Connect with us

Hi, what are you looking for?

Наука и технологии

Представлен новый композит сэндвич-структуры из биополимеров для ограждающих конструкций зданий

Представлен новый композит сэндвич-структуры из биополимеров для ограждающих конструкций зданий
Представлен новый композит сэндвич-структуры из биополимеров для ограждающих конструкций зданий

Разработан новый композит сэндвич-структуры из поверхностных слоев полигидроксиалканоата (ПГА) и промежуточного слоя полимолочной кислоты и целлюлозных микроволокон. Биоразлагаемые целлюлозные микроволокна можно химически модифицировать с помощью золь-гель-процесса для улучшения совместимости естественного армирования и полимерной матрицы.

В то время как модифицированные целлюлозные микроволокна были химически разработаны с помощью различных процессов для улучшения совместимости естественного армирования с полимерной матрицей, модифицированные целлюлозные микроволокна показали высокие гидрофобные характеристики с гомогенной дисперсией в матрице полимолочной кислоты.

Масуд Дадрас Чомачайи и исследовательская группа из Университета Лаваля, Канада, провели термогравиметрический анализ конструкций, который показал улучшенную термическую стабильность . Они улучшили механические свойства конструкций, увеличив их модуль упругости и прочность. Когда ученые добавили в конструкции необработанные волокна, проницаемость водяного пара сэндвич-композита увеличилась, что продемонстрировало превосходство модифицированных целлюлозных микроволокон по сравнению с необработанными целлюлозными микроволокнами при создании ограждающих конструкций зданий.

Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Искусство создания ограждающих конструкций здания

Ограждающая конструкция здания является важной частью конструкции здания, которая защищает жильцов от внешних воздействий окружающей среды, включая солнце, дождь, снег, ветер и загрязнение. Этот многослойный пассивный элемент важен для энергоэффективности и поддержания здоровья и комфорта жителей здания . Процесс утечки воздуха, теплопередачи и диффузии влаги может оказать существенное влияние на ограждающие конструкции здания . Например, в холодном климате массовая концентрация водяного пара внутри здания выше, чем снаружи, что приводит к миграции влаги через стены здания.

В результате рассеянная влага может способствовать росту плесени, снижая эффективность изоляции и ухудшая качество ограждающих материалов здания . В настоящее время в строительной отрасли используется множество барьерных мембран , в том числе пластиковая пленка и изоляция из жесткого пенопласта. Среди этих материалов для изготовления оболочек все чаще используются полимеры. Ученые-материаловеды используют экструдированные полиэтиленовые листы в качестве эффективной пароизоляционной мембраны; однако его чрезмерное использование вредно для окружающей среды.

Состав материалов

Поскольку полигидроксиалканоат и полимолочная кислота являются важными биополимерами в индустрии пластмасс, недавние работы показали использование возобновляемых наполнителей на основе целлюлозы в качестве полимерных композитов. Поэтому в этой работе Чомачайи и его коллеги разработали новую барьерную мембрану сэндвич-структуры из материалов биологического происхождения, в которую они добавили полигидроксиалканоат к поверхностным слоям мембраны из-за его превосходных пароизоляционных свойств, а затем добавили полимолочную кислоту в качестве промежуточного слоя, наряду с целлюлозными микроволокнами. ради экологических и экономических выгод.

Ученые охарактеризовали полученные сэндвич-композиты с точки зрения их морфологии, термической стабильности, механических свойств и пароизоляционных характеристик. Затем они провели испытание на долговечность, чтобы изучить влияние ускоренного старения на механические и барьерные свойства материалов.

Исследователи изучили морфологию поверхности целлюлозных микроволокон до и после модификации и изучили результаты с помощью сканирующей электронной микроскопии . Чтобы придать целлюлозным волокнам шероховатость , команда включила сферические наночастицы диоксида кремния с нанодиаметром, где они получили наночастицы в результате гидролиза и зародышеобразования предшественника тетраэтилортосиликата на целлюлозных волокнах.

Используя инфракрасный анализ с преобразованием Фурье , Чомачайи и его коллеги определили химическую структуру целлюлозных микроволокон до и после золь-гель модификации. Ученые охарактеризовали полученные сэндвич-композиты относительно их морфологии, термической стабильности и механических свойств.

Механизм действия

Что касается механизма действия, то во время золь-гель модификации целлюлозных микроволокон тетраэтилортосиликатом и гексадецилтриметоксисиланом команда смешала объединенные материалы в дозаторе и включила наночастицы диоксида кремния на поверхность материала. После реакции они центрифугировали смесь и получили гидрофильные целлюлозные микроволокна, которые лиофилизировали в течение двух дней и измельчали ​​для получения целлюлозного порошка. Для изготовления мембран с сэндвич-структурой они создали промежуточный композит из полимолочной кислоты и целлюлозного микроволокна путем литья в растворитель и высушили гранулы ПГА в вакууме в течение ночи для удаления влаги.

Затем ученые разработали композиты с сэндвич-структурой путем прессования и охарактеризовали их с помощью ряда методов, включая сканирующую электронную микроскопию , измерение угла смачивания , термогравиметрический анализ и дифференциальную сканирующую калориметрию.

Чтобы оценить влияние золь-гель модификации на гидрофобность целлюлозных микроволокон, они изучили результаты с помощью измерения угла контакта. Например, значения угла смачивания комбинированных целлюлозных микроволокон и гексадецилтриметоксисилана были выше, чем у необработанных поверхностей. Команда провела ряд экспериментов, чтобы охарактеризовать состав поверхности материала, химический состав конструкций и их механические свойства.

Поскольку, например, концепция долговечности материала привлекла значительное внимание в Канаде, команда попыталась оценить срок службы полиэтиленовой пленки для длительного использования при применении пароизоляционных мембран.

Перспективы

Таким образом, Масуд Дадрас Чомачайи и его команда разработали мембрану сэндвич-структуры с использованием материалов на биологической основе, которые включали полигидроксиалканоат, полимолочную кислоту и целлюлозные микроволокна. Барьерные мембраны регулируют миграцию водяного пара через стены, предотвращая накопление влаги и обеспечивая долговременную стабильность строительных материалов . Исследовательская группа разработала многослойные композиты с использованием листов и волокон полигидроксиалканоата, армированных композитами полимолочной кислоты, для создания модифицированных целлюлозных микроволокон, инкрустированных сферическими наночастицами кремнезема на поверхности.

Гидрофильность и термическая стабильность целлюлозных микроволокон также были улучшены после процесса золь-гель модификации. Результаты показали, как модуль Юнга материалов увеличился за счет включения в композиты двух ключевых материалов. Успешные результаты символизируют потенциал биополимеров как полезной альтернативы традиционным материалам на основе нефти при строительстве. Дальнейшие исследования направлены на повышение гибкости композитов для более широкого применения.

Теги: полимеры

В тренде