; הנרי פורד השתמש באסטרטגיה מורכבת, כלומר שילוב של הפולימרים bio-based/renewable עם חיזוק 2, כדי לשפר את התכונות של פולימרים ממקורות מתחדשים. הוא טען כי לעתים קרובות סיבים טבעיים ישמשו מועמד אידיאלי כמו חיזוק בגלל עלותם הנמוכה, הצפיפות נמוכה, renewability ופריקות ביולוגיים 3. סיבים מרוכבים טבעיים ראה רנסנס ב1990 כפי שניתן לראות בגידול מעריכי במספר הפרסומים מדעיים ביקורת עמיתים (איור 1) 4. עם זאת, האופי הידרופילי של סיבים טבעיים ומאפיינים הידרופובי של רוב תרמופלסטיים מואשם לעתים קרובות כדי לגרום להידבקות עני סיבי מטריצה ​​5, אשר לעתים קרובות תוצאות ביצועים מכאניים ירודים של פולימרים מרוכבים מחוזק בסיבים וכתוצאה מכך. כדי לפתור את האתגר הזה, חוקרים רבים ניסו לשנות כימי המשטחים של סיבים טבעיים 6,7. שינויים הכימיים אלה כוללים acetylation 8, silylation 9, פולימר השתלת 10, טיפולי איזוציאניד 11,12, שימוש בסוכני צימוד maleated 13-17, וbenzoylation 18. למרות טיפולים הכימיים אלה שניתנו סיבים טבעיים הידרופובי יותר, וכתוצאה מכך טבעיים סיבים לחזקפולימרים ד עדיין לא הצליחו לספק במונחים של ביצועים מכאניים 19. תומאסון 20 שיערו כי כישלון זה יכול להיות תוצאה של anisotropicity ומקדם תרמית ליניארית הגבוהה של התרחבות של סיבים טבעיים. בנוסף לכך, סיבים טבעיים סובלים גם מחסרונות כגון טמפרטורה מוגבלת עיבוד 21, השתנות אצווה כדי אצווה 3, חוזק מתיחה נמוך בהשוואה לסיבים סינטטיים, כגון זכוכית, aramid או סיבי פחם וחוסר תהליכי ייצור המתאימים ל לייצר סיבים טבעיים מחוזקים פולימרים מרוכבים. כך, באמצעות סיבים טבעיים כחיזוק לא יהיה מספיק כדי לסגור את פער רכוש ביצועים הנ"ל בין חומרים ירוקים ופולימרים מבוססי נפט.

Nanocellulose הוא סוכן חיזוק ירוק מתעוררים. בפרט, המיוצר על ידי חיידקי nanocellulose, כגון ממיני Acetobacter 22, הידוע גם cellulos חיידקיםדואר משמש כאלטרנטיבה מעניינת לעיצוב של חומרים ירוקים 23 בשל האפשרות של ניצול הגבוהה החוזק והקשיחות של גבישים תאית 24. הנוקשות של גביש תאית יחיד היו מוערכת להיות כ 100-160-GPA באמצעות דיפרקציה רנטגן, ספקטרוסקופיית ראמאן וסימולציות נומריות 25-27. זה גבוה מסיבי זכוכית ~ 70 GPA, אשר עם זאת צפופים הרבה יותר. תאית חיידקים (BC) היא גם מטבעו בגודל ננו בקוטר של כ 50 ננומטר וכמה מיקרומטרים באורך 28. דיווחנו שיטה לסיבי מעיל טבעיים (סיסל וקנבוס) עם שכבות של לפנה"ס על ידי culturing xylinius Acetobacter בנוכחות של סיבים טבעיים 5,29,30. זה הוביל להידבקות interfacial השתפרה בין PLLA וסיבים טבעיים מצופים-BC 29,31. על מנת לפשט את התהליך של ציפוי סיבים אלה, לי אח'. 31 בפתח שיטה לציפוי Fibe הטבעי (סיסל)rs ללא השימוש בbioreactors. שיטה זו תהליך טבילת slurry, המבוססת לפיה סיבי סיסל יבשים שקועים לתוך השעיה לפני הספירה. הרחבה של שיטה זו 32 היא לסנן ההשעיה המים המכילה סיבים רופפים סיסל ולפני הספירה לייצר מפוליאטילן סיסל הסיבים המתאים לייצור מבנים מרוכבים טיפוסי.

Protocol

1. הכנת ההשעיה סיבי צלולוזה-סיסל בקטריאלי

  1. לקבוע את המסה רטובה ליבשים של BC על ידי מדידת המסה הרטובה של BC, ואחרי ייבוש ואקום של BC הרטוב ב80 מעלות צלזיוס למשך הלילה (O / N). ברגע שמיובש, למדוד את המסה היבשה של BC.
  2. למדוד את כמות שווה הערך קרומי לפנה"ס רטוב ל18 גרם של לפנה"ס יבשים מהמסה רטובה ליבשים שנקבעה מראש של BC.
  3. חותכים את pellicles לפנה"ס הרטוב לחתיכות קטנות של סנטימטר ~ 1-2 באמצעות מספריים חדים. לאחר החיתוך, להשרות את pellicles לפני הספירה ב1 ליטר של מים כדי לאפשר ללחות של pellicles לחתוך.
  4. Feed הקרומי לפנה"ס לחתוך לתוך בלנדר ולהוסיף כמות מתאימה של מים לתוך הבלנדר כזה שתהליך המיזוג ילך בצורה חלקה.
  5. ערבב pellicles לפנה"ס אלה למשך 2 דקות.
  6. יוצקים את תערובת אחידה לפני הספירה לתוך מיכל 15 L ומוסיף מים עד לסך נפח המים הוא 14 L, מה שהופך את ריכוז לפני הספירה במים של .0.1% (ג / מיליליטר) (מסת אחוז תאית חיידקים לבלתיזה נפח מים). Pellicles לפנה"ס אולי צריך להיות מוזן לתוך הבלנדר בקבוצות למיזוג.
  7. חותכים 72 גרם של סיבים רופפים סיסל (או כל מקור של סיבים טבעיים קצרים) ל1-2 סיבים ארוכים סנטימטר ולהוסיף אותם להשעיה לפני הספירה. בעדינות מערבב את ההשעיה על מנת להבטיח פיזור אחיד של סיבי סיסל בהשעיה לפני הספירה.
  8. משרים את סיבי סיסל בO / נ השעיה זו

2. ייצור של סיסל סיבי Preform

  1. עובש פתוח גיליון ולסגור את ברז הניקוז.
  2. למלא את המערכת עם מים די עד שמפלס המים מגיע לחוט הגיבוי.
  3. הנח חוט 100 מתכת הרשת להרכיב על חוט הגיבוי, מרוכז בתוך בסיס עובש הגיליון.
  4. סגור ובריח עובש הגיליון. מוסיף מים טריים נוספים עד החוט להרכיב הוא שקוע במים.
  5. יוצקים את ההשעיה סיבים-BC סיסל מוכן לתוך תבנית הגיליון. בעדינות תוך ערבוב ההשעיה על מנת להבטיח כי סיבי סיסל הם מחלקות בעלות homogenouslyuted ברחבי העובש.
  6. פתח את שסתום הניקוז כדי לנקז את המים, מה שיגרום להיווצרות של עוגת סינון רטובה של סיבי סיסל ולפני הספירה על החוט ויוצרים. מייד לאחר ניקוז המים, לפתוח את תבנית הגיליון ולהסיר את החוט להרכיב.
  7. מניחים את החוט להרכיב על פיסת נייר סופג. ניירות סופג נוספים ממוקמים בחלק העליון של עוגת הסינון, ואחריו לוחית מתכת.
  8. להעיף את עוגת הסינון בסביבה. עם החוט להרכיב כעת מול הראש, להסיר את החוט להרכיב ולמקם את נייר סופג נוסף ישירות על גבי עוגת הסינון, ואחריו לוחית מתכת.
  9. הנח משקל 10 קילוגרם על גבי לוחית המתכת ללחוץ את המים. כאשר הנייר הסופג ספוג באופן מלא, החלף את הניירות הסופג עם ניירות סופג טריים ולחץ על עוגת הסינון שוב באמצעות משקל של 10 קילוגרם.
  10. החלף את הניירות הסופג 1 בפעם אחרונה ולבצע סופי דחוף של 1 טון בעיתונות חמה לאחד את preform הסיבים.
  11. מחממים את העיתונות החמה עד 120 מעלות צלזיוס כדי לסייע לאידוי של מים שיורית. זה אמור לקחת כ 4 שעות. מנמיך את הטמפרטורה של העיתונות החמה לטמפרטורת חדר (RT) ולאפשר preform להתקרר לפני ההסרה מהעיתונות החמה.

3. סריקה מיקרוסקופית אלקטרונים (SEM) של Preform סיבי BC-סיסל

  1. חותכים preform 2 × 2 סנטימטר 2 סיבי BC-סיסל.
  2. היצמד preform הקיצוץ הזה על בדל SEM באמצעות כרטיסיות פחמן.
  3. מעיל המדגם בcoater גמגום Cr פועל ב75 mA דקות 1.
  4. תמונת preform BC-סיסל הסיבים עם פליטת שדה האקדח SEM במצב בעדשה באמצעות אנרגיית קורה של 5 וולט.
    הערה: אל תנסו תמונה preform סיסל הסיבים ללא הדבקת preform על בדל SEM באמצעות דבק מוליך. הסיבים הרופפים יהיו נשאבו משם בעת הפינוי של חדר SEM ולפגוע בתותח האלקטרונים.

4. Composite ייצור באמצעות Vacuum עירוי שרף Assisted (Vari ב)

  1. הנח את preform על גבי הצד נוסע, אשר מורכב מבד שחרור זכוכית PTFE אינו נקבובי מצופה.
  2. כסה preform עם בד נקבובי PTFE מצופה שחרור זכוכית, הידוע גם ברובדי לקלף, ואחרי זרימה בינונית נקבובית. שני רובדי לקלף והזרימה בינונית צריכים להיות גדולים יותר, כי preform (ראה איור 2 לסכמטי תהליך).
  3. מקם את צינורות אומגה בכניסה המיועד של השרף ולשקע של Vari להגדיר. ודא שצינורות אומגה ממוקמים בחלק העליון של הזרימה בינונית הנקבובי כדי לאפשר השרף להפיץ לVari בהוקם במהלך עירוי. האורך של צינורות אומגה צריך להיות רחב כמו הזרימה בינונית.
  4. קלטות רגישות ללחץ מתרחש סביב הפריפריה של הקבוצה למעלה.
    1. ודא שנייר הגיבוי של הקלטות רגישות ללחץ עדיין נותר על הקלטות בשלב זה.
    2. הכנס את צינורות הזנה ולשקע שרף לתוך הפתחיםצינורות אומגה ולכסות להגדיר עם סרט לצוד מבוסס פולימר fluoroethylene ולאטום אותו באמצעות קלטות רגישות ללחץ.
    3. לאטום את צינור הזנת השרף. מקם את הקצה השני של הצינור לשקע שרף על גבי בד מנוחה קצרה.
  5. מניחים צלחת מתכת על גבי השקית הפנימית שבו preform הסיבים הוא, ואחריו פיסת בד מנוחה קצרה. לוחית המתכת צריכה להיות בגודל של preform.
  6. זהה את המצב שבו שסתום ואקום השקית באמצעות צריך להיות ולמקם את החתיכה של השסתום התחתונה על גבי בד מנוחה קצרה.
  7. הנח את קלטת איטום הוואקום מסביב לשקית הפנימית ולמקם את סרט לצוד ואקום על גבי זה ולאטום אותו. הסרט לצוד ואקום העודף יהווה קפלים.
  8. הנח את קלטת איטום בתוך חריץ כדי להשלים את החותם.
  9. לחתוך קטן "x" על הסרט לצוד ואקום שבו פיסה של השסתום התחתון היא הבורג בחלק העליון, כדי להשלים את דרך שסתום ואקום שקית. זה importaNT, כדי למנוע קמטים של הסרט לצוד ואקום מתחת לפיסה העליונה כמו זה יכול לגרום לנתיב דליפה.
  10. חבר את הולם בחיבור מהיר ולמשוך ואקום. במהלך תהליך זה, הסרט לצוד ואקום ניתן להזזה והמקום שבו יש צורך בעודף. בדקו דליפות ואקום.
  11. הכן את השרף על ידי הערבוב של אפוקסי והמקשה על יחס משקל של 100-19. דגה השרף בלחץ מופחת כדי להסיר את כל בועות האוויר שנלכדו במהלך הערבוב של שרף אפוקסי ומקשה.
  12. ברגע שVari בהקים נקבע להיות ללא דליפה, להאכיל את השרף באמצעות הצינור המחובר לצינור אומגה.
  13. ודא שהשרף מוזן כזה לאט כי יש לו זמן כדי להספיג לתוך preform הסיבים. לאפשר השרף לזרום החוצה מהצינור לשקע השרף ולספוג לתוך הבד מנשים עד ניתן להבחין אין בועות אוויר שיוצאות מצינור היציאה.
  14. לאטום את הצינור לשקע ולאפשר את השרף כדי לרפא ל24 שעות ב RT, ואחריו פוסט Curing צעד ב50 מעלות צלזיוס במשך 16 שעות.
    הערה: (1) מחזור הריפוי הוא שרף תלוי. (2) חשוב מאוד שואקום מרבי מושגת בתוך Vari בהקמה ואין דליפת ואקום בתוך להגדיר. Vari בעניים להגדיר (לא משיג את הוואקום מרבי או דליפה) יגרמו נקבוביות בתוך חומרים מרוכבים מיוצרים ושבריר סיבי נפח מופחת באופן משמעותי בחומרים מרוכבים. (3) יחס אפוקסי למקשה הוא שרף תלוי. אנא בדוק את גליון הנתונים של המוצר של השרף ליחס אפוקסי למקשה לפני הערבוב.

Representative Results

ללא קלסר לפנה"ס, סיבי סיסל קצרים, רופפים מוחזקים יחד רק על ידי חיכוך והסתבכויות בין הסיבים. כתוצאה מכך, preform זה הוא רופף וזה לא היה מסוגל לתמוך במשקל רב. איור 3 מציג את preform סיסל הסיבים ללא לפנה"ס כקלסר, עם מיושם במצב כיפוף 3 נקודות עומס. Preform ניתן לראות להיות ולא רופפים וכאשר עומס מיושם על ידי הוספת מים לתוך כוס פוליפרופילן, preform מתחיל להסיט באופן חמור. העומס המופעל הוא שווה ערך ל40 גרם של מים. עם זאת, כאשר 20 לפנה"ס WT.% שימש את הקלסר לסיבי סיסל קצרים ורופפים אלה, preform סיבים נוקשה מיוצר. preform זה יכול לעמוד בעומס של כוס פוליפרופילן מלאה (~ g 170) ללא כל סטיה משמעותית (איור 3).

micrographs אלקטרונים סורק של preform סיבי BC-סיסל טיפוסי מוצג באיור 4. ניתן לראות לפני הספירה שמכסה את פני השטח שלסיבי סיסל. השפעה זו נובעת מהאופי הידרופילי של סיבי סיסל (או כל סיבים טבעיים אחרים). האופי הידרופילי של סיבי סיסל סופג מים, ציור בלפנה"ס שמפוזר בטווח הבינוני. מאז לפנה"ס הוא גדול יותר מאשר הנקבוביות של סיבים טבעיים, הם לא היו מסוגלים לחדור אל תוך הסיבים. במקום זאת, הם סוננו נגד פני השטח של סיבי סיסל וליצור שכבה של ציפוי לפני הספירה, כאשר הסיבים היו יבשים.

הביצועים מכאניים של מפוליאטילן הסיבים אלה תחת המתח נספרו בטבלה 1. בשל האופי הנקבובי של מפוליאטילן הסיבים עם נקבוביות של ~ 70%, חוזק המתיחה (עומס ליחידת שטח) של preform אינו מוגדר היטב. לכן, אנו בטבלה את כוח המתיחה (העומס הנדרש להיכשל את הדגימה לרוחב יחידה, שהוא 15 מ"מ בניסוי שלנו, של החומר) ומדד המתיחה (כוח מתיחה לgrammage יחידה) של הדגימה שלנו. מדד כוח המתיחה ומתיחה של 12.1 kN · מ -1 ו15 N · m · g -1 נמדד, בהתאמה, כאשר 20 WT. לפנה"ס% שימש את הקלסר. עם זאת, מאפייני המתיחה של מפוליאטילן סיסל סיבים המסודר לא היו למדידה כpreform הסיבים הוא רופף.

אגדות איור:

איור 1
איור 1. מספר הפרסומים בתחום סיבים וחומרים מרוכבים טבעיים. הנתונים נאספו מהאינטרנט של ידע באמצעות חיפוש מילות מפתח של 'לבלף טבעי *' ו '* מרוכבים ", בהתאמה. מתקבל ביסמרק ואח'. 4 עם אישור סוג של סיינטיפיק אמריקן ההוצאה לאור בע"מ

files/ftp_upload/51432/51432fig2.jpg "/>
איור 2. סכמטי של עירוי שרף סייע ואקום כפול תיק.

איור 3
איור 3. תמונות הממחישות את ההבדל בכיפוף נוקשות של מפוליאטילן סיסל סיבים בלי (שתי תמונות למעלה) ועם (שתי תמונות תחתונה) לפני הספירה כקלסר.

איור 4
.. איור 4 micrographs אלקטרונים הסורק של preform סיבים טבעיים טיפוסי באמצעות לפנה"ס כקלסר בהגדלות שונות למעלה: 100X, באמצע: 1,000 X ותחתון: 25,000 X, בהתאמה. (א) ו (ב) נסמן את sinanofibrils סיבי סאל ולפני הספירה, בהתאמה.

חומרים כוח מתיחה (kN · -1 מ ') מדד מתיחה (N · m · g -1)
preform סיסל המסודר לא מדיד לא מדיד
preform BC-סיסל 12.1 ± 2.4 15 ± 3

טבלת 1. מאפייני מתיחה של מפוליאטילן סיסל הסיבים, עם ובלי לפנה"ס כקלסר.

Discussion

הראינו בניסוי הזה שיכול להיות מחויב סיבי סיסל רופפים עם לפנה"ס. עם זאת, הבחירה של סיבים אינה מוגבלת לסיבים רק סיסל. סוגים אחרים של סיבים, כמו פשתן וקנבוס, יכולים לשמש גם. בנוסף לכך, יש לנו גם הראה כי קמח עץ, נייר ממוחזר, והמסת עיסה יכול גם להיות מחויב למפוליאטילן הנוקשה וחזק באמצעות קלסר לפנה"ס (תוצאות לא פורסם עדיין). הקריטריון הוא שהסיבים בשימוש צריכים להיות הידרופילי ולספוג מים. כאמור לעיל, האופי הידרופילי של הסיבים יספוג מים, ציור בלפנה"ס שמפוזר בטווח הבינוני. לפני הספירה מסוננת נגד פני השטח של סיבים הידרופילי אלה ויוצרת שכבה של ציפוי לפני הספירה, כאשר הסיבים היו יבשים. תוך תאית חיידקים ניתן להפקיד סביב סיבים טבעיים על ידי culturing xylinus Acetobacter בנוכחות של סיבים טבעיים 5, 29, 30, תהליך זה הוא מייגע ומחדשquires bioreactors יקרה עם פיקוח הדוק של ה-pH ותכולת חמצן מומס. התהליך המשופר שלנו, לעומת זאת, מבוסס על שיטת ייצור נייר (כלומר: פיזור סיבים טבעיים בהשעיה לפני הספירה), ואין צורך בbioreactors יום 31.

בכל הקשור ליישום של סיבים טבעיים בחומרים מרוכבים, באופן אקראי בכיוון הלא ארוגים (קצר וכיוון אקראי) מפוליאטילן סיבים טבעיים המיוצרים על ידי ניקוב מחט (למעשה תפרים) סיבים פולימריים (בדרך כלל פוליאסטר) דרך סיבים דחוסים רופפים 33. כדי להפוך מורכב, מפוליאטילן הסיבים לאחר מכן הניח בתבנית ורווי שרף. יכולים גם להיות מעורבבים סיבי פולימרים עם סיבים טבעיים 34 (בדרך כלל פשתן, קנבוס, או יוטה) או מפוזרת בהשעית סיבים טבעיים ואבק מסונן 35 בשבריר פולימר בנפח גבוה (50 כרך.%). מחצלת זה פולימר סיבים טבעיים סיבים (preform) לאחר מכן חוממה לאחר מכן כדי להמס את הפולימר לעמroduce מבנה מורכב. התהליכים האחרונים של הפקת חומרים מרוכבים הם מיסוד מדרגי אך מוגבלים על ידי הבחירה של סיבי פולימר (הפולימר צריך להמס בטמפרטורות נמוכות מטמפרטורת הפירוק של הסיבים) שיכול לשמש להכנת תבניות ייצרו מראש, ולכן הסוג של מטריצות זמינות כדי להפוך את חומרים מרוכבים. השימוש בשיטה שלנו, BC לא רק לפעול כמו בקלסר, היא פועלת גם כ32 ננו חיזוק. כאמור לעיל, מודול יאנג של nanofiber לפנה"ס בודד היה מוערך להיות 114 GPA. בעוד חוזק המתיחה סיב הבודד של BC אינו ידוע, חוזק המתיחה של סיבי עץ וtunicate חמצון TEMPO אחת כבר נמדד לאחרונה באמצעות cavitation המושרה קולי 36. חוזק מתיחה של בין 0.8-1.5-GPA נמדד לnanofibers הבודד אלה. תכונות מכאניות אלה, יחד עם הפוטנציאל המחייב של לפני הספירה, שנעשו לפני הספירה מועמד מצוין לייצר נאטור הקצר באמת ירוק וכיוון אקראי, מרוכבים אל מחוזקים בסיבי חיידקים מחוזקים תאית מתחדשים עם ביצועים מכאניים העולים על פולימרים מחוזקים בסיבים קונבנציונליים.

בטווח של ייצור מורכב, תהליך הייצור העדיף שלנו הוא העירוי דן שקית כפולה הוואקום סייע שרף (DBVI) שפותח על ידי Waldrop et al. 37 שלא כמו העירוי הקונבנציונלי יותר שקית אחת הוואקום סייע שרף (הידוע גם בתהליך Seemann 38), DBVI מעסיק שתי שקיות ואקום עצמאיות במהלך תהליך העירוי (ראה איור 2). בעוד תהליך Seemann יעבוד עבור מרוכבים ייצור, תהליך זה עלול לסבול מרגיעת שקית ואקום מאחורי הזרימה הקדמית של השרף. כאשר זה קורה, האזור שבו מתרחשת הרפיה ירגיש רך וספוגי. ההרפיה שקית הוואקום תגרום לשקית הוואקום מתרחקת הזרימה בינונית בשל הזרימה מועדפת של שרף נוזלי בדרך ההתנגדות קלה. Tשלו יגרום לחומרים מרוכבים מיוצרים יש שברים סיבי נפח לא אחידים (האזור רגוע יהיה לי כלומר שבריר סיבים נמוכים יותר נפח מאשר האזור שאינו רגוע משקית הוואקום). DBVI אינו סובל מחסרון זה, כשקית ואקום הפנימית לא מרגיעה מאחורי הזרימה הקדמית של השרף הנוזלי. כתוצאה מכך, לוחות מרוכבים וכתוצאה מכך יהיו לי גבוהים יותר משבריר סיבי היקף ממוצע ועובי אחיד יותר. יתר על כן, השימוש בשקית הוואקום החיצוני מספקת יתירות למערכת ומשפרת את שלמות הוואקום של תהליך עירוי הנוזלים.

Disclosures

יש המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות לאוניברסיטת וינה לתמיכה KYL והמועצה הבריטית להנדסה ולמדעים פיסיקליים המחקר (EPSRC) לקרן המשך למימון SRS והעבודה (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

הנדסת ביוטכנולוגיה גיליון 87 תאית חיידקים סיבים טבעיים preform עירוי שרף ואקום סייע מרוכבים היררכיים קלסר
ייצור של תבניות ייצרו מראש חזקות סיבים טבעיים ניצול קטריאלי תאית כמו בינדר
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