Майбутнє легкої конструкції з целюлози
У часи постійного підвищення рівня соціальної екологічної свідомості та дедалі гучніших закликів до ресурсоефективних виробничих процесів та продуктів, на перший план виходять недоліки нафтохімічної пластмаси. Сюди входить обмеженість викопної сировини та труднощі з переробкою та утилізацією. Пошук альтернативних матеріальних концепцій - одне з найважливіших завдань 21 століття. Вулканізоване волокно можна розглядати як вирішення цієї проблеми. Ось чому дослідницька група з Технічного університету Дортмунда досліджує цей матеріал на основі целюлози. Основна увага приділяється поведінці в різних умовах навколишнього середовища.
Вулканізоване волокно - це шаровий матеріал, розроблений в середині 19 століття, який виготовляється з целюлозних волокон у вигляді спеціальних паперових шарів за допомогою пергаменту. Такі спеціальні папери складаються з целюлози та бавовни. Для отримання вулканізованого волокна ці паперові шари просочують пергаментною рідиною. Рідина діє як каталізатор і викликає набухання целюлози. Утворюється гідрат целюлози. Одночасно з цим виділяються низькомолекулярні компоненти, які діють як цементна речовина між волокнами. Щоб уникнути зацукрювання целюлози, виробник максимально обмежує час витримки пергаментної рідини. Вулканізоване волокно створюється шляхом укладання просочених шарів паперу. Потім пергаментну рідину видаляють [1], [2].
Загалом вулканізоване волокно є стійким до стирання, твердим і ударостійким. Він також є електроізоляційним, антистатичним і відносно легким при щільності 1,45 г/см³. Порівняно з термопластиками, волокно, як целюлозний продукт, нечутливе до нагрівання. Гігроскопічність відіграє головну роль у використанні вулканізованого волокна як будівельного матеріалу. Це описує властивість речовини зв’язувати або виділяти вологу залежно від умов навколишнього середовища. Вулканізоване волокно реагує на вологість шляхом оборотного поглинання або виділення водяної пари [2], [3]. Зберігається вода діє як пластифікатор. Тому матеріал стає більш еластичним із збільшенням вмісту вологи, тоді як міцність зменшується. Іншим важливим аспектом є точність розмірів. Коливання вологості матеріалу змінюють розміри, які переробники повинні враховувати при проектуванні та виробництві вулканізованих волоконних компонентів. Однак поки що основних вказівок немає.
Отже, одним із основних напрямків досліджень на кафедрі машинних елементів в Університеті Дортмунда ТУ є характеристика вмісту вологи та зміни розмірів вулканізованого волокна в умовах зміни середовища. Дослідники проводять дослідження матеріалу від виробника вулканізованого волокна Ернста Крюгера, Гельдерн. Це вулканізоване волокнисте виріб із товщиною матеріалу 8 мм, що виробляється переривчастим процесом. Дослідження не враховувало вплив гігроскопічного гістерезису.
Вам доведеться пройти сім кліматичних рівнів
Щоб дослідити вміст вологи в матеріалі, дослідники розглядають сім кліматичних рівнів, змодельованих кліматичною камерою KMF 115 від Binder. Попередні випробування показали, що розміри зразків не мають суттєвого впливу на результат вимірювання. Маленькі зразки скорочують тривалість випробування, саме тому відповідальні обрали зразки у формі куба з довжиною краю 8 мм. Для кожного кліматичного рівня використовується десять кубиків вулканізованого волокна. Дослідники контролюють кондиціонування зразків за допомогою прецизійних ваг: Якщо протягом 24 годин не можна виміряти більше змін у вазі, кондиціонування завершено. Інженери з Дортмундського університету використовують метод Дарра для визначення вологості матеріалу. Це метод прямого вимірювання, який визначає залишок вологи у зразку, висушеному під дією тепла через втрату ваги [3]: * див. Формулу на малюнку
Відповідно до DIN 7738, вчені фактично повинні були б вибрати температуру сушіння 105 ° C для дослідження та встановити період вимірювання 24 години. Однак ця інформація стосується випробувальних зразків з товщиною матеріалу 2 мм. Попередні дослідження показали, що температура 160 ° C протягом 30 годин не призводить до помітних матеріальних збитків і тому не є критичною. Тим не менше, залучені обмежують температуру сушіння до 120 ° C, щоб виключити ненавмисний матеріальний збиток та пов'язану з цим фальсифікацію результатів вимірювань. Ви встановлюєте період сушіння на 14 днів через обсяг вибірки. Настільки тривалий вплив тепла необхідний для повного висихання матеріалу. Для цього дослідники використовують сушильну шафу від Heraeus Instruments. Після висихання розраховують і усереднюють вміст вологи у зразках. Стандартне відхилення індивідуальних виміряних значень рівня клімату в середньому становить 0,09 відсотка і, отже, досить мало.
Холод дорівнює вогкості
Зі збільшенням вологості повітря вологість матеріалу зростає в геометричній прогресії. Низькі температури також сприяють поглинанню вологи. У цьому відношенні вулканізоване волокно поводиться як деревний матеріал. Вчені створили криву компенсації, яка відображає ці результати з достатньою точністю для температури 20 ° C у діапазоні значень низької та середньої вологості (приблизно від 40 відсотків до 70 відсотків від температури). При високих значеннях вологості (приблизно 70-90% rH) крива трохи відхиляється від реального курсу. Для підтвердження результатів дослідники рекомендують подальше визначення вмісту вологи для вологості 80 відсотків rH.
На основі кривої компенсації учасники проекту створили криву тенденції для температур 10 ° C і 50 ° C. Обидві криві слугують користувачеві як допомога в оцінці вмісту вологи.
Нестабільні розміри
Вивчаючи стабільність розмірів, слід зазначити, що властивості матеріалу різняться від напрямку до напрямку в результаті виробничого процесу. Тому дослідники реєструють зміни розмірів у напрямку довжини, ширини та товщини, визначаючи напрямок довжини як напрямок виготовлення або орієнтацію волокна. Тестова установка включає п’ять зразків, які мають маркування вимірювань. Після кондиціонування в кліматичній камері вчені реєструють п’ять виміряних значень на напрямок вимірювання та зразок. Для вимірювання використовується цифровий супорт згідно з DIN 862 або мікрометр згідно з DIN 863/1. Вони обчислюють середнє значення з 25 виміряних значень напрямку орієнтації.
Стандартне відхилення становить від 0,07% до 0,8%. Зразки проходять через п'ять кліматичних рівнів. Відсоток змін розмірів, визначений в результаті зміни умов навколишнього середовища, стосується початкового клімату 20 ° C і 65 відсотків вологості. Найбільше змінюється товщина, найменша довжина (напрямок зерна). Всі розглянуті зміни розмірів включають теплові та вологісні лінійні розширення. Ці коливання розмірів залежать головним чином від різниці вологості між кліматичними рівнями. На практиці волога матеріалу відіграє важливу роль.
Для того, щоб визначити лінійне розширення, пов'язане з вологою, дослідники аналізують розмірні зміни при постійній температурі. Кількість поглиненої вологи відома з попередніх досліджень. При 10 ° C приріст вологи становить 8,49%. При 50 ° C це 5,99 відсотка. Припускаючи лінійний коефіцієнт розширення, розраховується відхилення розмірів, пов’язане з вологою. Було показано, що зміна вологості на один відсоток, наприклад, у поздовжньому напрямку, спричиняє зміну розміру на 0,17 відсотка. На відміну від цього, різниця температур істотно не впливає на лінійне розширення. Таким чином, термічним розширенням можна знехтувати. Зміни розмірів внаслідок поглинання вологи відбуваються з вулканізованим волокном у співвідношенні приблизно 1: 2: 6 (довжина: ширина: товщина).
За результатами можна оцінити вологість вулканізованого волокна з достатньою точністю для різних умов навколишнього середовища. На основі вмісту вологи коливання розмірів також можна визначити за допомогою визначеного коефіцієнта розширення довжини. Лінійне розширення відіграє роль перш за все, якщо виробничі умови відхиляються від робочих умов або якщо слід очікувати сильних коливань навколишніх умов. Вміст вологи у вулканізованому волокні залежить від багатьох факторів і може відхилятися від результатів вимірювань, показаних для інших виробів з вулканізованого волокна. Найважливішими чинниками впливу є склад основного паперу та управління процесом виробництва вулканізованого волокна. Для дуже точного застосування вчені рекомендують проводити незалежні дослідження вибраного вулканізованого волокнистого продукту.