Bu çalışma, karbon elyafı ve bambu elyafı takviyeli poli (bütilen adipat-ko-tereftalat) köpüklerin hazırlanması için süperkritik bir karbondioksit köpürtme yöntemini açıklamaktadır.
Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.
Yöntem makalesi
Bu çalışma, karbon elyafı ve bambu elyafı takviyeli poli (bütilen adipat-ko-tereftalat) köpüklerin hazırlanması için süperkritik bir karbondioksit köpürtme yöntemini açıklamaktadır.
Elyaf takviyeli polimer köpükler birçok alanda geniş uygulama alanları bulmuştur. Özellikle poli (bütilen adipat-ko-tereftalat) (PBAT), olağanüstü işleme özellikleri, mekanik performansı ve biyouyumluluğu nedeniyle biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler alanında büyük ilgi görmüştür. Bununla birlikte, saf PBAT köpüğün yüksek büzülme oranı, uygulamasını sınırlar. Köpük performansını artırabilen çeşitli malzemeler arasında karbon fiber (CF) ve bambu fiber (BF) benzersiz avantajlar sergiler. Bu çalışmada, PBAT/CF/BF köpüklerini başarılı bir şekilde hazırlamak için süperkritik karbondioksit (scCO2) köpük teknolojisi kullanılmıştır. Sonuçlar, CF ve BF'nin sinerjik etkisinin, PBAT köpüğün büzülme önleyici özelliklerini önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. Saf PBAT köpüğü ile karşılaştırıldığında, PBAT/15CF/5BF köpüğün büzülme oranı %87,56'lık bir azalmayla %55,63'ten %6,92'ye düştü. PBAT/10CF/10BF köpük, %31,58'lik bir düşüşü temsil eden 0,13 g/cm3 ile en düşük yoğunluğa ulaştı. PBAT/10CF/10BF köpük, %51,36 artışla 9,43 ile en yüksek genleşme oranını sergiledi. Sıkıştırma esnekliği testleri, tüm PBAT/CF/BF köpüklerinin uygun sıkıştırma direnci sergilediğini, PBAT/15CF/5BF köpüğün ise 0,26 MPa ile en yüksek basınç dayanımını gösterdiğini ortaya çıkardı. Bu araştırma, elyaf takviyeli biyolojik olarak parçalanabilen polyester köpüklerin üretimi için etkili bir çözüm sunmaktadır. Bu köpükler büzülme önleyici özelliklere, hafiflik özelliklerine ve mükemmel esnekliğe sahiptir.
Elyaf takviyeli polimer köpükler, yüksek mukavemet-ağırlık oranları, mükemmel termal stabiliteleri ve çok yönlü şekillendirilebilirlikleri nedeniyle havacılık1, ulaşım2, inşaat3 ve çevre koruma4 dahil olmak üzere çeşitli alanlarda yaygın olarak uygulanmaktadır. Küresel "çift karbon" hedefleri ve plastik kirliliği kontrol girişimleri tarafından yönlendirilen biyolojik olarak parçalanabilen polimer köpükler, bir araştırma noktası haline geliyor 5,6,7. Tipik bir biyo-bazlı biyolojik olarak parçalanabilen polyester olan PBAT, olağanüstü işleme performansı ve çevre dostu olması nedeniyle geleneksel petrol bazlı köpük malzemelere ideal bir alternatif olarak kabul edilir 8,9,10,11. Bununla birlikte, saf PBAT köpükleri tarafından sergilenen önemli büzülme, uygulamalarını sınırlar12.
Araştırmalar, çeşitli modifikasyon teknikleri arasında, fiber takviye teknolojisinin kullanılmasının PBAT köpük13'ün performansını önemli ölçüde artırabildiğini bulmuştur. Yüksek mukavemeti, yüksek modülü ve düşük yoğunluğu ile tanınan CF, polimerleri güçlendirmek ve böylece mekanik özelliklerini geliştirmek için sıklıkla kullanılır14. CF'nin dahil edilmesi sadece köpükler için daha güçlü mekanik destek sağlamakla kalmaz, aynı zamanda mikro yapılarını da değiştirebilir, böylece genel performanslarını artırabilir 15,16. Yimu Qiao ve ark.17 PBAT/CF köpük ve sürekli CF takviyeli polipropilen (PP) prepreglerden oluşan bir sandviç yapı hazırlamışlardır. Çalışma, prepregli köpük hücrelerinin daha düzgün ve yoğun olduğunu buldu. Buna karşılık BF, olağanüstü biyouyumluluğu ve yenilenebilirliği nedeniyle takviye malzemelerinde benzersiz avantajlar sunmaktadır18. Eşsiz iç mikro yapısı, malzemeye belirli tokluk ve yastıklama özellikleri kazandırır19. Wei Guo ve ark.20 alkali modifiye BF takviyeli polipropilen BF/PP köpükler hazırlamışlardır. Araştırma, BF ilavesinin hücresel yapıyı iyileştirdiğini ve BF/PP köpüklerin mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirdiğini gösteriyor. Sonuç olarak, PBAT köpüğün üretiminde CF ve BF'nin akıllıca kombinasyonunun, her iki malzemenin faydalarını en üst düzeye çıkarması, saf PBAT köpüğün önemli büzülme sorununu azaltması ve çeşitli alanlardaki uygulama potansiyelini daha da genişletmesi bekleniyor.
Her ne kadar scCO2 köpük teknolojisi yukarıda belirtilen ilerlemeyi kaydetmiş olsa da, elyaf takviyeli biyolojik olarak parçalanabilen polyester köpük alanında hala önemli eksiklikler bulunmaktadır. İlk olarak, mevcut araştırmalar çoğunlukla tek fiber takviyesini (saf CF veya saf BF gibi) kullanıyor ve CF'nin sertlik geliştirmesi ve BF'nin arayüz kontrol avantajlarının kombinasyonu gibi farklı fiberlerin sinerjik etkilerinden tam olarak yararlanamıyor. İkincisi, yüksek lif içeriğinde eriyik akışkanlığının azalmasından kaynaklanan köpüklenme kusurlarından kaçınmak bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bu makalenin yeniliği, yukarıdaki konuların ele alınmasında yatmaktadır. Bir yandan, PBAT'ın CF/BF çift fiberli sinerjistik takviyesi için bir scCO2 köpük sistemi oluşturur ve bu, tek fiberli sistemlerin çekirdeklenme verimliliği ve arayüz bağlanmasındaki eksikliklerini telafi eder. Aynı zamanda, CF/BF oranının optimize edilmesi, köpürmeyi sağlarken köpüğün mekanik özelliklerini iyileştirir ve biyolojik olarak parçalanabilen köpüğün yüksek performansı için yeni bir tasarım konsepti sağlar.
ScCO2 köpürme teknolojisi, çevresel faydalarından, ayarlanabilir mikron ölçeğinde gözenek boyutundan ve esnek proses parametresi ayarlanabilirliğinden yararlanarak yüksek performanslı mikro hücreli köpük malzemeleri üretmek için yeni yollar açmıştır21. scCO2 köpürme yoluyla, CO2 kompozit malzeme sistemi içinde eşit şekilde çözünür. Ani basinç salınımı üzerine, karbondioksit hızla kaçar ve daha sonra gözeneklere22 dönüşen çok sayıda düzgün dağılmış kabarcık çekirdeği oluşturur. Bu işlem sadece gözenek boyutu ve yoğunluğu üzerinde hassas kontrol sağlamakla kalmaz, aynı zamanda orijinal performansını korurken malzemenin ısı yalıtımı, ses yalıtımı ve yastıklama özelliklerini de geliştirir23.
Bu çalışma, her ikisi de toplam %20 içerikte, değişen oranlarda CF ve BF ile güçlendirilmiş PBAT kompozitleri için bir scCO 2 köpürtme sistemini araştırmaktadır. PBAT/CF/BF köpüğü hazırlamak için CF/BF oranı 3:1, 1:1 ve 1:3 olarak seçilmiştir. Köpürme sıcaklığı 100 °C, köpürme basıncı 10 MPa ve köpürme süresi 60 dakika idi. Başlangıçta köpükler üretildi ve farklı lif oranlarına sahip köpüklerin temel fiziksel özelliklerindeki farklılıkları görsel olarak göstermek için yoğunlukları, genleşme oranları ve büzülme oranları ölçüldü. Daha sonra, hücresel yapıyı karakterize etmek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanıldı ve değişen lif oranlarının hücre morfolojisi, boyutu ve tekdüzeliği üzerindeki etkisini mikroskobik düzeyde ortaya çıkarmak için ölçülen hücre çapları kullanıldı. Son olarak, farklı elyaf takviye kombinasyonları tarafından köpüklere verilen mekanik yük taşıma kapasitesini gösteren sıkıştırma performansını değerlendirmek için sıkıştırma döngüsü testleri yapıldı. Bu çalışmanın sonuçları, üstün fiziksel özelliklere, mikro yapıya ve mekanik mukavemete sahip biyo bazlı, biyolojik olarak parçalanabilen köpük malzemelerin geliştirilmesi için teorik temeller ve teknik bilgiler sunacak ve böylece bunların ambalaj ve inşaat gibi alanlarda sürdürülebilir kullanımını teşvik edecektir.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Bu çalışmada kullanılan reaktifler ve ekipman Malzeme Tablosunda listelenmiştir.
1. Hammadde ön işlemi
2. Tartım ve ön karıştırma
3. Eriyik ekstrüzyon
4. Sıkıştırma kalıplama
5. ScCO2 köpürme işlemi
6. Köpük karakterizasyonu
NOT: Numunenin yoğunluğu doğrudan bir dansitometre kullanılarak ölçülür. Örnek olarak saf PBAT'ı ele alalım.
(1)
(2)
(3)7. SEM karakterizasyonu
(4)
(5)8. Basınç özelliklerinin teminatı
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yukarıda belirtilen protokole göre hazırlanan değişen oranlarda CF ve BF ile güçlendirilmiş PBAT köpüklerin fiziksel görüntüsü ve fiziksel özellikleri Şekil 2'de gösterilmektedir. CF ve BF oranlarının arttırılmasının PBAT köpüklerin büzülmesine etkili bir şekilde direndiği gözlemlenebilir. Ölçümler sonucunda, saf PBAT köpüğün yoğunluğunun 0.19 g/cm3 (Şekil 2B), köpürme oranı 6.23 (Şekil 2C
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Kurutma işlemi, eriyik ekstrüzyonundan önceki kritik bir adımdır. Birincil amacı, yüksek sıcaklık koşullarında hidrolizi, buharlaşmayı ve arayüzey kusurlarını önlemek için malzemeden nemi uzaklaştırmaktır. Bu, PBAT kompozitlerinin mekanik özelliklerini, işleme stabilitesini ve görünüm kalitesini sağlar8. Bu çalışmada, spesifik prosedür, PBAT, CF ve BF'nin 80 °C sıcaklıkta 8 saatlik kurutma işlemi için bir fırına yerleştirilmesini içeriyordu.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.
Güneybatı Çin'deki Ormancılık Biyokütle Kaynaklarının Yüksek Verimli Kullanımına İlişkin Ulusal Ormancılık ve Otlak İdaresi Anahtar Laboratuvarı, Güneybatı Ormancılık Üniversitesi'nin (2023KF10) finansmanına teşekkür ederiz. Heilongjiang Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı (LH2024C044), Heilongjiang Eyaletindeki Birinci Sınıf Disiplinlerin İşbirlikçi İnovasyon Projesi (LJGXCG2024-F11), Heilongjiang Eyaletinin Genç Elit Bilim İnsanı Sponsorluk Programı (2024QNTG006), Heilongjiang Doktora Sonrası Fonu (LBH-Z24041) ve Yeni Çağ Finansman Projesinde Heilongjiang'ın 2023 Üstün Yüksek Lisans ve Doktora Tezleri.
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| Bambu lifi | Sichuan Lvzhu Plant Fiber Co., Ltd., Çin | 1000 mesh | Deneysel çalışmalar için temin edilen ham madde |
| Booster pompa | Dongguan Suncenter Fuild Control Equipment Co., Ltd., Çin | DGA15C | Basıncı Kontrol Etmek İçin Kullanılıyor |
| Karbondioksit | Harbin Qinghua Industrial Gazlar Şirketi Ltd., Çin | %99,9 saflık | Köpürtücülük maddesi olarak kullanılır |
| Karbon fiber | Toray Industries Incorporated, Japonya | 1000 mesh | Deneysel çalışmalar için temin edilen ham madde |
| Ceactor | Zhengzhou Zechen Instrument Equipment Co., Ltd., Çin | 0.5 L | Köpüklü kap olarak kullanılır |
| Sıkıştırıcı | Zhejiang Kaishan Kompresör Şirketi, Ltd., Çin | XK06-010-00487 | basınçlı |
| Dijital yağ banyosu | Boho Temptech Co.,Ltd., Çin | HH-5-12L | Isıtmak için kullanılıyor |
| Kurutma fırını | Shanghai Yiheng Scientific Instrument Co., Ltd., Çin | DGG-9070 | Ham maddeleri kurutmak için kullanılır |
| Elektronik denge | Mettler Toledo (Changzhou) Tartı Ekipman Sistemi Co., Ltd | SPN501F | Ham maddelerin tartılması için kullanılır |
| Düz plaka sülkürtleme cihazı | Bolon Hassas Test Makineleri Co., Ltd., Çin | BL-6170-A | Kompozitlerin sıcak sıkıştırma kalıplanması için |
| Yüksek hassasiyetli katı yoğunluk ölçer | Yuemang Akıllı Ekipman A., Ltd., Çin | JHY-120Y | Tanımlamak için kullanılan cihaz yoğunluk |
| Görüntü analiz yazılımıUlusal Sağlık Enstitüleri | Ulusal Sağlık Enstitüleri | ImageJ | Köpüğün morfolojik özelliklerini belirlemek için kullanılan yazılım |
| Poli(butilen adipat-ko-tereftalat) | Xinjiang Blue Ridge Tunhe Bilimleri& Tech. Co.,Ltd., Çin | TH801T | Deneysel çalışmalar için temin edilen ham madde |
| Politetrafloroetilen filmi | Luo Huixing Plastik Malzeme Ticaret Şirketi, Çin | 0,5 mm | Demold için kullanıldı |
| Pulveriser | Shenzhen Chengzhongsheng Elektromekanik Teknoloji Co., Ltd., Çin | 380 w, 50 Hz | Ezmek ve granülasyon yapmak için kullanılır |
| Tarayıcı | FEI Inc., ABD | QUANTA 220 | Köpük fotoğrafı çekmek için kullanılan tarayıcı |
| Çift vidalı ekstruder | Nanjing Jiente Machine Point Co. Ltd., Çin | SHJ-20 | Erime Karıştırma |
| Evrensel mekanik test makinesi | Wance Technologies Ltd., Çin | TestPilot X10A | Sıkıştırma performansını ölçmek için kullanılır |
Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.