是100%绿色复合材料和绿色热塑性塑料新材料的未来?

文摘

回顾历史的材料科学和材料技术的发展告诉我们,未来的一个趋势可能是农业资源的使用。在这项工作中,我们审查的表演这些资源之一,小麦面粉。我们表明,可以得到热塑性与属性quasiequivalent电影获得昂贵的纯淀粉。通过添加天然纤维,复合材料也获得了。这些复合材料表现出表演只允许他们使用时间短。

1。介绍

进化的历史分析和使用的材料,因为所谓的工业革命,发生两个世纪前,告诉我们,我们必须开发新产品并有义务考虑生命的终结和完整的能量成本与制造,使用,和来世。历史告诉我们,19世纪和20世纪初的钢铁帝国或更一般的金属类结构。我们必须记住,火车在北美被称为铁的马,象征1900年巴黎国际博览会是埃菲尔铁塔。第二个重要的改变发生在材料使用在二战后在大规模使用的塑料材料获得石油资源。这些新材料是尼龙的符号代替丝连裤袜。

什么是未来?这是一个非常困难的问题;然而一些点可以指出。第一个是塑料材料与事实很大程度上使用,我们有太多的浪费世界各地。这个问题是如此激烈的今天,在许多国家的人口想消除塑料设备的使用塑料袋即使这些塑料袋通常在聚乙烯无毒高分子。第二个问题是在现实成分的塑料设备,尤其是那些来自热固性树脂治愈。作为一个例子,我们可以通过高能x射线荧光报告获得的成分上执行与苯乙烯不饱和聚酯树脂固化(1]。超过12的元素周期表已经找到,其中锶、钡,即使可能造成环境污染的数量是非常小的(PPM)的顺序。

这些塑料材料是来自石油的变换。即使今天的主要问题是更多石油的分布而不是股票,每个人都知道石油可用的数量将越来越小,导致两个重要后果。首先是价格,这将增加,因为它的稀缺,塑料设备的价格将会增加。第二个问题将是运输成本将大大增加,使得它难以运输生产的产品。

的一个主要后果是需要开发新材料来自可再生资源。这些新的可再生资源可以来自四类:从古典化学,通过结合生物技术和合成,利用微生物,从agroresources。图1给出了一个通用方案,这些新的可能性。

在这个工作我们将回顾的结果从agroresources获得的一系列材料。原料是来自小麦面粉。是最重要的原材料不能获得或损害生产的粮食生产,我们建议使用小麦面粉生产的副产品。获得的材料是热塑性电影和不同的复合材料由合并不同的天然纤维在热塑性的电影。这些材料是由一个挤压的过程。

2。实验部分

2.1。原材料

我们选择的系统研究是获得从制定基于wheatflour副产品,而不同的组件被添加到获得成膜材料的挤压过程。这个系统的初始成分来源于实验室工作之前做的工程材料(LGMA)农业工程学院(Esitpa),专利的主题(3]。面粉是由公司提供巴黎拉德芳斯莫林(法国)。干麦片分工后,获得的面粉是分为两类。首先是富含蛋白质和将被用于食品行业。第二个蛋白质含量较低,质量大约6 - 7%。除了这些蛋白质,它包含淀粉85 - 88%,剩下的3 - 5%主要由脂质和矿物质。第二部分通常被称为小麦面粉生产的副产品,是这项工作的主题。在我们的配方,小麦面粉是融入了大众高达68.2%。这项工作中所使用的添加剂是以下。(一)甘油Univar分销商提供的通常是一个代理的破坏性和塑化属性用于转换的框架和实现含有淀粉的产品。其羟化结构赋予这对淀粉分子显著关联。甘油是吸湿和润滑特性。其程度的纯度高于99%。它包含高质量的12.8%材料的配方。(b)山梨糖醇公司飞速上升,所提供的食品质量,整合到一个总价值7.2%的质量在我们的配方。山梨糖醇还用作增塑剂代理。(c)公司提供的硬脂酸镁里德尔de Haen,实验室的年级,也被称为硬脂酸镁盐。它的分子式是毫克(C₁₈H₃₅O₂)₂。它包含很少的棕榈酸棕榈酸(酯)。它有特征分解酸,不溶于水。它充当润滑剂。合并的总价值1.8%的质量基本配方。(d)石英(二氧化硅)通过喷涂四氯化硅气溶胶在火炬燃烧器。硅准备在这些条件不是集群,因此不需要磨:是硅二氧化硅气凝胶200平均直径2μm。它有助于通过挤出机内的配方。硅来自卡博特公司,被称为M5 Cabosil下名字。掺入硅的形成率是1%的质量。(e)水是一个重要组成部分,破坏了原淀粉颗粒和塑化配方,使通过制定的加工机械。水,使用蒸馏水,将高质量的9%的配方材料。

2.2。材料准备

生材料混合挤压前的帮助下涡轮搅拌器(Kaiser,德国)。这个涡轮搅拌器函数叠加和改变叶片打开一个轴位于水箱的中心。期间使用的革命数量是750 rpm, 5分钟。这种混合器也双信封制度的冷却用水。我们的目标是获得电影的最终产品。经验表明,很难挤出原材料直接从获得的混合物从电影涡轮搅拌器。这个问题被解决了第一次挤压使我们获得颗粒,然后在第二阶段使用这些颗粒挤压得到第二个电影具有优良的可再生的性能(4]。颗粒是通过与单螺杆挤压机挤压(Scamex),在温度为120°C,以螺杆速度60 rpm和制粒机使用。获得电影,第二挤压进行了球团。相同的温度和速度参数使用喷丝头挤出机的板在出口处。死的方头平底船的原则是将熔融物质离开挤压机使乐队。获得的电影有10厘米的宽度和0.4毫米厚度。

2.3。拉伸实验

机械测试执行了一个设备组成的多功能机器马克·英斯特朗4301”“可以进行拉伸测试,压缩和弯曲。样本,哑铃的形状,是沿着它的主要轴拉伸以恒定速度直到破裂。两个属性记录:拉伸载荷应用于标本和位移由伸长计的指针。从这些元素,推导出两个特征的材料。

拉伸应力(拉伸载荷的报告每单位面积的初始横截面样本)而著称和单元MPa

伸长(或变形)对应长度的变化/参考样本的长度。这种应变而著称

对于每个测试,应力-应变图表达材料的行为,发现三个主要特点:(我)强度:即时的拉应力的失败样本。它是指出;(2)应变失败:变形值对应的拉应力破裂。它是指出;(3)拉伸弹性模量(杨氏模量):价值提供的模块应力-应变曲线的切线在原点。它是指出

测试参数如下:传感器:1 kN,长度:毫米,宽度:毫米,sspe: 2毫米·分钟⁻¹。为我们的测量、价值观的各种力学性能获得了每种类型的材料结果平均进行试样的5个样品。报道了我们的研究结果的不确定性对应的值标准差。

2.4。热重量分析

热重研究由热重量测量使用Netzsch TGA 209平衡(德国)。之间的测量是在10 - 15毫克样品20到800°C的升温速率10°C /分钟的速度在氮气氛20毫升·分钟⁻¹。校准的温度和质量是由制造商。

2.5。动态力学分析

研究了聚合物材料的动态力学行为通过使用taq - 800 DMA仪器(美国热分析)。拉伸模式下的实验研究。测试温度范围从−100°C到120°C,和实验进行了频率1、2、5、10、20、50、100 Hz的升温速率3°C /分钟。样品尺寸mm被用于目前的调查。

2.6。扫描电子显微镜

扫描电子显微镜(SEM) (Jeol)被用来分析断裂表面形态。SEM成像前,样品的断裂表面破碎sputter-coated了大约10 nm厚的碳膜。

3所示。结果与讨论

3.1。扫描电镜

图2分别显示了电子显微镜照片,小麦面粉在挤压(图2(a2))和后电影获得第二挤压(图2(b))。像预期的小麦面粉展品的原生颗粒形貌粗糙度表面拓扑显示杂质的存在,但这张图片不是截然不同的期望是什么本地小麦淀粉颗粒也显示在图2(a1)。在第二次挤压电影的电影表现出相同的特征获得净化淀粉。

从相同的分析,我们也观察到在电影中两个阶段的存在(见图2(c))。已经证明,这两个阶段对应于一个主要由增塑剂(plasticizer-rich阶段),而第二个是主要由淀粉(富含淀粉的阶段)。

3.2。直接存储器存取

这两个阶段的存在是通过动态力学分析确定执行恒定频率和大温度域。图3显示的进化与温度和两个转变,一个≈−40°C和第二个≈50°C,以及确定为我们的标准组成。在同一个图我们也报道甘油含量的影响。每个转换的温度是甘油成分的影响。当甘油量的增加,最大的温度减少对转换。然而,很明显,这是富含淀粉的阶段,对甘油含量更敏感。

3.3。热重量分析

如前所述,能够得到一个电影,我们必须添加增塑剂,我们也知道,这些polysaccharide-based材料对水分子非常敏感。我们的材料的热稳定性进行了分析通过热重量分析法测量,如图所示,在图4看来,质量损失发生的温度接近100°C。

我们有许多执行测量,这个质量损失总是观察,即使使用的是纯淀粉材料。这个质量损失代表10%的初始样品质量。我们已经证明5]这质量损失是水蒸气和甘油蒸发的结果。第二质量损失在高温(300°C)是观察所有多糖材料(6)和对应的破坏聚合物链。

3.4。拉伸实验

通过机械的力学性能进行了分析测试拉伸模式。图5显示结果与小麦面粉电影和净化淀粉基电影。在这个图叠加结果的一系列5测量每个材料。

第一个评论与出色的再现性的数据尽管原料来自于自然资源的事实。这个好重现性实际上是获得,因为两个铝型材。这导致均匀混合物,包括所有初始混合杂质。从这些测量,小麦面粉电影我们估计,破坏时应变的值接近破坏时的应力值接近。最后,我们估计的值在零应变模量,。这些值不是截然不同的净化淀粉基膜使获得;MPa;。小麦面粉电影机械脆弱性是直接连接到缺陷和杂质的存在。

从相同的测量我们可以分析增塑剂含量的影响(图6(一))和其他元素的影响硅用于有更好的挤压性能(图6 (b))。

增塑剂的作用是发现剧烈的机械性能。确实通过改变增塑剂组成从9%甘油和水的12.8% 0% 21.8%甘油和水我们观察到减少16%,破坏时的应力降低了25%,在零应变模量减少了35%。

另一方面,数据获得电影的比较有和没有硅(图6 (b))表明,硅的引入减少21%,但增加压力130%,而模量是增加了250%。如果了解甘油的影响,硅更难以解释的影响。一个可能的解释是与事实发现硅主要发达阶段的甘油,水分子及其吸湿行为陷阱。通过这种方式反增塑剂的二氧化硅具有间接作用。

3.5。100%绿色复合材料分析

当配方中添加短纤维挤压之前,100%的绿色合成得到如果纤维亚麻、棉、麻、竹、等等。今天,亚麻和棉纤维纳入小麦粉矩阵(7,8]。图7显示了两个扫描电子显微镜图片获得小麦面粉电影包含20%的亚麻纤维。图7(一)表明纤维均匀分散在矩阵和面向的方向挤压的电影。图7 (b)放大,让我们有一个更好的纤维之间的界面分析和矩阵。纤维,没有观察到,当腔打破了复合纤维和矩阵在一起打破,没有纤维没有周围的矩阵或孔发生纤维提取时,观察到。

换句话说,纤维之间的界面和矩阵是优秀的,我们有一个良好的纤维和基质之间的兼容性。与棉纤维相同的结果取得了(9,10]。

3.6。拉伸实验

当添加20%的亚麻纤维,复合材料的机械性能是一个减少为65%,破坏时的应力增加178%,模量应变为零增加了270%,达到一个值接近500 MPa。作为一个例子,100%的绿色复合材料的机械性能获得小麦面粉和棉花是显示在图8。我们看到同样的行为与亚麻纤维,观察到以前的大小差异小。棉花比亚麻效率较低。

从这个数据我们现在可能比较这些100%绿色材料到今天的生产或使用的其他材料。表1显示了亚麻纤维的性能相比,无机纤维。

如果亚麻和玻璃做的比较,亚麻似乎是最好的,但是如果执行比较碳,这并非如此。在许多发表论文,声称亚麻纤维很好,它们可以用来代替玻璃纤维。但也需要仔细分析纤维的接口矩阵,这通常是不太好。这就是为什么亚麻纤维需要涂布或提交一个表面处理。另一方面存在另外两个主要问题。一个是亚麻纤维的分散性能的数据。第二个转变是与水分子的5 - 10%提取非常困难。

的矩阵,我们报道在表2热塑性塑料的机械性能的平均值,热固性树脂,我们natural-based热塑性。

很明显,小麦面粉矩阵不存在性能所需的高科技产品。这些结果告诉我们,这种材料必须用于短期应用程序,将需要大幅进化和改进用于长期应用。对于这些材料,研究玻璃化转变的特点已经执行,并发现这些小麦面粉热塑性塑料脆弱性指数现值(11)与更传统的热塑性材料(预计什么12]。

表3显示了不同的复合材料的平均表现。100%的表现绿色复合材料的机械强度下的行为不是很不同于其他synthetic-based获得复合材料但仍在低技术的应用程序。

4所示。结论

作为结论,我们可能会说关于本文中给出的数据,这可能是准备100%的绿色热塑性塑料原材料来自农业资源与粮食生产没有竞争。还可以使100%绿色复合材料采用天然纤维或回收纤维。

然而,今天的耐久性问题是不能很好地控制,和机械性能不够好想象取代合成热塑性或thermosetting-based复合材料。

新的调查要做来增加水的保护。这可以通过添加一些自然cross-linkers,或通过添加表面保护用天然油脂。

承认

作者要感谢“大网格de矫揉造作的“VATA支持的地区高级诺曼底,给予金融支持这项研究。作者也想感谢所有的博士生AMME-LECAP谁参与这个项目,谁犯了一个大的和有趣的工作。

引用

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