लकड़ी आधारित उच्च प्रदर्शन कंपोजिट के निर्माण और डिजाइन

Engineering
 

Summary

Delignified densified लकड़ी आंशिक रूप से प्राकृतिक फाइबर प्रबलित-या ग्लास फाइबर प्रबलित कंपोजिट भविष्य में स्थानापन्न करने के लिए महान क्षमता के साथ एक नया होनहार हल्के, उच्च प्रदर्शन और जैव आधारित सामग्री का प्रतिनिधित्व करता है । हम यहां दो बहुमुखी निर्माण मार्गों को प्रस्तुत करते हैं और जटिल समग्र भागों को बनाने की संभावना प्रदर्शित करते हैं।

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Frey, M., Zirkelbach, M., Dransfeld, C., Faude, E., Trachsel, E., Hannus, M., Burgert, I., Keplinger, T. Fabrication and Design of Wood-Based High-Performance Composites. J. Vis. Exp. (153), e60327, doi:10.3791/60327 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

डेग्निफाइड डेन्सिफाइड लकड़ी एक नई आशाजनक और टिकाऊ सामग्री है जो अपने उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों के कारण ग्लास फाइबर प्रबलित कंपोजिट जैसे सिंथेटिक सामग्रियों को बदलने की क्षमता के पास है। हालांकि, डेग्निफाइड लकड़ी एक गीली स्थिति में नाजुक है, जो चुनौतीपूर्ण हैंडलिंग और आकार देने बनाता है। यहां हम दो निर्माण प्रक्रियाओं, बंद मोल्ड डेन्सिफिकेशन और वैक्यूम डेन्सिफिकेशन पेश करते हैं, ताकि उनके फायदे और सीमाओं का आकलन सहित डिग्निग्निफाइड लकड़ी के आधार पर उच्च प्रदर्शन वाले सेल्यूलोज कंपोजिट का उत्पादन किया जा सके । इसके अलावा, हम इस बात के लिए रणनीतियों का सुझाव देते हैं कि जीवन के अंत चक्र में कंपोजिट का फिर से उपयोग या विघटित कैसे किया जा सकता है। बंद मोल्ड डेन्सिफिकेशन का लाभ यह है कि कोई विस्तृत प्रयोगशाला उपकरण की आवश्यकता नहीं है। सरल पेंच क्लैंप या एक प्रेस का उपयोग डेन्सिफिकेशन के लिए किया जा सकता है। हम सरल ज्यामिति और वक्रता की बड़ी रेडी के साथ छोटे भागों के लिए इस विधि की सलाह देते हैं। एक खुली मोल्ड प्रक्रिया में वैक्यूम डेन्सिफिकेशन बड़ी वस्तुओं और जटिल ज्यामिति के लिए उपयुक्त है, जिसमें वक्रता की छोटी रेडी शामिल है। बंद मोल्ड प्रक्रिया की तुलना में, ओपन मोल्ड वैक्यूम दृष्टिकोण को केवल एक मोल्ड गुहा के निर्माण की आवश्यकता होती है।

Introduction

बेहतर यांत्रिक गुणों से लैस उपन्यास प्राकृतिक फाइबर (एनएफ) आधारित कंपोजिट का विकास सामग्री विज्ञान में मुख्य कार्यों में से एक का प्रतिनिधित्व करता है, क्योंकि वे वर्तमान सिंथेटिक प्रणालियों जैसे ग्लास फाइबर कंपोजिट1,2,3के लिए टिकाऊ विकल्प हो सकते हैं। पारंपरिक एनएफ कंपोजिट (सन, गांजा, केनाफ, आदि)4,5के अलावा, मैट्रिक्स घटकों को आंशिक या पूर्ण रूप से हटाने के बाद लकड़ी के डेन्सिफिकेशन पर हाल के वर्षोंमें 6,7,8,9,10,11में बढ़ते ध्यान प्राप्त हुए हैं। डेन्सिफिकेशन के बाद थोक लकड़ी के विग्निफिकेशन के आधार पर टॉप-डाउन फैब्रिकेशन मार्ग, लुगदी और घोल आधारित उत्पादों12के लिए जटिल बॉटम-अप प्रक्रियाओं के विपरीत संकल्पनात्मक रूप से है। लुगदी और घोल आधारित उत्पादों में, लाभकारी लकड़ी फाइबर संरेखण को बरकरार नहीं रखा जाता है क्योंकि इस प्रक्रिया में फाइबर अलग हो जाते हैं। इसके विपरीत, संरचना-बनाए रखने वाली डिग्निग्निफाइड लकड़ी, जिसे ऊपर-नीचे प्रक्रिया में प्राप्त किया जाता है, नई सामग्री में गठबंधन सेल्यूलोज फाइबर के साथ परिष्कृत वास्तुकला को स्थानांतरित करता है। फाइबर संरेखण विकृतियों के बिना delignified लकड़ी के densification को प्राप्त करने के लिए, नए प्रसंस्करण मार्गों विकसित किया जाना चाहिए ।

पानी संतृप्त डिग्निफाइड लकड़ी के नमूनों का प्रत्यक्ष डेन्सिफिकेशन गीले-नमूना-अंतर्निहित मुक्त पानी के कारण एक सीमित डेन्सिफिकेशन डिग्री, दरारें और फाइबर संरेखण विकृतियों की ओर जाता है जो डेन्सिफिकेशन के दौरान एक काउंटर दबाव बनाता है। डेन्सिफिकेशन पर संरचनात्मक अखंडता हानि से बचने के लिए वर्तमान समाधानों में आंशिक रूप से डिग्निग्निफाइड लकड़ी का उपयोग शामिल है जिसके बाद उच्च तापमान डेन्सिफिकेशन9 या डिग्निग्निफाइड लकड़ी के पूर्व डेन्सिफिकेशन6का पूर्व सूखना शामिल है। दोनों विधियां पड़ोसी कोशिकाओं के बीच कनेक्टिविटी बढ़ाती हैं, या तो शेष लिग्निन के कारण जो कोशिकाओं के बीच गोंद या मुफ्त पानी हटाने के रूप में कार्य करती हैं।

दोनों ही मामलों में, कम रूपता होता है, जो डिजाइन अनुप्रयोगों को सीमित करता है; आवश्यक नमूना प्री-कंडीशनिंग भी लंबे समय तक प्रसंस्करण समय की ओर जाता है। इसलिए, एक तेज और स्केलेबल प्रक्रिया जो एक ही चरण में आकार देने और डेन्सिफिकेशन को जोड़ती है, आवश्यक है।

इस संबंध में, हम यहां एक सरल और स्केलेबल दृष्टिकोण में आकार देने, डेन्सिफिकेशन और सुखाने के तरीकों के रूप में डिग्निफाइड लकड़ी के खुले/बंद-मोल्ड डेन्सिफिकेशन और वैक्यूम प्रसंस्करण को प्रस्तुत करते हैं । चित्रा 1 से पता चलता है कि डिग्निग्निफाइड डेन्सिफाइड लकड़ी-समग्र भागों को दिखाया गया है, जिन्हें इस काम में वर्णित तकनीकों का उपयोग करके प्राप्त किया गया था।

Figure 1
चित्रा 1: डिग्निफाइड डेन्सिफाइड वुड कंपोजिट पार्ट्स के उदाहरण(A)डोर पैनल,(B)साइड मिरर,(सी)एक कार का दरवाजा हैंडल,(डी)ऑर्थोसिस,(ई)खुले हेलमेट काट, और(एफ)एक कार के टैकोमीटर कवर । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Protocol

1. लकड़ी के लिबास का डिग्निफिकेशन

नोट: यह डिग्निफिकेशन प्रोटोकॉल हमारे पिछले कार्यों पर आधारित है, जो Frey et al. 20186 और सेगमेहल एट अल. 201813द्वारा प्रकाशित किया गया है।

  1. एक क्रिस्टलाइजिंग डिश में या बीकर में एक स्टेनलेस स्टील नमूना धारक माउंट और नमूना धारक के नीचे एक चुंबकीय हलचल बार जगह है । धारक के शीर्ष पर लकड़ी के लिबास को ढेर करें और उन्हें धातु मेशे या धातु जाल धारियों(चित्रा 2ए)द्वारा अलग करें। यहां, हम 1.5 मिमी की मोटाई के साथ रेडियल कट सजाना लिबास का उपयोग करते हैं। लकड़ी की प्रजातियां और प्रकार (स्पर्शरेखा, रेडियल, रोटरी कट लिबास) के साथ-साथ लिबास की मोटाई को विविध किया जा सकता है।
  2. हाइड्रोजन पेरोक्साइड (30 डब्ल्यूटी%) का 1:1 वॉल्यूम मिश्रण तैयार करें और हिमनदों एसिटिक एसिड और लिबास पूरी तरह से कवर कर रहे हैं जब तक क्रिस्टलिंग पकवान में मिश्रण डालना। लिबास को घोल में रखने के लिए कांच के व्यंजन (जैसे पेट्री डिश) का इस्तेमाल करें। १५० आरपीएम पर सरगर्मी करते हुए रात भर कमरे के तापमान (आरटी) पर समाधान में नमूने भिगोदें ।
  3. समाधान को 80 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करें और पूर्ण डिग्निफिकेशन के लिए 6 घंटे के लिए प्रतिक्रिया चलाएं। नमूना मोटाई के आधार पर डिग्निफिकेशन समय समायोजित करें।
  4. डिग्निफिकेशन के बाद, एक खाली बीकर में डिग्निफिकेशन सॉल्यूशन डालें और इसे निपटान से पहले ठंडा होने दें। धीरे-धीरे डिग्निफाइड लिबास को कई बार डिओनाइज्ड पानी के साथ कुल्ला करें। फिर, डेकोनाइज्ड पानी के साथ क्रिस्टलाइजिंग डिश (बीकर) भरकर लिबास धोना जारी रखें। दिन में दो बार पानी को बदलें जब तक कि 5 से ऊपर के धोने के पानी का पीएच मूल्य पहुंच न जाए(चित्रा 2बी)।
  5. देखभाल के साथ गीले delignified लकड़ी के लिबास संभाल, के रूप में सेल्यूलोज पाड़ बल्कि नाजुक है । परिवहन और ड्रैपिंग(चित्रा 4)के लिए समर्थन के रूप में एक धातु जाल का उपयोग करें।

Figure 2
चित्रा 2: डेलिग्नीकरण सेटअप। (ए)नमूना धारक के शीर्ष पर खड़ी धातु जाल नमूना धारक और लकड़ी के लिबास के साथ स्क्रिस्टलाइजिंग डिश। धातु जाल धारियां व्यक्तिगत लिबास को एक दूसरे से अलग करती हैं। (ख)धोने की प्रक्रिया के दौरान पानी से ढके डेलिग्नफाइड लिबास । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

2. भंडारण और "सेल्यूलोज प्रीप्रेग" उत्पादन

  1. 2-3 सप्ताह के भीतर गीले डिग्निग्निफाइड लकड़ी के नमूनों को संसाधित करने पर विचार करें। वैकल्पिक रूप से, इथेनॉल (ईटीओएच) में दीर्घकालिक भंडारण के लिए सामग्री को संरक्षित करें या धातु मेशे के बीच चादरें सुखाएं।
  2. 65% सापेक्ष आर्द्रता (आरएच) से नीचे सूखी, फ्लैट सेल्यूलोज शीट ("सेल्यूलोज प्रीप्रोग्स") स्टोर करें। आगे को आकार देने और प्रसंस्करण से पहले पानी में चादरों को फिर से गीला करें।

3. डेन्सिफिकेशन और बंद मोल्डों में डिग्निफाइड लकड़ी का निर्माण

  1. पानी हटाने और पर्याप्त सुखाने में सक्षम बनाने के लिए एक खुले छिद्रित सामग्री (जैसे सिरेमिक मोल्ड्स, असुरक्षित 3 डी मुद्रित बहुलक मोल्ड्स) से बने बंद मोल्डों का उपयोग करें। अंतिम समग्र भाग की चिकनी सतह प्राप्त करने के लिए, विशेष रूप से सतह की ओर, छिद्र आकार 2 मिमी से नीचे होना चाहिए।
  2. वांछित आरएच में डिग्निफाइड लकड़ी की स्थिति। सेमी रेंज या प्लेन स्ट्रक्चर ्स में वक्रता रेडी के लिए 20 डिग्री सेल्सियस पर 95% आरएच पर वातानुकूलित नमूनों का इस्तेमाल करें। छोटे वक्रता रेडी के लिए, पानी संतृप्त स्थिति में लिबास को ड्रेप करें, 95% आरएच में खुले मोल्ड में लिपटी सामग्री को पहले से सुखा लें, या 5-30 मीटर के लिए ओवन (65 डिग्री सेल्सियस) में सामग्री को प्री-ड्राई करें (समय नमूना मोटाई पर निर्भर करता है)। वक्रता विचार लिबास मोटाई (यहां 1.5 मिमी) के संबंध में किए जाते हैं।
  3. बंद मोल्ड में सामग्री को या तो स्क्रू क्लैंप का उपयोग करके या प्रेस में डेनसिफाई करें। सिकुड़न की भरपाई के लिए जरूरत पड़ने पर दबाव को समायोजित करें। मोल्ड को 65 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में रखकर या प्रेस का तापमान बढ़ाकर सुखाने की प्रक्रिया को गति दी जा सकती है।
    नोट: कुछ एमपीए की सीमा में अपेक्षाकृत कम दबाव गीले डिग्निग्निफाइड लकड़ी को डेन्सिफाई करने के लिए पर्याप्त है। दबाव को नियंत्रित करने के बजाय मोल्ड सतहों के बीच लक्षित मोटाई के साथ spacers का उपयोग करके अंतिम मोटाई को नियंत्रित किया जा सकता है।
  4. पूर्ण सूखने के बाद, समग्र भाग को डिमोल्ड करें और एक नए रन के लिए मोल्ड का पुन: उपयोग करें।

4. वैक्यूम आकार देने और खुले सांचों में delignified लकड़ी की निंदा

  1. 3.1 में वर्णित एक छिद्रपूर्ण खुले मोल्ड का उपयोग करें। वैकल्पिक रूप से, मोल्ड के शीर्ष पर या डिग्निफाइड लकड़ी के शीर्ष पर या डिग्निफाइड लकड़ी के शीर्ष पर एक छिद्रपूर्ण परत (जैसे जाल, कपड़ा, सांस) के साथ गैर-असुरक्षित मोल्डका उपयोग करें ताकि सुखाने में सक्षम हो सके(चित्रा 3ए)।
  2. मोल्ड को दूषित होने से बचाने के लिए टेक्सटाइल लेयर (जैसे पील-प्लाई) का इस्तेमाल करें। कपड़ा(चित्रा 3बी)के शीर्ष पर एक पानी संतृप्त डिग्निग्निफाइड लिबास को ड्रेप करें और इसे दूसरे कपड़ा परत और प्रवाह जाल से कवर करें।
    नोट: एक चिकनी सतह खत्म प्राप्त करने के लिए, हम असुरक्षित बंद मोल्ड प्रसंस्करण का उपयोग करने की सलाह देते हैं। इसके लिए, प्रवाह जाल को मोल्ड के छिद्रपूर्ण शीर्ष भाग से बदलें। हालांकि, यदि एक जाल के साथ सतह पैटर्निंग वांछित है, तो ओपन-मोल्ड प्रक्रिया एक अच्छा विकल्प है।
  3. मोल्ड को स्टेनलेस-स्टील प्लेट के शीर्ष पर रखें, सीलिंग टेप और वैक्यूम ट्यूबिंग लागू करें, और मोल्ड (खुला या बंद) को वैक्यूम बैग के साथ लपेटें। वैक्यूम ट्यूबिंग के लिए पानी के प्रवाह को सक्षम करने के लिए प्रवाह जाल का उपयोग करें। वैकल्पिक रूप से, सुखाने की प्रक्रिया को बढ़ाने के लिए मोल्ड के नीचे अतिरिक्त जाल परतें रखें और स्थानीय वैक्यूम दबाव बूंदों से बचने के लिए, विशेष रूप से बड़े हिस्सों(चित्रा 3सी)के लिए।
  4. समग्र के सुखाने और एक साथ डेन्सिफिकेशन के लिए एक वैक्यूम लागू करें। त्वरित सुखाने के लिए, सेटअप को ऊंचा तापमान (जैसे 65 डिग्री सेल्सियस) पर ओवन में रखें।
    नोट: वैक्यूम पंप में प्रवेश करने वाले पानी से बचने के लिए ठंडे जाल का उपयोग करना सुनिश्चित करें। हम यहां 10-2 बार की दबाव रेंज में एक तेल पंप का उपयोग करें। हालांकि, झिल्ली पंप का उपयोग करना भी संभव है लेकिन डेन्सिफिकेशन डिग्री के बारे में व्यापार-नापसंद को ध्यान में रखने की आवश्यकता हो सकती है।
  5. सूखने के बाद, शुष्क समग्र को डिमोल्ड करें और एक नए समग्र भाग(चित्रा 3 डी)के लिए मोल्ड और वैक्यूम सेटअप का पुन: उपयोग करें।

Figure 3
चित्रा 3: खुले मोल्ड प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण। (क)सतह की ओर छोटे छिद्रों के साथ असुरक्षित मोल्ड। (ख)मोल्ड संरक्षण (हरे) के लिए असुरक्षित मोल्ड (ग्रे) और वैकल्पिक वस्त्र परत के शीर्ष पर लिपटी डेग्निफाइड लकड़ी। (ग)डिग्निफाइड लकड़ी के शीर्ष पर रखा कपड़ा, प्रवाह जाल और वैक्यूम बैग। वैक्यूम बैग के माध्यम से दबाव लागू किया जाता है और सामग्री के डेन्सिफिकेशन और सूखने की ओर जाता है। (D)डेमोल्डिंग के बाद अंतिम समग्र। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

5. टुकड़े टुकड़े मिश्रित भागों का निर्माण

  1. ले-अप तकनीकों द्वारा मोटी बहु-परत समग्र भागों का निर्माण करें और पारंपरिक समग्र विनिर्माण के रूप में परतों (जैसे [0°], [0°/90°], [0°/-45 °/90 °/+45 °°S)के फाइबर ओरिएंटेशन कोण का चयन करें ।
    नोट: अंतिम भाग की लक्षित मोटाई के आधार पर परतों की संख्या को चुना जा सकता है। हालांकि, वैक्यूम समय दृढ़ता से भाग के आकार और मोटाई पर निर्भर करता है और 8-प्लाई भाग के लिए 2 दिनों तक 2 घंटे (एकल परत, 1.5 मिमी मोटी) से लेकर होता है।
  2. ड्रैपिंग प्रक्रिया के दौरान परतों के बीच चिपकने वाला लागू करके डिग्निग्नेफाइड लकड़ी की परतों के बीच संबंध बढ़ाएं। पानी आधारित चिपकने वाला (जैसे स्टार्च) का उपयोग करें जो चिपकने वाले को संयुक्त सुखाने और इलाज करने की अनुमति देता है।
    नोट: हम परतों के बीच एक 16.5 wt% स्टार्च समाधान के 0.04 ग्राम/सेमी2 लागू होते हैं। हालांकि, अन्य पानी आधारित गोंद का उपयोग वैकल्पिक रूप से किया जा सकता है।
  3. कंपोजिट पार्ट और मशीन को हाथ से या स्टैंडर्ड वुड टूलींग(फिगर 6ई, एफ)के साथ खत्म करना डिमोल्ड करें ।

6. समग्र भागों का पुन: उपयोग और रीसाइक्लिंग

  1. पानी में गैर-चिपके लकड़ी कंपोजिट रखें जब तक कि हिस्सा फॉर्मेबिलिटी नहीं आ जाता। फिर, या तो एक नया उत्पाद प्राप्त करने के लिए सामग्री को फिर से आकार दें (Frey एट अल. 20197देखें) या इसे छोटे टुकड़ों में कम करें।
  2. मानक लुगदी तकनीकों (जैसे लुगदी मोल्डिंग) से प्रेरित नए उत्पादों को बनाने के लिए डिग्निग्निफाइड लकड़ी के छोटे टुकड़ों का पुन: उपयोग करें और अंत में जीवन के अंत के बाद सामग्री को बायोडिग्रेड दें।

Representative Results

लकड़ी के लिबास का भ्रम और हैंडलिंग।

पूर्ण अपराधीकरण से लगभग 40% की बड़े पैमाने पर कमी आती है और 65% आरएच6पर सूखने के बाद लगभग 20% की मात्रा में कमी आती है। लिग्निन के अलावा, हेमिसेल्यूलोज का एक अंश भी हटा दिया जाता है। इन घटकों को हटाने के परिणामस्वरूप एक नाजुक सेल्यूलोज सामग्री (चित्रा 4देखें)। धातु meshes का उपयोग के रूप में समर्थन करता है हैंडलिंग और draping आसान बनाता है ।

Figure 4
चित्रा 4: गीली स्थिति में डिग्निफाइड लकड़ी की हैंडलिंग। (क)नाजुक डिग्निग्निफाइड लकड़ी अपनी गीली अवस्था में। (ख)सामग्री को एक मोल्ड में ड्रैपिंग के लिए परिवहन के लिए धातु की जाली या(सी)का उपयोग करके सामग्री की हैंडलिंग में ढील दी जाती है । (D)एक छिद्रपूर्ण 3 डी-मुद्रित मोल्ड के शीर्ष पर लिपटी डेग्निफाइड लकड़ी। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

डेन्सिफिकेशन और बंद मोल्डों में डिग्निफाइड लकड़ी का निर्माण।

पानी संतृप्त delignified लकड़ी के Densification(चित्रा 5ए-सी)की मांग कर रहा है, के रूप में पाड़ में मुक्त पानी densification पर एक काउंटर दबाव बनाता है और सामग्री प्रसंस्करण के दौरान प्रवाह करने के लिए अनुमति देता है । यह अंतिम सामग्री(चित्रा 5बी, सी)में फाइबर विचलन और दरारें का कारण बनता है। इन सीमाओं को बाईपास करने की एक संभावना नम पूर्व वातानुकूलित (95% आरएच और 20 डिग्री सेल्सियस), डिग्निफाइड लकड़ी का उपयोग करना है। इस स्थिति में, डिग्निफाइड लकड़ी अभी भी काफी आकार का है और इसकी निंदा फाइबर संरेखण विकृतियों और दोषों का कारण नहीं बनती है।

हालांकि, पूर्व-वातानुकूलित सामग्री पानी-संतृप्त स्थिति की तुलना में अधिक कठोर है, जिससे सामग्री क्षति के बिना छोटे वक्रता विकिरण प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है। छोटे वक्रता रेडी के लिए, गीले ड्रैपिंग के बाद पहले से ही आकार के राज्य में कंडीशनिंग का उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, कंडीशनिंग के बजाय समय लेने वाली है और इसलिए बड़े पैमाने पर अनुप्रयोगों के लिए अनुशंसित नहीं है।

Figure 5
चित्रा 5: एक गीली और नम स्थिति में delignified लकड़ी के बंद मोल्ड densification । (A)पानी से संतृप्त सेल्यूलोज सामग्री के डेन्सिफिकेशन से(बी, सी)दरारें और फाइबर गलत संरेखण होता है। (डी-एफ) नम सामग्री का डेन्सिफिकेशन, 95% आरएच में वातानुकूलित फाइबर संरेखण और कम दोषों के बेहतर संरक्षण में परिणाम देता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

एक खुले मोल्ड में टुकड़े टुकड़े हिस्से का वैक्यूम आकार और डेन्सिफिकेशन।

वैक्यूम आकार देने के लिए अनुकरणीय, हमने खुले मोल्ड प्रक्रिया(चित्र6ए, बी)का उपयोग करके स्वयं निर्मित जिप्सम मोल्ड में एक हेलमेट का निर्माण किया। ले-अप के रूप में, हमने सतह के टेक्चुरिंग के लिए हेक्सागन-गुच्छे की 2 परतें लपेटी हैं, जिसके बाद [0 °/90 ° में डिग्निग्नेफाइड लकड़ी के लिबास की 4 परतें(चित्रा 6सी)। गुच्छे एक आकर्षक सतह डिजाइन प्रदान करते हैं, जबकि एकआयामी (यूडी) परतें समग्र में शक्ति और कठोरता जोड़ते हैं। हमने 14 को रोकने के लिए परतों के बीच चिपकने के रूप में 16.5 wt% स्टार्च लागूकिया।

वैक्यूम डेन्सिफिकेशन(चित्रा 6डी)48 एच के भीतर भाग को पूरी तरह से सुखाने की ओर ले जाता है और 3 मिमी (प्रारंभिक मोटाई के 1/3rd) की मोटाई तक नीचे डेनसिफिकेशन होता है। वैक्यूम प्रोसेसिंग के बाद, समग्र भाग को डिमोल्ड किया जाता है(चित्रा 6ई)और किनारों को कटर(चित्र6एफ)के साथ छंटनी की जाती है।

अधिकतम लेअप मोटाई जिसे खुले-मोल्डिंग दृष्टिकोण के साथ डेन्सिफाइड और पूरी तरह से सूख सकता है, 2.5 मिमी के इस हिस्से की अंत मोटाई के साथ 8-लेयर लेअप (8 x 1.5 मिमी लिबास) था, जो सूखे डिग्निफाइड लकड़ी की प्रारंभिक मोटाई के लगभग एक चौथाई तक एक डेन्सिफिकेशन से मेल खाता है, जो कि डेलाइनिफिकेशन और सुखाने पर परत सिकुड़न को ध्यान में रखते हुए। इस तरह के उच्च डेन्सिफिकेशन डिग्री प्राप्त करने के लिए,10-2 बार की सीमा में कम वैक्यूम की आवश्यकता होती है।

Delignified लकड़ी कंपोजिट है कि उनकी प्रारंभिक मोटाई के लगभग एक चौथाई के लिए densified आम तौर पर 25 GPa और 150-180 MPa की सीमा में शक्ति मूल्यों के आसपास लोचदार मोडुली मूल्यों को प्राप्त करने, के रूप में हमारे पिछले काम में दिखाया गया है(तालिका 1)7

Table 1

तालिका 1: तन्य लोचदार मॉड्यूलस और डेन्सिफाइड डिग्निग्निफाइड लकड़ी की तन्य शक्ति के लिए साहित्य मूल्य। वैक्यूम प्रसंस्करण के परिणामस्वरूप प्रारंभिक मोटाई के 1/4 वें हिस्से तक एक डेन्सिफिकेशन होता है, जो 66% के एफवीसी से मेल खाता है।

Figure 6
चित्रा 6: ओपन मोल्ड प्रसंस्करण द्वारा हेलमेट का निर्माण। (ए, बी) एक जिप्सम मोल्ड का उपयोग कर मूल हेलमेट की मोल्डिंग। (ग)हेक्सागन गुच्छे के साथ दो बाहरी परतों को ड्रैपिंग के बाद आंतरिक 4-परतों को एक [0/90] लेअप में लपेटना । (D)निर्वात द्वारा भाग का डेन्सिफिकेशन और सुखाने। (ई)सूखे हिस्से की डीमोल्डिंग और(एफ)कटर का उपयोग करके समाप्त करें। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

प्रवाह meshes का उपयोग आम तौर पर नमूने में एक जाल छाप में परिणाम है । इसे या तो प्रक्रिया-अंतर्निहित डिजाइन रणनीति के रूप में माना जा सकता है या डिग्निफाइड लकड़ी और प्रवाह जाल के बीच एक अतिरिक्त मोटा कपड़ा परत रखकर रोका जा सकता है।

वैकल्पिक रूप से, प्रोटोकॉल चरण 4.2 में वर्णित वैक्यूम प्रसंस्करण के साथ संयुक्त बंद मोल्डों का उपयोग किया जा सकता है। नियमित पैटर्निंग एक परिभाषित क्रम में delignified लिबास के छोटे टुकड़े रखकर प्राप्त किया जा सकता है, के रूप में हेलमेट पर षट्कोणीय पैटर्निंग के साथ हमारे उदाहरण के लिए पहले दिखाया गया है ।

वैक्यूम प्रोसेसिंग के दौरान पैदा होने वाली समस्याओं में समग्र भाग में वारपेज शामिल हैं, जो अधूरे सूखने और दरारों की घटना(चित्र7)के कारण होते हैं। दरारें मुख्य रूप से डिग्निग्निफाइड लकड़ी में परिणाम देती हैं जिसे ईटीओएच पूर्व समग्र निर्माण में संग्रहित किया गया था। इसलिए, EtOH भंडारण के बाद, हम आगे की प्रसंस्करण से पहले पानी में डिग्निग्निफाइड लकड़ी को सावधानीपूर्वक भिगोने की सलाह देते हैं। इसके अतिरिक्त, कुछ मुफ्त पानी को हटाने के लिए हाथ से मामूली डेन्सिफिकेशन के बाद सावधानीपूर्वक ड्रैपिंग क्रैकिंग के जोखिम को कम कर देता है।

Figure 7
चित्रा 7: जटिल ज्यामिति के निर्माण में उत्पन्न होने वाली संभावित समस्याएं। (A)निर्मित हेलमेट का बैक व्यू और(बी)साइड व्यू । (C,D) प्रसंस्करण के दौरान सामग्री के सिकुड़ने के कारण छोटी दरारें। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

समग्र भागों का पुन: उपयोग या अपघटन।

हमारे सेल्यूलोज-स्टार्च कंपोजिट सभी जैव आधारित है और पानी में विखंडित कर सकते हैं । एक तरफ, सामग्री की हाइड्रोफिलीसिटी एक नुकसान है, क्योंकि यह पानी के संपर्क में होने पर यांत्रिक प्रदर्शन को कम करता है। तरल पानी से समग्र की रक्षा के लिए एक सरल विधि हाइड्रोफोबिक कोटिंग्स शामिल हैं, जैसा कि हमने Frey एट अल. 20197में दिखाया है। दूसरी ओर, जब जीवन के अंत में उपयोग और रीसाइक्लिंग पहलुओं की बात आती है तो सामग्री का हाइड्रोफिलिक व्यवहार भी फायदेमंद हो सकता है। नमूना बस पानी में छोटे टुकड़ों को विघटित किया जा सकता है और रेशेदार घोल आगे नए फाइबर आधारित उत्पादों के उत्पादन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है के रूप में चित्रा 8में दिखाया गया है । इसके अलावा, रेशेदार सामग्री पूरी तरह से बायोडिग्रेडेबल है, जैसा कि 9 चित्रामें दिखाया गया है।

Figure 8
चित्रा 8: डिग्निफाइड लकड़ी फाइबर का फिर से उपयोग करें। (ए-सी) पानी में सामग्री को फैलाकर छोटे टुकड़ों में डिग्निग्निफाइड लकड़ी के लिबास को कम करना। (डी-एफ) हेलमेट की परत के उत्पादन के लिए फाइबर घोल का फिर से उपयोग करें। (D)फाइबर घोल के साथ एक सिलिकॉन मोल्ड की reveting । (ई)हेलमेट की अंतिम परत। (एफ)हेलमेट के कठिन खोल के अंदर विघटित delignified लकड़ी से बाहर की गई अस्तर । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 9
चित्र9: डिग्निफाइड लकड़ी के तंतुओं का क्षरण। (A)मिट्टी से भरी पेट्री डिश। (ख)मिट्टी के ऊपर फाइबर घोल रखना और(सी)इसे पानी से भरना । (D)एक दिन के बाद जैव-क्षरण,आठदिनों के बाद ई, और(एफ)26 दिनों के बाद । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

हम उच्च प्रदर्शन delignified लकड़ी आधारित कंपोजिट प्राप्त करने के लिए बहुमुखी निर्माण तकनीकों वर्तमान और संभव फिर से उपयोग और रीसाइक्लिंग रणनीतियों का सुझाव है । बंद मोल्ड प्रसंस्करण सामग्री की पूर्व कंडीशनिंग की आवश्यकताएं, क्योंकि इसे पानी-संतृप्त स्थिति में संसाधित नहीं किया जा सकता है। एक बंद मोल्ड प्रक्रिया का उपयोग करना, हालांकि, पसंद की विधि हो सकती है, खासकर यदि उदाहरण के लिए कोई वैक्यूम सेटअप उपलब्ध नहीं है या यदि दोनों पक्षों पर एक अच्छा (चिकनी) सतह खत्म वांछित है।

डिग्निफाइड लकड़ी का ओपन-मोल्ड वैक्यूम प्रोसेसिंग एक सरल और स्केलेबल दृष्टिकोण में पानी-संतृप्त नमूनों को आकार देने, डेन्सिफिकेशन और सुखाने के संयोजन के लिए अनुमति देता है। यह तकनीक जटिल ज्यामिति के उत्पादन के लिए लागू होती है और बंद-मोल्ड प्रक्रियाओं के लिए एक स्केलेबल विकल्प प्रदान करती है। हमने परतों के बीच चिपकने वाले स्टार्च का उपयोग करके डिग्निग्निफाइड लकड़ी के लिबास को स्टैकिंग करके कंपोजिट का निर्माण किया है। प्रारंभिक मोटाई के एक चौथाई तक नीचे डेन्सिफिकेशन के परिणामस्वरूप 8-परत मोटी समग्र भाग के 2.5 मिमी की अंतिम मोटाई हुई। वैक्यूम प्रक्रिया में एक चिकनी सतह खत्म प्राप्त करने के लिए, एक बंद असुरक्षित मोल्ड का उपयोग एक उपयुक्त विकल्प हो सकता है।

दोनों प्रसंस्करण विधियों के लिए, हम डेलामिनेशन के जोखिम को कम करने के लिए डिग्निग्निफाइड लकड़ी की परतों के बीच में चिपकने वाली प्रणाली के उपयोग की सलाह देते हैं। दिए गए उदाहरण के लिए, हम स्टार्च चुनते हैं, क्योंकि यह लुगदी और कागज के उत्पादों के लिए एक प्रसिद्ध जैव आधारित गोंद है, जैसे पेपर बैग, और पानी आधारित है । भविष्य के काम सुखाने और फाइबर प्रवाह विचलन के मामले में वर्तमान सीमाओं को हल करने के लिए मोटा टुकड़े टुकड़े के निर्माण पर ध्यान केंद्रित करेंगे ।

सामान्य तौर पर, डिग्निफाइड लकड़ी के वैक्यूम प्रसंस्करण में बड़े पैमाने पर डेन्सिफाइड सेल्यूलोज फाइबर कंपोजिट के आसान और तेज उत्पादन की क्षमता होती है। उचित कोटिंग्स, पानी स्थिर चिपकने वाली प्रणाली या रासायनिक संशोधन लागू करके सामग्री के स्थायित्व मुद्दे को संबोधित करने के बाद, संभावित औद्योगिक अनुप्रयोगों में दरवाजे पैनल, फर्श और डैशबोर्ड जैसे ऑटोमोटिव घटक शामिल हो सकते हैं। बेहतर ईंधन दक्षता के लिए वजन कम करने और पुनर्चक्रण में सुधार करने के लिए हमारी सामग्री धातुओं या फाइबर प्रबलित कंपोजिट की जगह ले सकती है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक असुरक्षित मोल्डों की 3 डी प्रिंटिंग के लिए सिलवन गैटेनबेइन का शुक्रिया अदा करते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Joshi, S. V., Drzal, L. T., Mohanty, A. K., Arora, S. Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites? Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 35, (3), 371-376 (2004).
  2. Mohanty, A. K., Misra, M., Drzal, L. T. Sustainable Bio-Composites from Renewable Resources: Opportunities and Challenges in the Green Materials World. Journal of Polymers and the Environment. 10, (1), 19-26 (2002).
  3. Mohanty, A. K., Vivekanandhan, S., Pin, J. M., Misra, M. Composites from renewable and sustainable resources: Challenges and innovations. Science. 362, (6414), 536-542 (2018).
  4. Pickering, K. L., Efendy, M. G. A., Le, T. M. A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 83, 98-112 (2016).
  5. Woigk, W., et al. Interface properties and their effect on the mechanical performance of flax fibre thermoplastic composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 122, 8-17 (2019).
  6. Frey, M., et al. Delignified and Densified Cellulose Bulk Materials with Excellent Tensile Properties for Sustainable Engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 10, (5), 5030-5037 (2018).
  7. Frey, M., et al. Tunable Wood by Reversible Interlocking and Bioinspired Mechanical Gradients. Advanced Science. 6, 1802190 (2019).
  8. Yano, H., Hirose, A., Collins, P., Yazaki, Y. Effects of the removal of matrix substances as a pretreatment in the production of high strength resin impregnated wood based materials. Journal of Materials Science Letters. 20, (12), 1125-1126 (2001).
  9. Song, J., et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature. 554, (7691), 224 (2018).
  10. Shams, M. I., Yano, H., Endou, K. Compressive deformation of wood impregnated with low molecular weight phenol formaldehyde (PF) resin I: effects of pressing pressure and pressure holding. Journal of Wood Science. 50, (4), 337-342 (2004).
  11. Yano, H. Potential strength for resin-impregnated compressed wood. Journal of Materials Science Letters. 20, (12), 1127-1129 (2001).
  12. Keplinger, T., Wang, X., Burgert, I. Nanofibrillated cellulose composites and wood derived scaffolds for functional materials. Journal of Materials Chemistry A. 7, (7), 2981-2992 (2019).
  13. Segmehl, J. S., Studer, V., Keplinger, T., Burgert, I. Characterization of Wood Derived Hierarchical Cellulose Scaffolds for Multifunctional Applications. Materials. 11, (4), 517 (2018).
  14. Maurer, H. W., Kearney, R. L. Opportunities and challenges for starch in the paper industry. Starch-Stärke. 50, (9), 396-402 (1998).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics