Das entwürdigte verdichtete Holz stellt ein neues vielversprechendes Leicht-, Hochleistungs- und biobasiertes Material dar, das in Zukunft naturfaserverstärkte oder glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe teilweise ersetzen kann. Wir stellen hier zwei vielseitige Fertigungswege vor und zeigen die Möglichkeit, komplexe Verbundteile zu erstellen.
Entwürdigtes verdichtetes Holz ist ein neues vielversprechendes und nachhaltiges Material, das aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften das Potenzial besitzt, synthetische Materialien wie glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe zu ersetzen. Das entwürdigte Holz ist jedoch in einem nassen Zustand eher zerbrechlich, was die Handhabung und Gestaltung schwierig macht. Hier stellen wir zwei Herstellungsverfahren vor, die geschlossene Verdichtung und die Vakuumverdichtung, um Hochleistungs-Zellulose-Verbundwerkstoffe auf Basis von unwürdigem Holz zu erzeugen, einschließlich einer Bewertung ihrer Vorteile und Grenzen. Darüber hinaus schlagen wir Strategien vor, wie die Verbundwerkstoffe am Ende des Lebenszyklus wiederverwendet oder zersetzt werden können. Die geschlossene Verdichtung hat den Vorteil, dass keine aufwendige Laborausrüstung benötigt wird. Zur Verdichtung können einfache Schraubklemmen oder eine Presse verwendet werden. Wir empfehlen diese Methode für Kleinteile mit einfachen Geometrien und großen Krümmungsradien. Die Vakuumverdichtung in einem offenen Werkzeugverfahren eignet sich für größere Objekte und komplexe Geometrien, einschließlich kleiner Krümmungsradien. Im Vergleich zum geschlossenen Werkzeugverfahren benötigt der Freiformvakuumansatz nur die Herstellung einer einzigen Formhöhle.
Die Entwicklung neuartiger Naturfaser-Verbundwerkstoffe mit überlegenen mechanischen Eigenschaften stellt eine der Hauptaufgaben in der Materialwissenschaft dar, da sie nachhaltige Alternativen für aktuelle synthetische Systeme wie Glasfaserverbundwerkstoffe1,2,3sein können. Neben traditionellen NF-Verbundwerkstoffen (Flachs, Hanf, Kenaf, etc.)4,5, hat die Verdichtung von Holz nach teilweiser oder vollständiger Entfernung von Matrixkomponenten in den letzten Jahren zunehmend Aufmerksamkeit erhalten6,7,8,9,10,11. Der Top-down-Fertigungsweg, der auf der Entgiftung von Schüttholz und anschließender Verdichtung beruht, steht konzeptionell im Gegensatz zu eher komplexen Bottom-up-Prozessen für Zellstoff- und Gülleprodukte12. Bei Produkten auf Zellstoff- und Güllebasis wird die vorteilhafte Holzfaserausrichtung nicht beibehalten, da dabei Fasern getrennt werden. Im Gegensatz dazu überträgt strukturerhaltendes, entwürdigendes Holz, das in einem Top-Down-Verfahren gewonnen wird, die anspruchsvolle Architektur mit ausgerichteten Zellulosefasern in das neue Material. Um die Verdichtung von entzündlichem Holz ohne Faserausrichtungsverzerrungen zu erreichen, müssen neue Verarbeitungswege entwickelt werden.
Die direkte Verdichtung von wassergesättigten holzgesättigten Holzproben führt zu einem begrenzten Verdichtungsgrad, Rissen und Faserausrichtungsverzerrungen aufgrund des nassprobeninhärenten freien Wassers, das während der Verdichtung einen Gegendruck erzeugt. Aktuelle Lösungen zur Vermeidung von strukturellen Integritätsverlusten bei der Verdichtung umfassen die Nutzung von teilweise entwürdigtem Holz, gefolgt von Hochtemperaturverdichtung9 oder Vortrocknung von entwürdigtem Holz vor der Verdichtung6. Beide Methoden verbessern die Konnektivität zwischen benachbarten Zellen, entweder aufgrund des verbleibenden Lignins, das als Kleber fungiert, oder aufgrund der freien Wasserentnahme zwischen den Zellen.
In beiden Fällen tritt eine verminderte Formbarkeit auf, die Entwurfsanwendungen einschränkt. die erforderliche Probenvorkonditionierung führt auch zu längeren Bearbeitungszeiten. Daher ist ein schneller und skalierbarer Prozess notwendig, der Formgebung und Verdichtung in einem einzigen Schritt kombiniert.
In diesem Zusammenhang stellen wir hier die offene/geschlossene Verdichtung und Vakuumverarbeitung von entwürdigtem Holz als Methoden zur Kombination von Formgebung, Verdichtung und Trocknung in einem einfachen und skalierbaren Ansatz vor. Abbildung 1 zeigt entwürdigte verdichtete Holz-Verbundteile, die mit den in dieser Arbeit beschriebenen Techniken gewonnen wurden.
Abbildung 1: Beispiele für entwürdigte verdichtete Holzverbundteile. (A) Türverkleidung, (B) Seitenspiegel, (C) Türgriff eines Autos, (D) Orthese, (E) geschnittener offener Helm und (F) Tachometerabdeckung eines Autos. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Wir präsentieren vielseitige Fertigungstechniken, um hochleistungsfähige, entwürdigte Holzverbundwerkstoffe zu erhalten und mögliche Wiederverwendungs- und Recyclingstrategien vorzuschlagen. Geschlossene Formbearbeitung Voraussetzungen Vorkonditionierung des Materials, da es nicht in wassergesättigtem Zustand verarbeitet werden kann. Die Verwendung eines geschlossenen Formprozesses könnte jedoch die Methode der Wahl sein, insbesondere wenn z.B. kein Vakuum-Setup verfügbar ist oder eine schöne (glatte) Oberflächenveredelung auf beiden Seiten gewünscht wird.
Die vakuumfreie Verarbeitung von unwürdigem Holz ermöglicht die Kombination von Formgebung, Verdichtung und Trocknung von wassergesättigten Proben in einem einfachen und skalierbaren Ansatz. Die Technik ist für die Herstellung komplexer Geometrien geeignet und bietet eine skalierbare Alternative für geschlossene Prozesse. Wir haben Verbundwerkstoffe hergestellt, indem wir entwürdigte Holzfurniere mit Stärke als Klebstoff zwischen den Schichten stapeln. Die Verdichtung bis zu einem Viertel der Anfangsdicke führte zu einer Enddicke von 2,5 mm des 8-schichtigen dicken Verbundteils. Um eine glattere Oberflächengüte im Vakuumprozess zu erhalten, könnte die Verwendung einer geschlossenen porösen Form eine geeignete Alternative sein.
Für beide Verarbeitungsverfahren empfehlen wir den Einsatz eines Klebstoffsystems zwischen entwürdigenden Holzschichten, um das Delaminationsrisiko zu verringern. Für das gegebene Beispiel wählen wir Stärke, da es sich um einen bekannten Biokleber für Zellstoff- und Papierprodukte wie Papiertüten handelt und auf Wasserbasis ist. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Herstellung von dickeren Laminaten konzentrieren, um aktuelle Einschränkungen in Bezug auf Trocknungs- und Faserflussabweichungen zu beheben.
Im Allgemeinen hat die Vakuumverarbeitung von entwürdigtem Holz das Potenzial für eine einfache und schnelle Produktion von großflächigen verdichteten Zellulosefaserverbundwerkstoffen. Nachdem das Material mit geeigneten Beschichtungen, wasserstabilen Klebstoffsystemen oder chemischen Modifikationen auf das Haltbarkeitsproblem des Materials eingegangen ist, können mögliche industrielle Anwendungen Automobilkomponenten wie Türverkleidungen, Böden und Armaturenbretter umfassen. Unser Material könnte Metalle oder faserverstärkte Verbundwerkstoffe ersetzen, um das Gewicht für eine bessere Kraftstoffeffizienz zu reduzieren und die Recyclingfähigkeit zu verbessern.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken Silvan Gantenbein für den 3D-Druck von porösen Formen.
Acetic acid | VWR Chemicals | 20104.312 | |
Breather | Suter Kunststoffe AG | 923.015 | |
Flow mesh/bleeder | Suter Kunststoffe AG | 180.007 | |
Gypsum | Suter Kunststoffe AG | 115.3002 | |
Hydrogen peroxide, 30% | VWR Chemicals | 23622.298 | |
Oven | Binder GmbH | ||
Press | Imex Technik AG | ||
Seal tape | Suter Kunststoffe AG | 31344 | |
Stainless steel mesh | Drawag AG | ||
Starch | Agrana Beteilungs AG | ||
Textile, peel ply | Suter Kunststoffe AG | 222.001 | |
Vacuum bag | Suter Kunststoffe AG | 215.15 | |
Vacuum bag, elastic | Suter Kunststoffe AG | 390.1761 | elastic vacuum bag for complex shapes |
Vacuum pump | Vacuumbrand | ||
Vacuum tubing | Suter Kunststoffe AG | 77008.001 | |
Wood veneers | Bollinger AG |