Delignified fortettet tre representerer en ny lovende lett, høy ytelse og bio-basert materiale med stort potensial til å delvis erstatte naturlig fiber forsterket-eller glassfiber forsterket kompositter i fremtiden. Vi her presentere to allsidige fabrikasjon ruter og demonstrere muligheten til å lage komplekse kompositt deler.
Delignified fortettet tre er et nytt lovende og bærekraftig materiale som besitter potensialet til å erstatte syntetiske materialer, slik som glassfiber forsterket kompositter, på grunn av sine gode mekaniske egenskaper. Delignified tre, derimot, er ganske skjør i en våt tilstand, noe som gjør håndtering og forme utfordrende. Her presenterer vi to fabrikasjon prosesser, lukket-mold tetthet og vakuum tetthet, å produsere høy ytelse cellulose kompositter basert på delignified tre, inkludert en vurdering av sine fordeler og begrensninger. Videre foreslår vi strategier for hvordan kompositter kan gjenbrukes eller deles opp ved slutten av livssyklusen. Lukket-mold tetthet har den fordelen at ingen forseggjort laboratorieutstyr er nødvendig. Enkle skrue klemmer eller en presse kan brukes til tetthet. Vi anbefaler denne metoden for små deler med enkel geometri og store radier av krumning. Vakuum tetthet i en åpen mold-prosess er egnet for større gjenstander og kompleks geometri, inkludert små radier. Sammenlignet med lukket-mold prosessen, åpen mold vakuum tilnærming bare trenger fremstilling av en enkelt mold hulrom.
Utviklingen av romanen Natural fiber (NF) basert kompositter utstyrt med overlegne mekaniske egenskaper representerer en av de viktigste oppgavene i materialvitenskap, som de kan være bærekraftige alternativer for dagens syntetiske systemer som glassfiber kompositter1,2,3. Foruten tradisjonelle NF kompositter (Lin, hamp, kenaf, etc)4,5, den tetthet av tre etter delvis eller fullstendig fjerning av Matrix komponenter har fått økende oppmerksomhet de siste årene6,7,8,9,10,11. Top-Down fabrikasjon rute, basert på delignification av bulk tre fulgt av tetthet, er konseptuelt i strid med ganske komplekse bottom-up prosesser for cellulose-og slurry baserte produkter12. I cellulose-og slurry baserte produkter, er den gunstige tre fiber justeringen ikke beholdes som fibre er separert i prosessen. I kontrast, struktur-beholde delignified tre, som er oppnådd i en ovenfra og ned prosess, overfører den sofistikerte arkitekturen med justert cellulose fibre i det nye materialet. For å oppnå tetthet av delignified tre uten fiber justering forvrengninger, må nye behandlings ruter utvikles.
Direkte tetthet av vann-mettet delignified tre prøver fører til en begrenset tetthet grad, sprekker, og fiber justering forvrengninger på grunn av våt-sample-iboende fritt vann som skaper et mot trykk under tetthet. Nåværende løsninger for å unngå strukturelle integritet tap ved tetthet inkluderer utnyttelse av delvis delignified tre etterfulgt av høy temperatur tetthet9 eller pre-tørking av delignified tre før tetthet6. Begge metodene forbedrer tilkobling mellom naboceller, enten på grunn av de resterende lignin som fungerer som lim eller fri vann fjerning mellom celler.
I begge tilfeller oppstår redusert formbarhet, som begrenser design applikasjoner; det krevde prøve pre-forfatning likeledes innlede å lengere bearbeiding timene. Derfor er det nødvendig med en rask og skalerbar prosess som kombinerer forming og tetthet i ett enkelt trinn.
I denne forbindelse presenterer vi her åpen/lukket-mold tetthet og vakuum behandling av delignified trevirke som metoder for å kombinere forming, tetthet, og tørking i en enkel og skalerbar tilnærming. Figur 1 viser delignified fortettet tre-kompositt deler, som ble innhentet ved hjelp av teknikkene som er beskrevet i dette arbeidet.
Figur 1: eksempler på delignified fortettet tre sammensatte deler. (A) dør panel, (B) sidespeil, (C) dørhåndtak av en bil, (D) ortose, (E) kutte åpen hjelm, og (F) turteller dekke av en bil. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Vi presenterer allsidige fabrikasjon teknikker for å oppnå høy ytelse delignified tre-baserte kompositter og foreslår mulig gjenbruk og resirkulering strategier. Lukket-mold behandling forutsetninger pre-condition av materialet, som det ikke kan behandles i vann-mettet tilstand. Utnytte en lukket mold prosess, men kan være metoden for valg spesielt hvis f. eks det er ingen vakuum oppsett tilgjengelig eller hvis en fin (glatt) overflate finish på begge sider er ønsket.
Åpen-mold vakuum behandling av delignified tre gjør det mulig å kombinere forming, tetthet og tørking av vann-mettede prøver i en enkel og skalerbar tilnærming. Teknikken er anvendelig for produksjon av innviklet geometri og tilbyder en Scalable alternativ for stengt-mold prosesser. Vi har produsert kompositter ved stabling delignified tre finer bruker stivelse som lim mellom lagene. Tetthet ned til en fjerdedel av den opprinnelige tykkelsen resulterte i en endelig tykkelse på 2,5 mm av 8-lags tykk kompositt del. For å oppnå en jevnere overflate finish i vakuum prosessen, kan bruken av en lukket porøs mold være et passende alternativ.
For begge behandlingsmetoder, anbefaler vi bruk av et selvklebende system mellom delignified tre lag for å redusere risikoen for delaminering. For det gitte eksempelet velger vi stivelse, som det er en velkjent bio-baserte lim for papirmasse og papir produkter, for eksempel papirposer, og er vannbasert. Fremtidige arbeider vil fokusere på fabrikasjon av tykkere laminat for å løse gjeldende begrensninger når det gjelder tørking og fiber strømnings avvik.
Generelt, vakuum behandling av delignified tre har potensial for en enkel og rask produksjon av stor skala fortettet cellulose fiber kompositter. Etter å ta opp materialets holdbarhet problemet ved å bruke riktig belegg, vann-stabile lim systemer eller kjemisk modifisering, mulige industrielle anvendelser kan inkludere bilindustrien komponenter som dørpaneler, gulv og oversikter. Vårt materiale kan erstatte metaller eller fiber forsterket kompositter for å redusere vekten for bedre drivstoffeffektivitet og for å forbedre gjenvinnbarhet.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker Silvan Gantenbein for 3D utskrift av porøse muggsopp.
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 |