纤维素基生物和纳米复合材料:一个回顾

文摘

宏观和纤维素纳米纤维得到了越来越多的关注由于高强度和刚度、生物降解性和提高,复合材料的生产和应用开发。应用纤维素纳米纤维复合材料的发展是一个相对较新的研究领域。宏观和纤维素纳米纤维可以用作强化复合材料由于增强的机械、热、生物降解性能的复合材料。纤维素纤维在本质上是亲水的,所以有必要增加表面粗糙度的发展与增强复合材料属性。在本文中,我们回顾了纤维素纤维的表面改性的各种方法。处理方法、属性和各种nanocellulose和纤维素复合材料的应用进行了讨论。

1。介绍

Cellulose-fiber-reinforced聚合物复合材料得到了太多的关注,因为他们的低密度,nonabrasive,可燃、无毒、低成本、和生物降解性能。很多研究工作一直在世界各地进行纤维素纤维为增强材料的使用各种类型的复合材料的制备。然而,缺乏良好的附着力,熔点低,和水敏感性降低cellulose-fiber-reinforced复合材料的使用的吸引力。纤维素纤维的预处理可以修改纤维表面,如化学功能化停止吸湿过程和增加表面粗糙度(1]。

纳米纤维素纤维的生产及其在复合材料中的应用得到了越来越多的关注由于其高强度和刚度结合低体重、生物降解性和提高。纤维素纳米纤维在聚合物中的应用钢筋是一种相对较新的研究领域2]。利用纤维素纳米纤维复合材料的主要原因是因为一个可以利用的高刚度纤维素晶体进行加固。可以通过分解植物的层次结构为个性化的纳米纤维的结晶度高,非晶部分的减少(3]。

在本文中,我们将介绍各种方法的合成纳米纤维植物资源。潜在使用宏观和纳米纤维作为增强材料的发展与增强聚合物复合材料性能和应用这些复合材料在各个领域也进行了讨论。

2。纤维素纤维

纤维素纤维被作为潜在的增强材料,因为很多丰富等优点,低重量,可生物降解,便宜,可再生,低的磨料,有趣的特定属性,因为这些废弃物生物质,表现出良好的力学性能(4- - - - - -6]。纤维素纤维也有一些缺点,如吸湿性,质量变化,热稳定性低、兼容性与疏水性聚合物矩阵(7,8]。

2.1。纤维素的化学成分

纤维素是陆地生物最丰富的生活形式9),发现应用程序在许多现代工业领域。存在的纤维素是植物细胞壁的常见材料于1838年首次被安瑟伦Payen [10]。纤维素已被证明是一种长链聚合物与葡萄糖的重复单位,一个简单的糖。它发生在棉纤维几乎纯形式。然而,在木材、植物叶和茎,发现与其他材料相结合,如木质素和半纤维素。虽然,通常被认为是一种植物材料,但一些细菌也发现生产纤维素。

纤维素是一种天然高分子,长链由小分子的连接。在纤维素链的链接包括糖、βd葡萄糖(11]。糖单位有关当水通过结合H和消除-哦。连接两个这些糖类产生一种二糖称为纤维二糖(12]。在纤维素链葡萄糖单元六元环,称为吡喃糖。他们加入了单个氧原子之间的颈- 1(缩醛联系)的c - 4吡喃糖环和下一个戒指。自一个水分子丢失是由于酒精和半缩醛的反应形成一个缩醛,纤维素葡萄糖单元的聚合物被称为脱水葡萄糖单位。

这些缩醛的空间排列或立体化学的联系是非常重要的。纤维素分子的吡喃糖环的所有组比氢伸出的外围环(equitorial位置)。碳的立体化学2、3、4和5的葡萄糖分子是固定的,但在吡喃糖形式,在c - 4羟基可以从两侧颈- 1方法的羰基,导致颈- 1两种不同的立体化学。当羟基环颈- 1在同一侧的其他碳,这是在说α配置。颈- 1在纤维素,氧气是相反的β配置(即。,cellulose is poly[β1,4-D-anhydroglucopyranose])。这β配置,与所有官能团在赤道的位置,使纤维素分子链的延长或多或少的直线,使其良好的成纤聚合物(13]。

由于赤道位置的羟基纤维素链,他们伸出横向扩展分子和现成的氢键。这些氢键导致连锁集团在一个高度有序的结构。自从链通常长于水晶地区,他们被认为通过几个不同的结晶区域,与地区之间的障碍(“fringed-micelle”模式)14]。水晶地区跨链氢键是强大的,让在大多数溶剂合成纤维强度和不溶性好。他们还阻止纤维素融化(非热塑性)。less-ordered地区,连锁相隔更远,更可用于与其他分子的氢键,例如水。大多数纤维素结构能吸收大量的水(吸湿)。因此,纤维素膨胀但不溶于水13]。

纤维素分子包含三种不同的脱水葡萄糖单元,减少端免费hemi-acetal(或醛)组颈- 1,nonreducing结束与一个自由羟基在c - 4和内部环颈- 1和c - 4。但由于长链长度、酒精的化学集团内部单位主导,只要链不裂解反应条件。但是,与简单的醇、纤维素反应通常比预计将由立体控制因素的基础上固有的反应性不同的羟基。c - 2、颈- 3和其他氢氧根和碳氢键组织活跃的网站通过嫁接纤维素高分子链的整合。在嫁接,据报道,其他羟基的反应活性远低于那些在c - 2和颈- 313]。

2.2。纤维素纤维的化学组成、结构和性质

纤维素纤维可以根据他们的起源和分类分为叶:马尼拉麻,龙舌兰纤维,curaua,枣椰树,龙舌兰纤维、菠萝、剑麻、香蕉;种子:棉;韧皮:亚麻、大麻、黄麻、苎麻;水果:椰壳,木棉,棕榈油;草:阿尔法、甘蔗渣、竹;茎:稻草(谷物)。韧皮叶(硬纤维)类型是最常用在复合应用程序15,16]。常用的植物纤维棉花、黄麻、大麻、亚麻、苎麻、剑麻、椰壳、龙舌兰纤维、木棉。世界上最大的生产商的剑麻是坦桑尼亚和巴西。在墨西哥龙舌兰纤维产生而在菲律宾马尼拉麻,麻。最大的黄麻生产商是印度、中国和孟加拉(1]。

植物纤维是纤维素纤维的组成,组成的螺旋绕组纤维素微纤维,聚在一起由一个非晶木质素矩阵。木质素纤维的水,作为保护生物袭击和加劲肋给阻止其抵抗重力和风力。天然纤维中的半纤维素被认为是纤维素和木质素之间的增容剂(1]。纤维不是同质的细胞壁膜(图1)[17]。每个纤维有一个复杂的、分层的结构组成的薄初生壁的第一层沉积在细胞生长包围一个次生壁。次生壁由三层和中间厚层决定了纤维的力学性能。螺旋绕组的中间层由一系列细胞纤维素微纤维由长链分子。纤维轴之间的夹角和微纤维称为microfibrillar角。microfibrillar角的特征值不同的纤维。这些微纤维通常直径约10 ~ 30海里,由30 - 100纤维素分子伸展链构象和提供机械强度纤维。

纤维素纤维的性能受到很多因素的影响,如品种、气候、收获,成熟,沤麻学位,剥外皮,瓦解(机械、蒸汽爆炸处理),纤维改性、纺织、和技术流程(旋转和梳理)(18]。为了了解天然纤维增强复合材料的性能,有必要知道机械,天然纤维的物理和化学性质。亚麻纤维相对强劲的纤维相比其他天然纤维。地区小学纤维的抗拉强度1500 MPa和技术纤维的价值大约800 MPa是观察到3毫米夹长度(19]。Baley [20.]和拉米Baley [21]研究了亚麻纤维的模量。初级纤维的模量是依赖于纤维的直径范围从39 GPa对纤维直径大约有35人μm - 78 GPa纤维有5μ米直径。这种变化与纤维之间的变化相对腔的大小有不同的直径。平均杨氏模量54 GPa后观察到许多单一的亚麻纤维拉伸测试和结果的范围内模测量技术纤维。机械、化学和物理性质的植物纤维是强烈依赖于收获,受到气候的影响,地理位置,气候条件,土壤特性。这些属性也影响在处理纤维如沤麻,擦伤,漂白,旋转22]。

纤维素纤维相对高强度、高刚度、低密度(23]。soft-wood-Kraft-fibers和亚麻的特性值已经找到接近的值e玻璃纤维。不同的机械性能可以融入天然纤维处理期间。纤维性能和结构受到一些条件和随面积的增长,其气候和年龄的植物24]。技术消化的纤维是另一个重要因素决定了纤维的结构以及特征值。大部分天然纤维的弹性模量等木材大约10 GPa。纤维素纤维与模可以分开木40 GPa chemical-pulping过程。这种纤维可以进一步细分为微纤维在70 GPa的弹性模量。纤维素链的理论计算弹性模250 GPa得到值。然而,没有可用的技术分离这些从微纤维25]。天然纤维的抗拉强度取决于测试样品的长度是主要重要的关于加强效率。Mieck et al。26],穆克吉和Satyanarayana [27)报道,亚麻纤维的抗拉强度明显更依赖于纤维的长度。相比之下,菠萝纤维的抗拉强度是减少对长度的依赖,而分散的主要测量值都坐落在标准偏差的范围。亚麻纤维的性质是由分子精细结构的纤维受到生长条件和所使用的纤维加工技术。亚麻纤维具有适度的高比强度和刚度。

纤维的质量和其他属性取决于因素,如大小、成熟度、加工采用纤维的提取方法。性质如密度、电阻率、极限抗拉强度和初始模量与纤维的内部结构和化学成分23]。可取的属性纤维包括优秀的抗拉强度和模量、高耐久性、低体积密度、良好的可塑性和可回收性。

3所示。纤维素纳米纤维

纤维素纳米纤维具有较高的潜在使用在许多不同的领域特别是钢筋在纳米复合材料的发展。许多研究已经完成隔离和表征纤维素纳米纤维从各种来源。纤维素纳米纤维可以通过简单的机械从细胞壁中提取方法或两者的结合化学和机械方法。

3.1。纤维素纳米纤维的合成

Alemdar和祈神保佑28)从小麦秸秆中提取纤维素纳米纤维通过化学处理,得到纯化的纤维素。有个性的纳米纤维细胞壁的机械处理(cryocrushing、瓦解和去颤步骤)是应用于化学处理纤维。纤维素纳米纤维提取的农业残留物,麦秸和大豆船体、chemomechanical技术(29日]。确定小麦秸秆纳米纤维直径在10 - 80纳米的范围和几千纳米长度。相比之下,大豆壳纳米纤维直径20 - 120 nm和较短的长度比小麦秸秆纳米纤维。齐默尔曼et al。30.]分离nanofibrillated纤维素(NFC)的最大可能的长度和直径100纳米以下开始从不同的纤维素材料机械分散和高压(1500条)均化过程。治疗导致纳米纤维网络。两个商业显示更大的纤维素纤维纤维素酶聚合与微米尺寸和均匀网络结构。

纤维素纳米纤维被王提取和祈神保佑31日(图)从大豆库存chemomechanical治疗2)。这些包的纤维素纳米纤维的直径范围在50到100纳米,长度的纳米。

纤维素纺锤从小麦秸秆中提取使用蒸汽爆炸,酸性处理,和高剪切机械处理。Alkaline-treated纸浆溶液浸泡在8%的H₂O₂一夜之间(v / v)。漂白纸浆然后与充裕的蒸馏水冲洗。漂白纸浆然后用10%盐酸(1 N)解决方案和混合使用超声发生器温度约60±1°C 5 h。最后,纤维被用蒸馏水洗几次为了中和最终的pH值,然后晒干。纤维悬浮在水中并不断搅拌15分钟的高剪切均质机。高剪切动作分解纤维聚集,导致纺锤32]。

3.2。纤维素纳米纤维的结构和性能

透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、原子力显微镜(AFM)、广角x射线散射(蜡)和核磁共振光谱学已经用于研究纤维素纳米纤维的结构(33]。显微镜和图像分析技术的结合可以提供关于纤维素纳米纤维宽度的信息但很难找到纳米纤维的长度,因为纠葛和困难识别单个纳米纤维的两端。经常报道,MFC悬浮液并不均匀,他们由纤维素纳米纤维和纳米纤维束(2]。

特谢拉et al。34)获得了白色和彩色的悬浮液纳米纤维酸水解的白色和自然彩色棉花纤维。其中可能存在的差异在形态学和其他特征。形态学研究棉花纳米纤维显示85 - 225 nm的长度和直径6 - 18海里。发现没有明显的从不同的棉花纤维形态纳米结构之间的差异。发现的主要差异是略高产量、磺化效率和热稳定性的动态温度条件下白色的纳米纤维。另一方面,纳米纤维颜色显示一个更好的热稳定性比白人在等温条件下180°C。

纤维素纳米纤维的结构从农业残留物被Alemdar调查和祈神保佑29日]。红外光谱分析表明,化学处理也导致部分去除半纤维素和木质素纤维的结构。PXRD结果显示,这导致改善纤维的结晶度。热性能TGA研究了纳米纤维的技术和被发现显著增加。

Stelte和Sanadi35]研究了制备纤维素纳米纤维的机械颤过程从两个商业和软木纤维素纸浆。颤的程度进行了研究使用光学显微镜(LM),扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)。LM和SEM图像(图3)的努力表明,硬木和软木纤维纤维,有原纤维的表面只有在精炼步骤现在分裂成小的纤维网络。AFM图像(图4)的高压均质化后的最终产品显示的大小分布和软木纳米纤维在汽车销售纳米直径的范围。

小王和祈神保佑31日]合成大豆股权纳米纤维直径在50 - 100纳米范围chemomechanical隔离。x射线晶体学(图5百分比)进行了调查后结晶度chemomechanical治疗的不同阶段。人们已经发现,样品的结晶度增加后纳米纤维发展的每个阶段。

图6显示了纤维素纳米纤维网络。高压除颤后获得的纳米纤维悬浮使用AFM分析来确定直径。AFM图像(图6)显示的表面风干大豆股票纳米纤维。见过,确实是纳米纤维和纳米纤维的直径在50 - 100纳米范围。

4所示。表面改性的纤维素纤维

为了发展复合材料有更好的机械性能和环保性能,有必要增加纤维素纤维的疏水性,提高矩阵和纤维之间的界面。缺乏良好的界面粘附、熔点低、阻力对水分的利用植物纤维素纤维增强复合材料的吸引力。纤维素纤维的预处理可以干净的纤维表面,化学修改表面,阻止水分的吸收过程,增加表面粗糙度(1,36]。各种预处理技术,甲硅烷基化、碱化、过氧化,苯甲酰化、接枝共聚和细菌纤维素治疗是最好的天然纤维的表面改性方法。

4.1。甲硅烷基化、碱化和其他表面化学修饰

硅烷偶联剂通常改善交联的程度在界面区域,并提供一个完美的结合。在各种耦合剂、硅烷偶联剂是有效的修改自然fiber-matrix接口。硅烷处理效率高的alkaline-treated纤维比未经处理的纤维,因为更多的硅烷反应可以生成反应网站。因此,纤维用氢氧化钠预处理大约半个小时前与硅烷的耦合。纤维被洗了很多次在蒸馏水最后干。硅烷偶联剂可以降低纤维素羟基的数量fiber-matrix接口。的水分,可水解的烷氧基组导致硅醇的形成。然后硅醇与纤维素的羟基反应,形成稳定的共价键的细胞壁化学吸附在纤维表面(37]。因此,硅烷的应用提供的烃链的肿胀抑制纤维通过创建一个由于共价键交联网络和矩阵之间的纤维(1]。

硅烷是有效改善界面性能(38- - - - - -41]。烷氧基硅烷可以与羟基成键。纤维治疗与甲苯dissocyanate triethoxyvinyl硅烷可以改善界面属性。硅烷水解后进行冷凝和债券形成阶段,可以通过与羟基反应形成聚硅氧烷结构的纤维。反应给出方案1和2(1,42]。

的水分,hydrolysable烷氧基组导致硅醇的形成。氢和共价键自然fiber-silane系统中发现的可能机制。据悉,提供的烃链硅烷应用纤维的润湿性的影响,从而提高聚乙烯的化学亲和力。1%的解决方案三aminopropyl trimethoxy硅烷在丙酮和水的溶液体积(50/50)2 h据说用来修改亚麻表面(43]。荣et al。17)浸泡剑麻纤维aminosilane 2% 95%的酒精溶液的pH值为5分钟4.5 - -5.5之后30分钟风干水解偶联剂。硅烷溶液在水和乙醇混合物的浓度0.033%和1%也是由Valadez-Gonzalez et al。44)和Agrawal et al。37)治疗龙舌兰纤维和棕榈纤维。他们修改了龙舌兰纤维短纤维与硅烷偶联剂以找出其纤维表面的沉积机制和化学处理的影响复合材料的力学性能。结果表明,木质素和其他碱溶性化合物的部分去除纤维表面增加了硅烷偶联剂的吸附而形成的矽抑制这一过程。

碱化是常见的方法来生产高质量的纤维(45]。计划3显示了纤维素纤维的碱化的可能机制。碱化导致颤动导致复合纤维束的分解成更小的纤维。碱化降低纤维直径,从而增加了长宽比导致粗糙表面地形的发展,导致更好的fiber-matrix界面附着力和提高力学性能46]。此外,碱化增加可能的反应网站数量,并允许更好的纤维润湿。碱化的化学成分会影响亚麻纤维、纤维素的聚合度,分子取向微晶由于胶结物质如木质素和半纤维素碱化过程中被移除。因此,碱化持久的影响亚麻纤维的力学性能,主要集中在纤维强度和刚度47]。Sreekala et al。42)表示,产生最好的10 - 30%的氢氧化钠溶液对天然纤维性能的影响。亚麻纤维被浸泡到2.5,5、10、13、15、18、20、25,或30%氢氧化钠溶液,发现5%,18%或10%的氢氧化钠溶液碱化的合适的浓度。黄麻纤维处理5%碱解0,2,4,6,8 h在30°C射线et al。45]。纤维被干在室温下48 h后烘干在100°C 6 h。据报道,Garcia-Jaldon et al。48),2%的碱溶液在200°C和90年代1.5 MPa的压力适合个别纤维脱胶和去纤颤状态。几个工人进行碱处理和报道,碱化导致非晶的数量的增加为代价的结晶纤维素和纤维素的氢键网络结构(42,46]。黄麻纤维是用洗涤剂洗净(2卷。%在水溶液中,活性物15%),然后沉浸在烧杯溶液5 wt。在室温下%氢氧化钠为24小时。之后,纤维用蒸馏水彻底清洗除去过量的氢氧化钠和干在70°C下24小时的真空49]。香蕉纤维在0.25%的氢氧化钠溶液清洗和回流1小时然后洗很稀酸去除nonreacted碱。洗是一直持续到纤维碱自由。然后洗纤维干在烤箱70°C 3 h (50]。

过氧化处理纤维素纤维吸引了不同研究者的注意,由于简单的加工性能和力学性能的改善。有机过氧化物分解容易倾向于自由基(RO),进而与氢反应群矩阵和纤维素纤维。计划4和5过氧化显示治疗反应在纤维素纤维(42]。

在过氧化氢处理、纤维处理6%的过氧化苯甲酰、过氧化二异丙苯丙酮溶液碱预处理后约30分钟(42,51,52]。亚麻纤维涂层与过氧化二异丙苯丙酮碱预处理后的解决方案。饱和溶液使用丙酮的过氧化。溶液中浸泡的纤维是由温度为30分钟70°C。高温受到偏爱与过氧化氢分解。化学处理纤维用蒸馏水洗净,放入烤箱80°C的24小时(53]。

在苯甲酰化处理、苯甲酰氯是最常用在苯甲酰(C纤维预处理和包容₆H₅纤维C = O)集团负责处理纤维的亲水性自然下降(46]。一个已知数量的清洗纤维(35 g)在18%的氢氧化钠溶液浸泡30分钟过滤和洗涤用水紧随其后。处理过的纤维悬浮在10%氢氧化钠溶液和激动50毫升苯甲酰氯。纤维素-哦群之间的反应显示了剑麻纤维和苯甲酰氯的计划6(46,54]。

约瑟夫et al。46)和氧化钾et al。54用氢氧化钠和苯甲酰氯(C₆H₅COCl)剑麻纤维的表面处理解决方案。纤维最初碱性进行预处理以激活的羟基纤维素和木质素纤维;然后纤维悬浮在10%氢氧化钠和苯甲酰氯的解决方案,持续15分钟。孤立的纤维被浸泡在乙醇1 h去除苯甲酰氯,最后用水洗,干在烤箱80°C 24 h (55]。

4.2。聚合物接枝

理想的和有针对性的属性可以通过接枝共聚的纤维素纤维为了满足专门的应用程序的要求。接枝共聚是最好的方法来修改纤维素纤维的特性。不同的二进制乙烯基单体及其混合物graft-copolymerized到纤维素材料修改许多聚合物骨干的属性(1,56]。

过去几十年里,已经提出几种方法制备接枝共聚物的常规化学技术。创建一个活跃的站点在现有聚合物骨干的共同特征是最接枝共聚物的合成方法。活性位点可能自由基或化工集团可能参与一个离子聚合或冷凝的过程。合适的单体的聚合到这个激活骨干聚合物接枝共聚物的形成。离子聚合必须也是无水介质和/或在相当数量的碱金属氢氧化物的存在。离子接的另一个缺点是低分子量得到接枝共聚物在自由基接枝的高分子量聚合物可以做好准备。C₂C₃C₆氢氧根和碳氢键团体的活跃的引用是嫁接在纤维素制品(图7)[57]。

传统的嫁接技术和化学改性天然纤维需要大量的时间和精力。MWR技术修改的属性的使用天然纤维在纺织行业,尽管有些缓慢,仍然相当有限,正逐渐融入大量用于生产工厂。微波辐射技术降低了纤维的物化的程度强调暴露在传统的技术。微波技术使用电磁波,通过材料,使它的分子振动。微波能量没有观察到任何程度,而非极性材料极性水分子在聚合物基质吸收能量非常精通,因此成为加热(58,59]。

甲基丙烯酸甲酯的接枝共聚到亚麻纤维进行了在三种不同的反应方法,在空气中,在压力下,在微波辐射的影响。通过微波辐射接枝技术是一种有效的方法的时间消耗和成本效益。最大百分比嫁接已经观察到的嫁接进行空气其次是嫁接在压力下和在微波辐射的影响。亚麻纤维接枝过程中面临更少的表面变形的影响下微波辐射与嫁接在空气和压力,从而留住更好的晶体结构。形态学和热研究显示,跟大麻纤维表面变得粗糙通过接枝共聚和热稳定性发现提高了。微波辐射诱导移植了身材矮小的结晶行为的影响跟大麻纤维的最佳时间最大嫁接非常少(40分钟)相比,传统的嫁接60]。

4.3。细菌的修改

细菌纤维素的涂层在纤维素纤维提供了新的手段,控制纤维和聚合物之间的相互作用矩阵。与细菌纤维素纤维涂料不仅促进良好的分布矩阵内的细菌纤维素,但也导致了一种改进的纤维和基质之间的附着力。这增强了纤维和聚合物之间的相互作用矩阵通过机械联锁3,61年]。使用细菌纤维素纤维素纤维的表面改性是最好的绿色纤维表面处理的方法。细菌纤维素获得关注的研究领域鼓励具有属性;如重要的机械性能在干、湿状态,孔隙度、水吸收性、可塑性、生物降解性和良好的生物亲和性62年]。由于这些特性,公元前有广阔的应用潜力。

xylinum醋菌(或Gluconacetobacter xylinus)是最高效的细菌纤维素生产商。公元前分泌带状的原纤维,小于100纳米宽,由2 - 4纳米纺锤更加精细。相比的方法获取nanocellulose通过机械或chemomechanical过程,它是由细菌纤维素生物合成和积累的微纤维束(63年- - - - - -65年]。

培养生产细菌纤维素的天然纤维,如剑麻麻,导致天然纤维表面的涂层细菌nanocellulose(图8)[61年]。强和高度优先结晶nanocellulosic纤维与天然纤维的表面从而创造“毛纤维”(图9),导致纳米天然纤维表面。仅仅考虑公元前前后纤维发酵过程确认在5和6之间wt %的细菌纤维素坚持后的纤维表面改性。附件的力量nanocellulose涂层的纤维可以归因于强有力的羟基之间的氢键存在于细菌纤维素和木质纤维素的天然纤维(66年]。修改过程不影响剑麻纤维的力学性能,但显著降低大麻纤维的力学性能。图10显示了细菌的涂层nanocellulose到大麻纤维(61年]。

改善天然纤维和疏水性聚合物矩阵之间的兼容性,探究了各种环保方法如真菌、酶和细菌的治疗方法。氧化钾和Sheoran67年]报道苎麻纤维的纤维素酶酶辅助生物抛光使用细菌链霉菌属albaduncus。摘要苎麻纤维从细菌利用纤维素酶链霉菌属albaduncus观察5天,在pH值7.4和2.0 g葡萄糖,从而增强亮度由于胶材料的去除和小原纤维的纤维表面。细菌治疗矮小影响热稳定性和苎麻纤维的晶体结构。

5。Cellulose-Fiber-Reinforced Biocomposites

5.1。处理方法

天然纤维复合材料准备使用各种复合材料制造方法,如压缩成型,注塑、树脂传递模塑(RTM)和真空装袋。预先形成主要是纤维、织物、非织造布。半固化片也广泛用于准备复合材料(68年]。方程(1)是常用的复合材料的制备 在哪里纤维体积分数,纤维的重量,是矩阵的重量。和分别是纤维的密度和矩阵。

复合材料的生产优化与温度、压力和成型时间。常常需要预热前天然纤维减少水分处理的复合材料。高温降解纤维素;因此,负面影响复合材料的力学性能。低效率的光纤色散矩阵导致纤维集聚降低抗拉强度(68年]。大多数以前的研究都集中在天然纤维复合材料等增援亚麻、大麻、剑麻、黄麻、热塑性和热固性矩阵。这些复合材料生产使用矩阵从纤维素的衍生品,淀粉,乳酸开发完全可降解复合材料或biocomposites [69年]。新兴应用的多样性的天然纤维复合材料的生产三明治结构基于天然纤维复合皮。在某些情况下,这些三明治从纸蜂窝复合材料生产,天然纤维增强热塑性或热固性皮肤,这取决于应用程序。

的主要标准选择适当的对天然纤维复合材料制造工艺包括所需的产品几何,所需的性能,成本和易于制造。天然纤维复合材料的制备方法是类似于用于玻璃纤维。最常用的制造流程介绍如下。虽然许多这些技术存在变异,本文给出了一个启示,生产的可能性。

5.1.1。层压手

纤维放置在模具和树脂由辊后应用。一种选择是使用真空袋治疗,然后删除过量空气和大气压力施加压力,紧凑的部分。简单,低成本的工具和灵活性的设计的主要优点是过程。另一方面,生产时间长,密集的劳动力,和低自动化潜力,包括的一些缺点。

5.1.2中。树脂传递模塑(RTM)

树脂传递模塑法的技术要求纤维被放置在一个模具组成的两个固体部分(关闭模具技术)。管连接模具供应的液体树脂,在低压注入模具,浸渍纤维。在室温下产生的部分是治愈或以上,直到结束的固化反应,当打开模具和产品。注射压力等参数、纤维含量和模具温度有很大影响温度资料和热边界层的发展,尤其是对薄蛀牙。这种技术的优点是快速制造的大型、复杂,高性能零件。几种类型的树脂(环氧树脂、聚酯、酚醛树脂和丙烯酸)可用于RTM只要他们的粘度足够低,以确保适当的润湿的纤维。注射压力等参数、纤维含量和模具温度有很大影响温度资料和热边界层的发展,尤其是对薄蛀牙。所有操作步骤是非常重要的知识来获得高质量的零件(68年]。

这个过程的另一个变体是真空注入或真空辅助树脂传递模塑法(VARTM),在一个坚实的模具和金属箔(聚合物膜)。VARTM工艺是一个非常干净和低成本制造方法:树脂加工成干强化vacuum-bagged工具,只使用部分真空驱动树脂。作为一个工具的脸是灵活的,层压模压厚度部分取决于fiber-resin复合固化前的压缩性和真空负压。

5.1.3。压缩成型

压缩模塑法是另一种纤维增强聚合物的主要施工技术,包括中间复合钢板被广泛称为片状模塑料(SMC)是由压缩后模压成最后的部分。SMC的过程由一个滚动的树脂膜纤维补充道。树脂的第二个电影然后补充道,以便后来被压缩在复合单,可以保存几天。得到最终产品钢筋表然后放在新闻所需的形状。

压缩模塑法的优点是非常高的批量生产能力,优秀的一部分重现性和短周期时间。处理时间< 2分钟期间达到压缩成型的三维组件形成程度高。它也表明,天然纤维和基体树脂的粘附是重要的为了获得良好的天然纤维复合材料的力学性能,成型和机械性能改善的条件下,成型压力和温度。压缩成型的大问题,需要总是被认为是破坏前的最大压力和结构的纤维。

5.1.4。注塑

注塑工艺适用于复杂形状和细节具有优良的表面光洁度和尺寸精度高产量和低劳动力成本。注塑树脂颗粒和短纤维混合成一个加热桶和运送到模腔轴。注射成型过程中最重要的是另一个塑料的制造/复合材料和从非常小的产品,如瓶盖可以产生非常大的汽车身体部位。

是5.1.5。拉挤成型

拉挤成型是一个连续的过程来制造复合资料在任何长度。浸渍纤维被通过一个死去,这是根据所需的产品的截面形状。由此产生的轮廓的形状,直到树脂干燥。这个过程的优点是建造薄壁结构的能力,大量各种各样的横截面形状和高自动化程度的可能性。

5.2。界面相互作用

所有天然纤维(在不同的程度上)亲水在自然界中。这主要是由于木质纤维素的结构,含有强烈极化羟基(68年]。因此,这些纤维在本质上是不符合在复合制造树脂。许多知名和受欢迎只有一些酚醛树脂等热固性材料和相关聚合物亲水性较低,因此更少的问题。

这种差异常常导致无效的形成纤维和基质之间的接口。使用这些纤维的主要局限性等援军在矩阵包括polar-hydrophilic纤维之间的界面附着力差和nonpolar-hydrophobic矩阵,和困难在混合由于贫穷润湿纤维的矩阵。矩阵的作用在纤维增强复合材料是将负载转移到硬纤维通过剪切应力在界面。这个过程需要一个良好的债券之间的聚合物基体和纤维70年]。

可怜的粘附界面意味着完整功能的复合不能被利用,使它容易受到环境攻击可能削弱它,从而减少其寿命。聚合物和纤维之间的附着力不足导致可怜的天然纤维增强聚合物复合材料的力学性能。

纤维可以清洁纤维表面的预处理,化学修改表面,阻止水分的吸收过程,增加表面粗糙度(71年,72年]。这些属性可以提高物理治疗如冷等离子体处理或电晕处理,和化学处理如顺丁烯二酸酐、有机硅烷、异氰酸酯、氢氧化钠、高锰酸盐、过氧化氢。

5.2.1。物理治疗

物理治疗改变纤维的结构和表面性质,从而影响聚合物的机械结合。电晕处理是一个最受欢迎的表面氧化技术通过放电活化纤维素纤维的表面能变化。冷等离子体处理是另一个放电技术,可以有相同的表面效果和提高纤维基质粘附[72年]。传统的物理方法是碱化。在这个过程中,纤维的水溶液中强碱处理(碱处理),产生巨大的肿胀,导致变化的结构、尺寸、形态、和机械性能72年]。

5.2.2。化学处理

化学治疗的最有效的方法之一是接枝共聚[68年,72年]。纤维素是处理与选择离子水溶液中,暴露于高能辐射。在辐射下,纤维素分子和激进分子形成裂缝。然后使用一个合适的(兼容矩阵)解决方案有可能创建一个共聚物与纤维和基体的性质及特点。天然纤维的接枝共聚物和乙烯基单体提供更好的矩阵和纤维之间的附着力。Gauthier et al。73年)报道,附着力可能提高了使用耦合剂与顺丁烯二酸酐将通过亲水化矩阵上羟基,因此提高树脂的纤维润湿效果。然后羟基与木质纤维素的纤维-哦分子通过氢键,从而产生更强的债券。乔治et al。74年)回顾了物理和化学治疗可能改善fiber-matrix粘附和制造biocomposites通过应用纤维的碱性溶液。天然纤维主要是由纤维素组成的基本单位,酐的葡萄糖,含有三个羟基(OH)组。这些羟基形成内部和分子间债券,导致所有蔬菜纤维亲水性。失去的碱性溶液再生纤维素和溶解的微坑或裂缝纤维导致更好的fiber-matrix粘连。

耦合剂是基于这一概念,当两种材料是不相容的,第三个和中间材料属性可以带来的兼容性混合物(72年]。耦合剂有两个功能:与OH反应的纤维素和与矩阵的官能团反应,目的是促进应力纤维和基质之间的转移。大量研究[68年,72年)进行了使用耦合剂包括有机硅烷、三嗪,马来酸酐(MAH)。例如,谢et al。75年)使用硅烷偶联剂在天然纤维/聚合物复合材料和得出结论,适当治疗纤维与硅烷可以增加附着力,提高最终的复合材料的力学性能。Gassan和Bledzki76年)提高了抗拉和抗弯强度和刚度的黄麻用硅烷处理纤维/环氧复合材料。乙酰化、异氰酸酯治疗和治疗与硬脂酸一些化学方法改性和制备纤维/基体的附着力。

5.3。描述

植物纤维复合材料基本上是由自然和由一组的细长细胞组成的中空的纤维素纤维由木质素和半纤维素矩阵(77年]。纤维的强度和刚度是由氢键和其他联系。纤维的整体性质取决于它的每个组件的个人属性。负责生物降解半纤维素,纤维的吸湿和热降解。另一方面,木质素(或果胶)热稳定但负责紫外线降解的纤维。平均而言,天然纤维含有60 - 80%纤维素,木质素(或果胶)5 - 20%,高达20%的水分。

在复合纤维的性质结合的矩阵,这是负责外部负载转移到僵硬的纤维通过剪切应力在界面以及保持纤维在一个特定的结构形式。因此,复合材料的属性的组合成分的属性及其预测和评估成为一个困难的工作。

5.3.1。刚度和强度

天然纤维复合材料的力学性能比玻璃纤维的要低得多。然而,它们的特定属性,特别是刚度与玻璃纤维的声明价值。此外,天然纤维比玻璃轻50%左右,一般来说更便宜。人们普遍认为天然纤维复合材料结合良好的力学性能和较低的密度,提供另一种材料为玻璃纤维增强塑料在一些技术应用。例如,Bledzki和Gassan72年)观察到的特征值天然纤维相媲美的玻璃纤维。实验数据给出了抗拉强度、抗弯强度、模量、冲击力和压缩力可用文献中不同类型的天然纤维复合材料。

复合材料的极限强度取决于几个因素,其中最重要的组件的属性和体积分数。Wambua et al。70年)研究的重要性和影响体积分数对天然纤维复合材料的抗拉强度。他们报告说,增加纤维重量分数产生抗拉强度的增加。测试不同的纤维增强,他们还发现,大麻/聚丙烯(PP)复合材料体积分数30%显示52 MPa的抗拉强度高于玻璃增强复合材料具有相同体积分数。此外,大麻和kenaf-polypropylene复合材料注册高拉伸模量的6.8相比GPa 6.2绩点的等效玻璃复合材料。模量和抗拉强度的增加与增加的体积或重量分数也显示Bos et al。78年,79年)与马来酸酐接枝聚丙烯亚麻/聚丙烯复合材料提高附着力。

研究的结果对flax-fiber-reinforced PP复合材料进行了拉伸测试Garkhail et al。80年)得出结论,纤维长度影响的强度和模量复合材料对小纤维长度在一个特定值后长度这两个参数是常数。亚麻/聚丙烯复合材料的刚度是证明是与E-glass-based复合,尤其是有关特定的属性是由于亚麻密度很低。然而,结果也描绘的抗拉强度相对较低。

Nishino [81年]研究洋麻纤维的机械性能/ poly-L-lactide(丙交脂)复合材料。他得出结论,复合材料的模量随体积分数的增加,但只有达到一定水平。达到这个阈值时,进一步提高纤维的分数导致显著减少复合属性。

水含量也显著影响天然纤维复合材料的性能。Espert et al。82年]显示这淹没影响纤维素/ PP复合材料的样品在不同温度下蒸馏水。样本从水在特定时间和水吸收测量。拉伸测试的结果表明含水量的显著影响样品的杨氏模量和抗拉强度的影响更大。研究还得出结论,水属性的效果深受纤维含量,矩阵和主要温度。Thwe和廖83年相同)调查了影响竹纤维复合材料,导致老化后拉伸强度和模量都减少了在水中长期的25到75°C。强度和刚度损失的程度取决于老化时间和温度。他们还得出结论,抗拉强度和刚度由包含偶联剂增强,顺丁烯二酸酐聚丙烯(MAPP),在基质材料的改善界面结合。

5.3.2。影响性能

只有很少的研究了解行为的影响天然纤维增强复合材料。一些天然纤维复合材料的冲击性能比较和综述Wambua et al。70年]。使用洋麻、椰壳、剑麻麻,和jute-reinforced聚丙烯的研究得出结论,天然纤维复合材料显示低影响的优势相比,玻璃复合材料,而其特定冲击强度可以比得上那些玻璃垫复合材料。在材料研究、剑麻麻显示,冲击强度越高。

Pavithran et al。84年)确定的断裂能量剑麻、菠萝、香蕉和椰子fiber-polyester夏比冲击试验的复合材料。他们得出的结论是,增加纤维韧性断裂能量增加,结果发现纤维与高纤丝角有较高的断裂韧性比小螺旋角。

纤维含量、纤维长度也贡献影响复合材料的性能。托拜厄斯(85年)检查与香蕉纤维制成复合材料,得出的结论是,这种影响较小的纤维长度有更高的冲击强度也增加纤维含量高。逆,纤维长度也研究了Garkhail et al。80年在亚麻/聚丙烯复合材料。结果表明,(如玻璃纤维复合材料)的冲击强度增加而增加纤维长度直到到达高原水平。这一水平后,影响性能下降取决于纤维的预处理和纤维/基体界面的粘附。

穆勒(86年]研究了几种材料参数对冲击强度的影响压缩模塑法组件的麻、亚麻和kenaf-polypropylene复合材料。研究显示强大的影响力在成型热工艺条件。他得出的结论是,对于每一个材料研究有一个最适温度结果的峰值强度的影响。较高和较低的加工温度低导致机械值,可以解释为纤维的热分解。纤维细度的强烈影响也证明,影响性能的更高的高细度与纤维复合材料。

温度和水的影响综述了天然纤维热塑性塑料的冲击性能De Bruijn [87年),对复合材料的冲击性能没有显著影响。然而,结果表明,冲击强度是玻璃增强热塑性塑料的20 - 25%。

耦合剂的一个重要贡献的冲击强度也被报道。复合材料没有偶联剂时,一部分能量散失的接口,例如脱胶和摩擦的影响。Maleic-anhydride-treated黄麻复合材料冲击强度高于未经处理的样品的相同的过程。

5.3.3。疲劳行为

天然纤维复合材料的循环荷载的研究还很少。Gassan [88年]研究了亚麻、黄麻环氧树脂复合材料的疲劳行为。纤维类型、纺织体系结构、相间特性和纤维性质和内容被发现影响疲劳行为强烈。也发现,天然纤维增强塑料纤维较高的强度和模量,fiber-matrix附着力更强,或更高纤维分数具有更高的临界荷载损伤起始和更高的加载失败。此外,损害传播率降低。此外,单向复合材料疲劳损伤比编织钢筋不太敏感。

Savastano et al。89年]给出了阻力曲线行为的实验研究结果和疲劳裂纹增长胶结矩阵钢筋与麻等天然纤维,香蕉和漂白桉树纸浆。观察疲劳裂纹增长发生在三个阶段:初始减速增长,稳定增长,最终灾难性裂纹增长。在剑麻和香蕉纤维增强的复合材料疲劳寿命的大部分是花在稳态裂纹增长的第二阶段。结果表明,复合材料疲劳裂纹增长发生通过基体开裂、裂纹偏转在纤维和裂纹桥无裂缝的纤维和韧带,同时纤维撤军也观察到。

剑麻/环氧复合材料的疲劳性能也研究了Towo和Ansell90年,91年)的影响进行了表面改性复合材料的疲劳性能。结果表明氢氧化钠表面处理有显著影响材料的拉伸模量和强度,但疲劳寿命不是高度的影响,尤其在低应力水平。他们的结论指出,剑麻纤维复合材料的行为类似传统的合成纤维复合材料和静态和疲劳强度适当高了许多商业应用。Towo等人研究了亚麻的疲劳性能/聚酯碱处理和未经处理的纤维。在这种情况下,他们观察到高治疗对疲劳寿命的影响的组件和他们还强调,聚酯矩阵样本较低生活比环氧树脂样品。

比较麻,flax-reinforced聚酯复合材料与关注疲劳行为是由任命和艾萨克92年]。更陡的梯度强度衰减的大麻纤维复合表明较高的疲劳强度。然而,这个麻垫复合的疲劳性能水平差不多,略高于玻璃纤维复合材料。

6。Nanofiber-Reinforced纤维素纳米复合材料

潜在的纳米复合材料在各个领域的研究和应用前景和吸引投资增加。在纳米复合材料行业,加强粒子通常被认为是纳米颗粒当至少一个线性尺寸小于100纳米。由于层次结构和半晶质的纤维素的性质,可以从这中提取天然聚合物纳米颗粒。天然纤维素纤维是建立由更小、机械强度大长薄丝,交替组成的微纤维结晶和非结晶的域。多个机械剪切动作可以用来释放这些微纤维单独或多或少。这种材料通常被称为microfibrillated纤维素(MFC)。图11(93年- - - - - -96年]显示透射电子显微图稀释悬浮液的MFC从不同的来源获得。

这些微纤维的纵向分切可以通过提交执行强酸水解处理的生物量,允许解散无定形域。随后的纳米颗粒发生在棒状纳米晶体或胡须尺寸取决于纤维素的来源和制备过程。例子是图所示12(97年- - - - - -104年]。纳米晶体的典型几何特征源自不同的物种和报告在文献收集表1(105年- - - - - -139年]。

令人印象深刻的机械性能和增强能力、丰富、低体重、难降解的纤维素纳米晶体使其适合聚合物纳米复合材料的加工140年- - - - - -143年]。杨氏模量约150 GPa和几百的表面积(144年),他们有可能显著增强聚合物在低填充量。广泛的应用nanocellulose即使存在大量未知仍在约会。的科学出版物和专家展示其潜在即使大多数的研究集中在他们的机械性能及其液晶self-ordering属性强化阶段。然而,对于任何纳米颗粒,主要的挑战是与他们的均匀分散在聚合物基体中。

6.1。纳米复合材料加工

纤维素纳米颗粒得到稳定的水悬浮液和绝大多数调查集中在水溶性的(或者至少hydrodispersible)或latex-form聚合物。的主要优点是纳米粒子的分散状态保存在使用的水介质处理。

解散后水溶性的或hydrodispersible聚合物水溶液可以混合纤维素纳米颗粒的水中悬浮体。随后的混合物通常是演员和蒸发获得固体纳米复合材料薄膜。它也可以冷冻干燥,热压。纤维素纳米纤维增强淀粉的制备145年- - - - - -150年),蚕丝蛋白(151年),聚氧乙烯)(坡)(152年- - - - - -156年),聚乙烯醇(PVA) [157年- - - - - -161年),羟丙基纤维素(HPC) (157年,158年羧甲基纤维素(CMC) [],162年),或大豆分离蛋白(SPI) [163年)已经在文献中报道。

第一个出版报告nanocrystals-reinforced纤维素聚合物纳米复合材料的制备进行了使用苯乙烯和丙烯酸丁酯的共聚得到的乳胶(保利(S-co-BuA))和tunicin(从tunicate-a海洋动物中提取的纤维素)胡须(137年]。使用相同的共聚物与麦秸(103年,164年)或甜菜(101年纤维素纳米晶体。等乳液聚β-hydroxyoctanoate)(越南河粉)165年- - - - - -167年)、聚氯乙烯(PVC) (168年- - - - - -171年水性环氧(),172年),天然橡胶(NR) [122年,173年,174年,聚醋酸乙烯酯(PVAc) [99年也用作矩阵。最近,稳定的水性纳米复合材料dispersions-containing胡须纤维素和聚(styrene-co-hexyl-acrylate)矩阵是准备通过miniemulsion聚合(106年]。添加活性硅烷被用来稳定分散。固体纳米复合材料薄膜可通过混合和铸造两水悬浮液水蒸发紧随其后。

纤维素纳米纤维分散的可能性在非水溶剂媒体调查使用表面活性剂或化学嫁接和打开其他的可能性进行纳米复合材料处理。纤维素纳米颗粒具有表面活性羟基覆盖,提供广泛的化学改性的可能性。虽然这个策略降低了纳米粒子的表面能和极性特征,提高非极性聚合物基体的附着力,产生不利影响通常是机械性能的综合报道。这种不同寻常的行为归因于加强创意的现象造成的多糖纳米晶体的形成渗透网络由于氢键力。因此,嫁接长链而不是小分子可以用来保护材料的力学性能。

很少有研究报道关于nanofibers-reinforced纤维素纳米复合材料的挤压加工的方法。纤维素的亲水特性导致非极性矩阵不可逆聚集在干燥和聚合,因为额外的形成纳米颗粒的无定形部分之间的氢键。因此,解放军whiskers-reinforced纤维素纳米复合材料的制备熔融挤压是由注入纳米晶体的悬挂在挤出过程中聚合物熔体(175年]。试图使用PVA作为增容剂促进纤维素胡须的分散在报道解放军矩阵(176年]。有机酸chlorides-grafted纤维素胡须是挤压与低密度聚乙烯(177年]。随后的纳米复合材料被发现的同质性与接枝链的长度增加。Polycaprolactone-grafted纤维素纳米晶体得到相应的内酯开环聚合(ROP)也被用作“添加剂”通过PCL熔体混合矩阵(178年]。

最近试图使用一个专利的概念(分散nanoobjects防护encapsulation-DOPE过程)旨在分散碳纳米管在聚合物矩阵被报道。物理交联海藻酸胶囊被成功形成的纤维素胡须或microfibrillated纤维素(179年]。随后的胶囊与热塑性材料挤压。

6.2。界面相互作用

强相互作用之间从棉籽剥绒机和填充法制备纤维素纳米纤维和淀粉glycerol-plasticized矩阵据报道发挥关键作用在增强属性(120年]。在nonpercolating系统中,例如从冻干纤维素纳米晶体材料加工,强大的矩阵/填料的相互作用增强填料的增强效应。这个观察报告使用伊娃矩阵和不同极性(醋酸乙烯内容,然后180年]。改善矩阵/填料交互利用纤维素胡须涂有表面活性剂是显示非线性力学性能上发挥重要作用,尤其是在断裂伸长率(181年]。Grunert和冬季(98年)成立了一个更高的增强效果比trimethylsilylated胡须未改性纤维素的胡须。除了18%的甲烷硅基化的晶体的重量是由于甲硅烷基组,他们将这种差异归因于限制填料/填料交互。

6.3。力学性能

第一个示范纤维素纳米晶体的加固效果的聚(S-co-BuA)矩阵是由Favier et al。137年]。作者以DMA在剪切模式的改进后的储能模量增加tunicin胡须甚至在低内容主机聚合物。增加尤为显著高于glass-rubber转变温度的热塑性矩阵由于其机械性能差在这个温度范围。图13显示了相对的对数的等时线的演化日志存储剪切模量(G′_T/ G′_200年,G′_200年对应于实验值测量在200 K)在1赫兹作为温度的函数的复合材料由水蒸发。

在橡胶的热塑性矩阵,复合材料的模量与加载水平低至6 wt %高出两个数量级比矩阵的一个空缺。此外,引进3 wt %或更多纤维素胡须提供了一个出色的热稳定性矩阵的模量的温度开始降低纤维素(500 K)。

nanofibers-based纤维素纳米复合材料的宏观行为对于任何非均匀材料,取决于特定行为的每个阶段,每个阶段(体积分数),构成形态(阶段)的空间排列和界面性质。这些系统的优秀特性观察归因于机械渗流现象(137年]。实验和预测数据吻合良好报道时使用的串并联模型Takayanagi修改包括渗流的方法。因此,这些系统的机械性能不仅由于高机械性能的加强纳米颗粒。这是怀疑材料的刚度是由于无限聚合纤维素的胡须。高于渗流阈值,纤维素纳米粒子可以连接并形成一个三维连续通路通过纳米复合材料薄膜。等棒状粒子tunicin胡须的长宽比67年,渗流阈值接近1卷%。这种纤维网络的形成应该源于强烈的纳米纤维之间的相互作用,如氢键。这种现象类似于观察到的高机械性能的纸张,由于氢键的力量渗透的纤维网络。这个机械渗流效应允许解释高强化效应和热稳定蒸发复合模量的电影。

任何因素影响渗透胡须的形成网络或干扰它改变了复合材料的机械性能(141年]。据报道,三个主要参数影响材料的力学性能,即纳米粒子的形貌和尺寸,加工方法,微观结构矩阵和矩阵/填料的相互作用。

6.4。热稳定性

热重分析(TGA)进行了实验调查tunicin胡须/坡纳米复合材料的热稳定性152年,153年]。没有显著的影响纤维素填料的降解温度坡矩阵被报道。棉花纤维素纳米晶体内容似乎影响CMC的热行为与甘油增塑的暗示填料和矩阵之间的密切联系162年]。观察空缺CMC的热降解其熔点(270°C)和有一个非常狭窄的温度范围内下降。纤维素纳米晶体被发现降解在较低的温度比CMC (230°C),但显示一个非常广泛的降解温度范围。纤维素的降解whiskers-reinforced CMC观察这两个限制,但感兴趣的是缺少的步骤。据报道,复合材料降低作为一个单元。

7所示。聚合物复合材料的应用

7.1。Biocomposites

的魅力在聚合物复合材料中使用合成纤维正在消退,因为这些是昂贵,不能生物降解的,污染环境。有一个越来越运动的科学家和工程师致力于减少对环境的影响聚合物复合生产。必须减少环境足迹在生命周期的每个阶段的聚合物复合材料。使用天然纤维和聚合物基于可再生资源将使许多需要解决的环境问题。用可再生资源嵌入biofibers生物聚合物如纤维素塑料;聚;淀粉塑料;polyhydroxyalkanoates(细菌聚酯);所谓的绿色豆类塑料biocomposites可能很快就会未来。

如今,biocomposites已经广泛研究的主题,特别是在建筑和建筑行业由于其许多优点如低体重,和更低的生产成本。目前,不仅建造者,也许多业主有兴趣使用biocomposites等不同产品的装饰,击剑,等等。Biocomposites可能是机密,对他们的应用程序在建筑行业主要分为两类:结构和非结构化Biocomposites [182年,183年]。

安装7.1.1。应用程序结构

结构性Biocomposite可以被定义为一个需要携带负载使用。例如,建筑行业,承载墙、楼梯、屋顶系统,和粗地板结构biocomposites的例子。结构性biocomposites可以在性能范围广泛,从高性能低性能的材料。Biobased复合材料在屋顶结构进行适用性检测(图14)[184年]。结构梁设计、制造和测试,产生良好的结果。大豆油基树脂和纤维素纤维,以纸张的形式由回收纸箱可以用于制造复合结构。

图15代表,原地不动桥形式(SIP)被应用于跨度桥梁梁之间的距离。SIP形式由biocomposites钢形式相比有许多好处。Biocomposite-based SIP形成多孔或透气。因此,这让水蒸发通过形式和避免任何钢筋腐蚀。形式也可降解;biobased形式有可能打破在未来,让下面检查甲板。此外,表单轻钢形式相比,允许更快和更便宜的装置。

7.1.2。类型的应用程序

一个非结构化biocomposite可以被定义为一个期间不需要携带负载的服务。材料,如热塑性塑料、木质颗粒和纺织品用于使这种Biocomposites。非结构化biocomposites用于天花板等产品,家具,窗户和门。

木质纤维塑料复合材料在木材表面轮廓截面维度建设标准。运用这些bioproducts码头表面板、甲板、野餐桌、景观木材,和工业地板。许多制造商建议biocomposites需要空白边和结束的热膨胀。此外,木制bioproducts是由于吸湿膨胀缺口。

清楚杰克松是利用复合组件。目前,它正成为有限的和昂贵的。此外,杰克松需要广泛的切割、粘合边缘,手指接合得到明确的部分门窗制造。也,粘材料必须研磨精确截面用于组装导致增加成本和废木料。因此,制造商使用木质纤维塑料复合材料作为替代的实木复合组件。

Biocomposites用于复合材料板的建设。有三种类型的面板:纤维板,碎料板,mineral-bonded面板。蔗渣纤维用于颗粒板、纤维板和复合面板生产。谷物秸秆是第二个最常见agrobased纤维面板生产。二氧化硅高百分比的谷物秸秆使他们自然防火。同时,秸秆板的低密度弹性。结果表明,房屋建造的这些板抵抗地震。稻草也用于碎料板。稻壳纤维和需要小的能量输入,使壳可以使用了。米糠皮或灰用于纤维水泥块和其他水泥产品。 The presence of rice husks in building products helps to increase acoustic and thermal properties. A stress-skin panel-type product has been made by using polyurethane or polyester foam in the core and ply-bamboo in the faces [185年]。图16表明细胞biocomposite电池板的性能对传统板和面板系统为商业和住宅建设186年]。

7.2。纳米复合材料

的潜在适用性nanocellulose广泛扩展。nanocellulose的应用主要是在纸张和包装产品,尽管建筑、汽车、家具、电子、制药、和化妆品也被考虑。为公司生产电声设备,nanocellulose作为膜用于高质量的声音。此外,nanocellulose应用于膜的细胞(氢);添加剂对高品质电子纸(电子);超滤液膜(净水);矿产和油膜用于检索(187年),而如今,nanocellulose大大讨论和研究了一个巨大的各种各样的应用程序。高强度和刚度以及小尺寸nanocellulose可能传授有用的属性与这些纤维复合材料加固,可以随后被用于广泛的应用程序。

7.2.1。电子行业

横隔膜
在各种应用研究到目前为止,已经达到了实用的程度与声学膜片,nanocellulose已经发现熊两个基本性质:高声波速度和低动态损失。事实上,纯电影的声波速度几乎是相当于铝和钛(63年]。乔纳斯和法拉188年)表示,索尼已经使用它在耳机隔膜(图17)。
的nanocellulose膜片的厚度是由脱水和压缩隔膜死20微米。超薄nanocellulose隔膜的优点是,它可以产生相同的声速为铝或钛膜,随着温暖,微妙的声音隔膜提供了一篇论文。备孕是闪闪发光的清晰,低音非常深刻而丰富的这些类型的耳机。

数字显示
纤维素一直显示信息的主要媒介在我们的社会;如今,一直努力找到动态显示技术,例如在电子纸。Nanocellulose维稳定和纸一样的外观,将其放入电子纸的主导作用的基本结构189年]。沙和棕色(189年)设备的概念证明了拥有许多优势,如纸一样的反射率高,灵活性,对比,和生物降解性。数据18和19使用nanocellulose显示显示设备的制造工艺。总结,整个想法是电子染料融入微生物纤维素纳米结构的整合,一个简单的像素可以可逆地切换到关闭状态。像素大小由最小寻址控制解决底板系统驱动电路(189年]。矢野et al。190年]显示非凡nanocellulose潜力作为加固材料在光学透明的塑料,例如,作为可弯曲显示屏的衬底。根据作者,复合光学透明的即使在高纤维的内容。
Legnani et al。191年)开发可生物降解和生物相容性的灵活的有机发光二极管(符合)(图20.基于nanocellulose (NC)膜作为衬底。纳米复合材料基板基于nanocellulose (NC)和Boehmite-siloxane系统改善光学透过率在可见区域被用作OLED柔性衬底上的应用程序。纳米复合材料的形成提高光学透射系数在可见光范围内。透光率66%在550海里发现NC-nanocomposite / ITO(氧化铟锡)基质相比,40%的值在同一波长NC / ITO衬底。ITO薄膜在室温沉积在膜和玻璃用射频磁控溅射60 W和压力的力量1毫托的基于“增大化现实”技术的氛围。

其他电子用法
埃文斯et al。192年)发现nanocellulose催化金属的沉积在其结构,从而生成一层精细划分均相催化剂。实验数据表明,nanocellulose拥有减少组能够启动钯的降水,黄金,白银从水溶液。因此,适用于建筑结构的膜电极组件。奥尔森et al。193年]表明冻干nanofibril纤维素气凝胶可以作为模板制作轻质多孔磁性气凝胶,可以压缩成一个磁nanopaper僵硬。

7.2.2。制药

历史悠久的纤维素在医药行业中使用。材料具有良好的压实特性,当与其它药用辅料混合药物片剂形式稠密矩阵适合口服药物。多糖、天然聚合物,制成亲水性矩阵仍然流行的缓释剂型,并使用生物材料的亲水聚合物矩阵是最受欢迎的方法之一制定一个延长释放剂型(194年- - - - - -196年]。这是由于这样的事实:这些配方是相对灵活的,和一个设计良好的系统通常提供可再生的发布概要文件。药物释放的过程是一个药物药物产品和被吸收,分布,代谢,排泄(ADME),并最终成为用于药理作用。水晶nanocellulose作为药物输送赋形剂提供了几种潜在的优势。水晶nanocellulose和其他类型的纤维素在先进的造粒系统,平板解体和药物释放的速度可能是由微粒夹杂物控制,赋形剂分层或平板电脑涂料(197年,198年]。

非常大的表面积和负电荷水晶nanocellulose表明大量的药物可能会被绑定到这些材料的表面和潜在的高载荷和剂量的最优控制。其他纳米晶体材料,如纳米晶体粘土、已被证明绑定并随后释放药物以一种受控制的方式通过离子交换机制和被研究用于制药配方(199年]。纤维素的生物相容性建立支持使用nanocellulose类似的目的。丰富的表面羟基水晶nanocellulose提供网站材料的表面改性的化学集团通过各种各样的方法。表面改性可以用来调节的装载和释放药物,通常不会绑定到nanocellulose nonionized和疏水性等药物。例如,Lonnberg等人认为,聚己内酯)链可能会结合到纳米晶体纤维素这样的目的(200年]。

此外,由于水晶nanocellulose是一个低成本、容易从可再生和可持续的资源丰富的材料,它的使用提供了一个实质性的环境优势与其他纳米材料相比。

7.2.3。医疗

最近,nanocellulose称为生物材料的眼睛高度适用于生物医学行业包括皮肤替代焚烧和伤口;药物释放系统;血管生长;神经,口香糖和硬脑膜重建;为组织工程支架;支架覆盖和骨重建201年- - - - - -205年]。图21显示了nanocellulose在生物医学领域的一些应用程序。

组织工程寻找新材料和设备可以积极互动和生物组织(206年),要么工作作为体外细胞生长的基础或重新安排和发展组织植入。他们还目标新类可降解生物高分子,生物相容性和可控的活动和具体207年),更有可能被用来作为细胞支架(208年]或体外重建组织。

如上所述,最近开发了各种各样的生物材料。他们有各种各样的属性(物理、化学和机械)不同主要在最终的应用程序(组织再生,药物释放,组织移植,或脚手架)(203年]。脚手架的成功很大程度上取决于细胞粘附和生长在表面,因此生物高聚物的化学表面可以通过干涉决定细胞反应细胞粘附、增殖、迁移和功能。

在植入效果表面细胞的相互作用是非常重要的,包括其拒绝。自相互作用在细胞水平,充分理解新的生物材料和产品可以很容易地开发(209年]。问题仍然出现由于一些方法效率低下等细胞种子和来源,脚手架,环境,细胞外基质产生,分析和适当的模型210年]。

另一方面,再生组织,三个特定的基础是:细胞、支持和生长因子。细胞合成矩阵为新组织,支持拥有和保持环境的适当的增长,而生长因子促进和促进细胞再生210年]。材料用于植入物不能拒绝或引起炎症反应,另一方面,应该不会引起排斥的。此外,它应该促进再生,如果必要的话,一段时间后被吸收或可生物降解211年]。研究support-cell互动植入生存能力至关重要。许多细胞反应是观察到的不同的材料,所以细胞歧视和适应能力是否遵循其表面(212年]。这是至关重要的,因为它将直接进一步反应细胞增殖,迁移和生存能力。

由于皮肤损伤的临床重要性,许多实验室已经引起了寻找治疗产品有好处包括立即缓解疼痛,伤口床紧密粘连,减少感染率。nanocellulose开发具有巨大的表面积,使伟大的吸水能力和弹性。这些特征从一个理想的愈合绷带。另一方面,它没有微生物活动。Nanocellulose垫非常有效地促进自溶的清创术,减少疼痛,加速造粒,都是重要的适当的伤口愈合。这些nanobiocellulose膜可以创建在任何形状和大小,这是有益的治疗身体的大,难以覆盖区域。

Barud [213年)开发了一种生物膜细菌纤维素和标准化提取蜂胶。蜂胶具有许多生物学性质包括抗菌和抗炎活动。所有在场的上述特点,使膜(图22)一个好的治疗烧伤和慢性伤口。

牙科学挑战找到理想的材料来替代骨骼在几个程序、骨骼畸形、上颌骨和面部畸形。最大的挑战是牙槽骨的损失。Nanocellulose拥有合适的孔隙度使垫感染屏障,体液丧失,止痛药的效果,使药物很容易应用和它也吸收脓性液体在所有炎症阶段,驱逐后来在控制和无痛的方式214年]。

聚乙烯醇(PVA)是一种亲水性生物相容性聚合物在生物医学应用程序所需的各种特征。PVA可以转化为固体通过物理交联水凝胶具有良好的机械性能,利用冻融循环。亲水nanocellulose纤维平均直径为50纳米的结合使用可以使纳米复合材料的生物相容性和PVA。根据米隆和广域网(215年),得到的纳米复合材料具有广泛的机械性能,可以用机械性能类似于心血管组织,如动脉和心脏瓣膜传单。在他们的研究中,对猪主动脉应力-应变特性是由至少一种类型的匹配PVA-nanocellulose纳米复合材料在圆周方向和轴向组织。具有类似属性的PVA-nanocellulose纳米复合材料作为心脏瓣膜组织也发达。放松所有样本的属性,这是重要的对于心血管应用程序,也研究过,发现放松的速度和较低的残余应力比组织取代。所以,最后,新的心血管软组织PVA-nanocellulose复合材料是一种很有前途的替代应用程序。

Cai和金216年)有三个不同的方法准备nanocellulose /组合挂钩。方法,通过添加钉钉成立于nanocellulose水凝胶溶液培养基的Gluconacetobacter xylinus。方法二,悬浮液的微生物纤维素纳米纤维与机械搅拌与PEG溶液混合之后,冻融过程。复合水凝胶,可以用于软组织更换设备。方法三,以前生产nanocellulose水凝胶浸泡在挂钩的解决方案,允许挂钩分子穿透nanocellulose [217年]。第三种方法看起来简单而有效。它也被用来准备其他nanocellulose-based复合。例如,nanocellulose已经被浸泡成羟磷灰石为骨再生(开发复合支架218年]。Nanocellulose沉浸在解决方案也被增强的聚丙烯酰胺凝胶,产生水凝胶与改善韧性(219年]。同样,nanocellulose浸到聚(乙烯醇)产生了水凝胶具有广泛的机械性能对心血管植入物(215年]。在这项研究中,作者称方法三世。SEM照片表明,PEG分子不仅nanocellulose纤维表面涂层,也渗透到nanocellulose光纤网络。准备的支架有很well-interconnected表面多孔网络结构和大的方面。TGA结果证明改进后的热稳定性。拉伸试验结果表明,杨氏模量和抗拉强度趋于下降,而断裂伸长率略有增加。它显示出更好的生物相容性与纯nanocellulose相比。因此,准备Nanocellulose /钉复合支架适用于细胞粘附/附件,表明这些支架可用于伤口敷料或组织工程的应用程序。

林等。220年)使用明胶及其保持酶的改良型(EMG)准备nanocellulose纳米复合材料,以提高补液的财产nanocellulose的能力。引用的SEM照片低凝胶/ nanocellulose复合材料(LG / NC),明胶nanocellulose提出所示网络和结束部分纤维素丝带(图23日(一))。明胶的内容在本例中是大约50%(低于高明胶/ nanocellulose复合材料(HG / NC)),一定数量的纤维素丝带出现。EMG填满一些nanocellulose空间网络和稠化纤维素丝带可以观察到在肌电图/数控复合材料(图23日(b))。片状结构观察只少在极性的肌电图/ nanocellulose (NPEMG / NC)和极性(PEMG / NC)复合材料。多孔网络和稠化纤维素丝带可以发现在这两个复合材料(数据23日(c)和23日(d))。

看来NPEMG PEMG渗透到网络和吸附纤维素丝带,允许这些复合材料的多孔结构的延续。根据结果,他们得出的结论是,明胶和玉米胚芽蛋白酶解物结合nanocellulose可以有效地提高复合材料的补液属性。明胶的极性官能团和肌电图以及nanocellulose多孔网络级别的结晶度较低导致了补液复合材料的能力。EMG Nanocellulose沉浸在0.5%解决方案充分准备是可取的复合材料和可能应用于rehydratable膜。

在眼科医生地区,惠亚et al。221年)的潜力进行了探讨nanocellulose应用组织工程角膜的脚手架。他们研究了在nanocellulose人类角膜基质细胞的生长。角膜基质细胞在支架的长在肉内验证了激光扫描共焦显微镜。结果显示这种生物材料的潜力作为组织工程支架的人工角膜。nanocellulose表面是粗笨的歌唱。在数据(24日)和24 (b),红色区域是角膜基质细胞immunofluorescent彩色Vim和蓝色区域是nanocellulose脚手架。很明显说明角膜基质细胞ingrew脚手架。

耳鼻喉科学家,鼻子的侧壁是常见的手术过程的ENT专业,建议切除软郁郁葱葱,切除肿瘤,或促进鼻窦的通气。外科技术的进化提供了增加对病人安全,大大减少了并发症和术后发病率。鼻出血,手术伤口感染,局部疼痛,粘连是主要的存在复杂的因素与鼻手术。几种类型的材料已经开发,以防止这些并发症。鼻包装被用于这些手术后的过程,虽然有效预防出血,需要去除引起病人不适。此外,他们的存在与系统性感染有关坟墓。

使用材料,除了防止出血,可以提供更快速的愈合没有外壳的形成和防止感染不需要切除的巨大援助的接受切除的患者术后低鼻外耳和其他鼻手术。1984年,微生物学家路易斯法拉费尔南多•泽维尔是通过发酵醋菌属的细菌,产生细菌纤维素。生成的薄膜的合成、处理后,具有选择性渗透,允许通过水蒸气但是防止微生物的流逝。它是半透明的,均匀,平均厚度0.05毫米,视觉上非常类似于人类的皮肤。舒曼et al。222年从nanocellulose]研究了人工血管植入两个研究。在第一次显微外科研究中,nanocellulose植入物被附加在一个人工缺陷的大鼠颈动脉1年。这些长期的合并结果显示nanocellulose neointima形成和成纤维细胞灶活跃。在另一项研究中,移植被用来代替猪的颈动脉。3个月后,这些移植被移除和宏观和微观分析。七个移植(87.5%)专利而贪污被发现一个阻挡。这些数据表明,创新nanocellulose工程技术成果在生产稳定的血管导管和证实体内组织工程血管的极具吸引力的方法作为项目的一部分,在心血管手术。这个数字25显示颈动脉的未经处理的部分展现了一个几乎的同类药物在移植动脉平稳过渡。

另一个使用nanocellulose是鼻重建。对理想的渴望塑造一直是人类的一部分。鼻子,集中位于脸,更容易受到创伤、畸形,因此社会障碍。甚至因为呼吸有一个主要功能,它有一个伟大的审美功能,突出面临的遗传学。阿莫林等。223年)评估组织应对存在nanocellulose鼻骨(图26)。被用过22个兔子,被在20纤维素的毯子是植入鼻背,2是作为对照组。3和6个月后,脊柱报告进行进一步的组织病理学研究,参数,如血管堵塞,炎症强度和脓性液体的存在。

炎症被发现是稳定的,这可能是由于手术本身而不是纤维毯子。其他参数,没有统计学意义。Nanocellulosic毯子显示出其良好的生物相容性和不随时间变化,因此提高鼻骨的极好材料。

7.2.4。兽医

哈特et al。224年)研究了薄膜及其能力促进糖尿病大鼠成纤维细胞迁移和细胞增殖。糖尿病大鼠的治疗加速伤口愈合,改善组织的结果。糖尿病大鼠慢性伤口是一个公认的模型,因此与人类慢性伤口分享一些功能。所以他们可以预测人类的适用性。

Helenius et al。225年]研究首次nanocellulose系统的体内生物相容性。因此,在开发nanocellulose膜植入老鼠的皮下空间为1,4,12周。慢性炎症的植入物等方面进行评估,异物反应,细胞向内成长,和血管生成,利用组织学、免疫组织化学、电镜。没有宏观的迹象炎症在植入物(发红、水肿或渗出液(图)27)。没有(即微炎症的迹象。,a high number of small cells around the implants or the blood vessels). No fibrotic capsule or giant cells were present. Fibroblasts infiltrated nanocellulose (Figure28),这是整合到宿主组织和没有引起任何慢性炎性反应,所以nanocellulose证明,材料的生物相容性有潜力作为组织工程的支架。

Helenius et al。225年)提出更多的知识在生物材料及其与细胞的相互作用。在他们的研究中,膜nanocellulose被植入大鼠体内生物相容性是评估。植入物不会引起异物反应,“纤维化或封装,和老鼠的连接组织nanocellulose集成。植入后几个星期,重排继续发生和成纤维细胞被完全集成到纤维素结构,他们已经开始合成胶原蛋白。

Helenius et al。225年)也表明,密度influenciates形态学和细胞渗透等密度增加,细胞迁移低下。是观察细胞核形态取决于所采取的方向纤维素纳米纤维,血液流动也观察到。

相比更少的细胞存在,1和4周后和nanocellulose内的成纤维细胞合成胶原蛋白(B)高放大倍数的界面区域的多孔nanocellulose后12周。箭头显示由成纤维细胞胶原合成

席尔瓦(226年)评估了生物合成羟基磷灰石(hap - 91)的行为当植入龋齿和被nanocellulose覆盖。膜被塑造成三角形完全覆盖蛀牙避免羟磷灰石与口腔接触(污染物的来源,图29日)。席尔瓦发现nanocellulose相关HAP促进骨再生,如果速度要快于对照组。手术后8天,30天的延迟,虽然后50天他们组织相似。

Costa de Souza, (227年)研究了在白色的猪皮肤愈合;他们经历了热磨损,(金属温度为100°C)。比较Bionext每日治疗绷带,所有的动物同样有愈合过程完成。之间没有差异被认为每日绷带和纤维素薄膜(Bionext^®)。

腹膜的狗已经更换,观察移植后45天,成纤维细胞和血管数量增加。90天之后,胶原蛋白和纤维母细胞渗透到nanocellulose和植入后180天nanocellulose净沿着连接组织,形成新血管形成的证据被发现(228年]。

7.2.5。牙科

Nanocellulose测试在牙科组织再生。微生物纤维素,由Glucanacetobacter xylinus应变,可用于再生牙齿组织在人类(图30.)。

Nanocellulose产品Gengiflex和戈尔特斯在牙科行业有目的的应用。是开发援助牙周组织恢复(229年]。描述了一个完整的恢复了一个骨缺损中的植入在协会Gengiflex疗法。的好处包括重建美学和功能的嘴和减少数量的手术步骤是必需的。

绷带,称为Gengiflex,由两层组成:内层由微生物纤维素,提供刚性膜,外层碱纤维素层是化学改性(230年]。资金等。231年]Gengiflex的生物学性能和戈尔特斯膜相比使用体内无法愈合骨缺损模型提出的Dahlin et al。232年]。

研究表明戈尔特斯膜(与聚四氟乙烯复合材料、聚氨酯、尼龙)既大大减少炎症和膜促进了相同数量的骨形成在同一时间。更大数量的骨形成缺陷存在于骨保护戈尔特斯或微生物纤维素膜,与对照相比,网站。戈尔特斯比Gengiflex由组织具有更好的耐受性。最近,同样,马赛et al。233年]也比较细菌纤维素和聚四氟乙烯(PTFE)作为物理屏障用于治疗骨缺陷引导组织再生。在这项研究中,两个骨性缺陷(直径8毫米)进行在每个后肢四个成年兔子,用外科手术的钻头常数无菌生理盐水灌溉。右边的效果获得后腿与聚四氟乙烯保护壁垒,而Gengiflex膜使用在伤口中创建左后腿。3个月后,治疗显示缺陷的组织学评估聚四氟乙烯障碍完全覆盖与骨组织修复,而不完整的板层骨形成中检测出缺陷处理Gengiflex膜,导致空洞和缺乏连续性骨沉积。

Nanocellulose与纳米纤维的大小和分布等特点,力学性能,兼容性,和模具的能力创造它有一个独特的生物材料不可缺少的卫生区域。nanocellulose复合支架生物相容性减少拒绝与细胞接触和血液接触细胞相互作用是一个约定的生物材料,可以适合细胞粘附/附件表明这些支架可用于伤口敷料或组织工程的支架。

8。结论

纤维素基的潜在适用性广泛扩展biocomposites和纳米复合材料。由于大量的属性,nanocellulose-based材料的应用主要是在广泛的应用,如纸和包装产品、建筑、汽车、家具、电子产品。制药、化妆品、和生物医学应用也被考虑。高强度和刚度等力学性能,表面反应(许多羟基),特定的组织以及小尺寸nanocellulose可能传授有用的属性(纳米)与这些纤维复合材料加固。

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