文摘
两种基于可持续环保复合材料准备矩阵,分别脱脂大豆面粉和交联热塑性polyhydroxybutyrate cohydroxyvalerate,强化了天然纤维卡罗阿叶纤维和洋麻植物。所得复合材料的水分比较宽容,热机械性能,温度调节能力。发现这个环保系统适合室内应用于住房和交通的属性。
1。介绍
对生物经济转型和可持续发展对天然纤维市场提供了高的观点,和所谓的绿色正在研究的材料越来越多地作为传统塑料的替代品。
因此,植物性生物聚合物是石油聚合物迅速成为一个可行的选择。这些可持续资源的好处是再生,它们可以在可预见的未来,全球生物多样性(没有负面影响1- - - - - -3]。
在生物可降解聚合物,淀粉,小麦谷蛋白、玉米蛋白、细菌聚酯和大豆蛋白已经备受关注。目前研究处理获得的复合材料的制备和表征强化脱脂大豆粉(SF) [4- - - - - -8)和热塑性polyhydroxybutyrate cohydroxyvalerate (PHBV)树脂9- - - - - -12)与两种不同的天然纤维,分别卡罗阿叶纤维和洋麻。
Neoglaziovia Variegata(阿鲁达da Camara) Mez是一个物种,属于凤梨科的家人和原产于巴西Caatinga的较低的地层。它有条纹叶、花保护用明亮的颜色,苞片和水果多汁的浆果。这个物种在巴西的东北地区卡罗阿叶纤维和代表所使用的原材料大部分地方工艺。天然纤维从它的叶子中提取的用于制造字符串,帽子,钱包,地毯,吊床,渔网,面料13]。
洋麻一种芙蓉,白天短,一年生草本植物栽培的软茎韧皮纤维。洋麻茎是由一个内部伍迪核心和一个外树皮纤维周围的核心。纤维来源于外层纤维树皮也被称为韧皮纤维,一直使用传统的生产和贸易的绳索产品由于其优越的抗弯和抗拉强度(14]。
值得注意的是,天然纤维的化学成分和细胞结构非常复杂。一般来说,从本质上说,他们是一个复合的刚性纤维素组成的螺旋绕组微纤维,是嵌入在一个软矩阵的木质素和半纤维素15,16]。
当前为天然纤维包含产品创新市场(复合材料)已经扩大了其使用范围,例如,在建筑行业,鼓励使用evironment-friendly选择建筑材料(17]。例如,类似的热存储容量与传统建筑材料的公司可以获得microencapsulated自然复合相变材料(潜热)为了实现温度调节的作用[18]。这有助于减少由于外部温度热阻尼振荡,使室内环境更舒适。
摘要水分吸收/解吸能力,热机械性能,他问准备将讨论ecosustainable复合材料的能力。
2。实验
2.1。材料
大豆面粉(脱脂科幻与52%的蛋白质)是由Mangimifici Liverini-Telese (BN-Italy)。红麻纤维被意大利洋麻纤维生态纤维焦燕雄请提供。(Guastalla-Italy)和卡罗阿叶纤维纤维被Campina联邦大学的格兰德请提供,巴西。
PHBV ENMAT Y 1000 p是由天安生物材料有限公司,中国宁波。分析级甘油(g), 99%解决方案在水中和戊二醛(GA),水从西格玛奥德里奇获得25%的解决方案。Microencapsulated吸附石蜡的相变温度28°C (MCPCM28)由Microtek实验室(美国)。微胶囊直径范围从5到40μm。
2.2。制备复合材料
2.2.1。大豆的面粉复合材料
科幻粉与蒸馏水混合在1:9比率(按重量),如果要求,15 wt。% g增塑剂的添加。科幻悬挂是均质为15分钟,使用电磁搅拌器混合的pH值调整到11在70°C, 30分钟后40%科幻GA的重量作为交联剂添加,导致颜色变化的混合橄榄绿色,棕色,当大多数的水被蒸发了。
预塑化树脂混合了天然纤维长度(0.5厘米)Brabender-like装置(美国新泽西州Rheocord EC的HAAKE)在室温下为了获得一系列eco-composites。配方表中列出1。在室温下混合是干5天,然后按45分钟在120°C下50条科林液压热压定型固化过程。
至于传热大豆面板,科幻的重量的10%微胶囊被添加到混合物。
2.2.2。PHBV-Based复合材料
聚合物复合材料包含40和60 wt。%的红麻纤维准备使用一个实验室规模混合器(热Haake Rheomix)在190°C和16 rpm混合率为15分钟。聚合物小球第一次被送入搅拌机,然后添加了纤维(之前干)一旦扭矩表示聚合物(约2分钟),融化的13分钟后达到转矩稳定这意味着均匀混合填料和矩阵。
样本混合机是压缩型190°C和100条10分钟使用科林聚合物媒体形式方盘子(厚度3.5毫米)进行进一步的特征。
至于传热PHBV面板,PHBV重量的10%的微胶囊混合矩阵。
2.3。水分吸收/解吸
水分吸收的天然纤维和水分吸收/释放大豆复合材料重量分析地测量。样品在70°C条件在真空炉24 h,干燥器中冷却并立即加权。
加权样本被放置在一个封闭室在90%相对湿度和室温吸收测试。
至于洋麻纤维和卡罗阿叶纤维纤维,重量相同的干纤维用于吸收测量,执行60小时。水吸收已计算的重量增加纤维标准化他们最初的体重。
至于吸收测试大豆复合材料,事先已经和加权样本(60毫米长度、10毫米宽度和3.5毫米厚)包含40 wt。%的洋麻纤维第一次被放置在一个封闭室在90%相对湿度和室温25小时。样品达到恒重时,解吸测定立即开始在同一标本,把它放进干燥器充满硅胶干燥剂为72小时。计算出的水吸收一直标本规范化到最初的体重增加的体重。
2.4。热重量分析
TGA ecocomposites的热性能进行分析。样本加热到50°C, 30分钟等温步骤是在氮气氛,然后坡道从50°C到600°C的扫描速度10°C / min在空气中是由使用TGA Q5000从助教仪器。
2.5。弯曲和冲击测试
三点弯曲试验进行英斯特朗4504型机在使用一个变形1毫米/分钟的速度和跨度的48毫米评估1 kN载荷下的弯曲模量细胞根据ASTM D790测试方法。
断裂进行了测试与夏比Ceast Resil撞击器配备DAS 4000采集系统,使用3.6 J的冲击能量,影响1 m / s的速度和跨度48毫米的长度。样品(60毫米长度、10毫米宽度和3.5毫米厚)切口深度宽度比为0.3是在室温下骨折根据ASTM月测试方法。对于每一个材料,5标本断裂,韧性的平均值计算。
2.6。他问测试
在加热和冷却时间——温度图像的样本通过红外线thermocamera记录。实验设备用来测试问效果是由如下(19]:(1)珀尔帖效应装置,加热和冷却的样品,(2)plexigas室,为了避免热影响外部环境,(3)电子波发生器,由PID控制器(检查温度和引发依赖倒置)和逆变器是一种电子或机电设备产生正弦波形,(4)红外thermocamera记录图像的热性能(FLIR系统,热视觉A40研究员)。
样本大小(4毫米长度、2毫米宽2毫米厚)被选中的这个实验装置。
3所示。结果与讨论
3.1。吸收/解吸试验
在图1卡罗阿叶纤维的水吸收的比例和洋麻纤维由于水分渗透。
可以注意到,卡罗阿叶纤维吸收相比洋麻纤维略微更高数量的水。从文献报道16]几个因素,如密度、化学成分和结构参数对纤维的吸水性的差异。
吸收的水量是复合材料特性的一个重要因素,因为它可以有不受欢迎的影响力学性能和尺寸稳定性,和天然纤维的亲水性特征有助于水分吸收(20.]。因为洋麻纤维是据报道,含水量越少(16),发现吸收少数量的水,只有kenaf-based复合材料被认为是为进一步吸收和解吸测试。
图2显示了水吸收一个包含40 wt释放大豆复合材料。%的洋麻。样品的重量增加由于吸水率高达约700%的初始重量在24 h。解吸试验后立即开始,将同样的样品在室温下干燥器充满干燥剂代理。发布的标本72 h的水吸收,没有任何加热过程的应用程序。这种“海绵”的行为可以被认为是适合室内应用在潮湿的环境中。
观察,水分渗透并不仅仅取决于类型的树脂上的纤维也除了其他影响,如纤维的质量矩阵接口,放松存在水分,树脂的树脂的空白内容,结合的水分子在其分子结构(20.]。
然而,吸附/解吸实验(不是报道)上执行PHBV-based系统显示一个非常少量的水分渗透达到热塑性复合材料。
3.2。热重量分析
大豆的热阻的树脂相比表现出了树脂增强与40 wt。%卡罗阿叶纤维和红麻纤维(图3)。
从50°C,在无水的样品时,他们几乎是在空气中热稳定通量达到200°C,尽管存在的天然纤维。可能,他们退化导致的形成一些灰,可能阻碍进一步的氧气扩散通过树脂。
TGA的痕迹PHBV及其复合材料在图所示4。曲线显示,PHBV复合材料进行大规模热降解超过250°C。发生热降解的复合材料是整洁PHBV的相似。这可以归因于PHBV是热不稳定并开始降解大大高于250°C由于断链反应导致分子量的降低,导致挥发酸的形成巴豆酸等产品。巴豆酸也可能导致水解天然纤维的纤维素含量和可能导致去颤21]。TGA曲线复合系统还指出,没有额外的热降解PHBV红麻纤维的掺入。有不同数量的渣的形成,在复合材料有更高的量较高含量的纤维。
3.3。机械和冲击性能
机械测试是为了执行评估基于大豆的复合材料的弯曲强度极限。表中列出的结果2。洋麻和卡罗阿叶纤维系统不包含甘油非常相似的挠曲强度值显示。当甘油用于制定挠曲值更低,证实其为大豆树脂塑化效率(22,23]。此外,是纤维含量越高,越高是造成的挠曲强度连接在它们之间形成的。
洋麻纤维增强热塑性复合材料的弯曲和冲击性能表中列出3。弯曲模量代表内在的塑性变形能力的原始矩阵,和PHBV展览非常有限变形断裂与其他热塑性聚合物相比。然而,PHBV复合材料表现出显著增加弯曲模量的值与对应的简洁的矩阵由于纤维增强的存在24]。这一发现可能表明有相当大的界面交互之间的纤维和PHBV矩阵,,同时,纤维耐纠葛作为连接点对偏转力。
应该提醒的是,在挠曲测试抗拉和抗压强度,因此,任何测量都受到弯曲和剪切应力25]。有趣的是分析热固性和热塑性复合材料的抗弯强度值。在大豆系统不包含甘油,独立于纤维抗弯强度保持不变的内容。另一方面,通过使用甘油塑化剂,可以减少大豆系统脆性,这60 wt时效果更加明显。%的纤维。
至于PHBV,综合基于脆性的响应矩阵将受到选民的性质的影响以及它们之间的交互。是观察到的挠曲强度降低的结果的刚度和弹性纤维。
短纤维复合材料的冲击强度取决于所需的能量矩阵和纤维的塑性变形,矩阵和纤维的断裂,fiber-matrix脱胶后在克服摩擦界面和脱胶在撤军(26]。复合材料的性质、纤维和类型的冲击试验是至关重要的因素明显的冲击强度的增加或减少。一个悬臂梁式冲击试验基本上是一个弯曲试验和瞬态负载应用。在复合材料的情况下,他们的特点是相关的能力矩阵和fiber-matrix界面吸收高速度的影响。
整洁PHBV低断裂韧性测量,但添加纤维增强性能的影响。轻微的改善从0.85到2.25 KJ / m2可以归因于能量耗散机制发生由于良好的fiber-matrix粘附和纤维长宽比()。
3.4。温度调节的影响
红外(IR) thermographic系统提供代表图像表面温度通过测量表面红外辐射的大小的一个对象。执行温度分布分析、热视觉相机可以用来探测红外辐射并将这些信息转化为一个图像,每个像素对应于一个温度的值。现代红外成像系统解决表面温度差异为0.1°C或更少。灵敏度高,他们可以提供一个无损评价热现象,仅显示轻微的温度梯度的形式。红外测温术可作为定性和定量工具。热质效应由于micro-PCMs的存在可以评估使用红外thermocamera记录彩色图像,显示在图5。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
大豆复合试样包含吸附(SX一边报道每一帧)放置在表面的珀尔帖效应细胞能够延迟和软化热响应与样品相比没有个pcm都每一帧(报道DX的一面),由于微胶囊在融化过程中吸收热量的石蜡19]。
温度大小在一个温度仪可以可视化是一个色标,每个颜色相关的温度范围内。从最热的到最冷的温度,颜色是如此了:红色,橙色,黄色,绿色,蓝色,确切的值取决于实验设置固定的。在这个实验中,图像是等效温度范围从19°C到40°C。
加热/冷却周期开始时,样品在相同的温度下(步骤1),显示黄色(°C)。在加热循环,样品含有潜热(SX)变成橙色,而参考复合(DX)是红色的(步骤2)。这种颜色差异表明,样本含有潜热计算的温度低于复合不包含它们。在这个过程中,吸附作为热缓冲材料吸收热量延迟的加热面板。
加热循环停止时,样品在相同的温度下所证实的红色(步骤3中,°C)。
在冷却循环,吸附的样品是橙色,而参考复合是绿色的(步骤4)。这种颜色差异表明,样品的温度与个pcm都高于参考复合,因为可用的一部分热量用于蜡结晶,推迟面板冷却。当冷却循环停止,样品达到相同的温度和颜色是橙色(步骤5)。
相同的定性行为(报道)观察PHBV传热ecocomposites:体温调节功能相关的存在microencapsulated个pcm都尽管衬底。此外,它可以调整面板的温度调节效率通过使用或多或少数量的微胶囊的配方。一般来说,是吸附石蜡含量越高,热缓冲程度更大。
4所示。结论
在这工作的一些科幻小说的特点,PHBV-based洋麻纤维和卡罗阿叶纤维纤维复合材料加固的研究以评估其潜在的技术术语。这些基于天然纤维复合材料和ecosustainable矩阵,热固性和热塑性,预计为代表的新一代材料工程二级建筑施工领域的应用或创新的bioarchitecture解决方案的设计。
至于水分吸收/释放,大豆/洋麻系统在一块海绵一样:他们可以把水然后失去它在干燥周边环境没有强制加热过程。相反,PHBV /洋麻纤维复合材料不吸湿,因此代表了一个有前途的起点耐久性。
洋麻纤维增强PHBV的机械特性面板通过热压建议纤维能够提高弯曲模量,同时促进能量耗散的影响。大豆/洋麻纤维复合材料力学性能的影响,另一方面,通过使用甘油树脂增塑剂。
所有的系统的温度调节能力可以通过使用定制的或多或少数量的微胶囊的配方。总的来说,这是观察到高潜热计算内容,是热缓冲程度就越大。然而,热固性和热塑性复合材料的热稳定性是发现大约相同的250°C。
Aknowledgments
作者想表达感谢联邦大学的教授劳拉·赫克•德•卡瓦略Campina Grande(巴西)卡罗阿叶纤维纤维的供应,阿道夫•Izzo Renzi红外热成像测试,机械测试期间Vincenzo Di Lello先生寻求帮助。