Бъдещето на леката конструкция от целулоза
Във времена на непрекъснато повишаване на общественото съзнание за околната среда и все по-силни призиви за ефективно използване на ресурсите производствени процеси и продукти, недостатъците на нефтохимичните пластмаси излизат на преден план. Това включва крайността на изкопаемите суровини и трудностите при рециклирането и обезвреждането. Търсенето на алтернативни материални концепции е една от най-важните задачи на 21 век. Вулканизираните влакна могат да се разглеждат като решение на този проблем. Ето защо изследователска група в Техническия университет в Дортмунд изследва този материал на основата на целулоза. Фокусът е върху поведението при различни условия на околната среда.
Вулканизираните влакна са слоест материал, разработен в средата на 19 век, който е направен от целулозни влакна под формата на специални хартиени слоеве с помощта на пергамент. Такива специални хартии се състоят от целулоза и памук. За да се получат вулканизирани влакна, тези хартиени слоеве се импрегнират с пергаментова течност. Течността действа като катализатор и причинява набъбване на целулозата. Образува се хидратна целулоза. В същото време се отделят нискомолекулни компоненти, които действат като циментово вещество между влакната. За да се избегне захарифицирането на целулозата, производителят ограничава времето за излагане на пергаментовата течност, доколкото е възможно. Материалът вулканизирано влакно се създава чрез подреждане на импрегнираните слоеве хартия. След това течността от пергамент се отстранява [1], [2].
Като цяло вулканизираните влакна са устойчиви на износване, твърди и устойчиви на удар. Освен това е електроизолиращ, антистатичен и с плътност 1,45 g/cm³ относително лек. В сравнение с термопластите, като целулозен продукт, влакната са нечувствителни към топлина. Хигроскопичността играе основна роля при използването на вулканизирани влакна като строителен материал. Това описва свойството на веществото да свързва или отделя влага в зависимост от условията на околната среда. Вулканизираните влакна реагират на влажността чрез обратимо поглъщане или отделяне на водни пари [2], [3]. Съхраняваната вода действа като пластификатор. Следователно материалът става по-еластичен с увеличаване на съдържанието на влага, докато якостта намалява. Друг важен аспект е точността на размерите. Колебанията във влагата на материала променят степента, до която преработвателите трябва да включат в проектирането и производството на компоненти от вулканизирани влакна. Засега обаче няма основни насоки.
Следователно един от фокусите на изследванията в отдела за машинни елементи в университета TU Dortmund е характеризирането на съдържанието на влага и промените в размерите на вулканизираните влакна при променящи се условия на околната среда. Изследователите извършват проучвания върху материали от производителя на вулканизирани влакна Ernst Krüger, Geldern. Това е продукт от вулканизирани влакна с дебелина на материала 8 mm, произведен чрез прекъснат процес. Проучването не взема предвид ефекта от хигроскопичната хистерезис.
Трябва да преминете през седем климатични нива
За да изследват съдържанието на влага в материала, изследователите разглеждат седем климатични нива, симулирани от климатичната камера KMF 115 от Binder. Предварителните тестове показаха, че размерите на пробата нямат значително влияние върху резултата от измерването. Малките екземпляри съкращават продължителността на теста, поради което отговорните са избрали кубовидни образци с дължина на ръба 8 mm. За всяко климатично ниво се използват десет вулканизирани кубчета влакна. Изследователите наблюдават кондиционирането на пробите с помощта на прецизни везни: Ако не могат да бъдат измерени промени в теглото в рамките на 24 часа, кондиционирането е завършено. Инженерите от TU Dortmund University използват Darr процеса за определяне на влажността на материала. Това е метод на директно измерване, който определя оставащото съдържание на влага в проба, изсушена под въздействието на топлина чрез загуба на тегло [3]: * вижте фигура формула
Според DIN 7738 учените всъщност ще трябва да изберат температура на сушене от 105 ° C за изследването и да определят период на измерване от 24 часа. Тази информация обаче се отнася до тестови проби с дебелина на материала 2 mm. Предварителните проучвания показаха, че температурата от 160 ° C за период от 30 часа не води до забележими материални щети и следователно не е критична. Независимо от това, участващите ограничават температурата на сушене до 120 ° C, за да се изключат непреднамерени материални щети и свързаната с тях фалшификация на резултатите от измерванията. Вие задавате периода на сушене на 14 дни поради размера на пробата. Такова продължително излагане на топлина е необходимо, за да се изсуши материалът почти напълно. За тази цел изследователите използват шкаф за сушене от Heraeus Instruments. След изсушаване се изчислява и осреднява съдържанието на влага в пробите. Стандартното отклонение на отделните измерени стойности на климатично ниво е средно 0,09% и следователно е достатъчно малко.
Студът е равен на влага
С увеличаване на влажността на въздуха, влагата на материала нараства експоненциално. Ниските температури също насърчават абсорбцията на влага. В това отношение вулканизираните влакна се държат като дървен материал. Учените създадоха компенсационна крива, която изобразява тези резултати с достатъчна точност за температура от 20 ° C в диапазона от ниски до средни стойности на влажност (приблизително 40% rH до 70% rH). При високи стойности на влажност (приблизително 70 до 90 процента rH) обаче кривата леко се отклонява от реалния курс. За да потвърдят резултатите, изследователите препоръчват последващо определяне на съдържанието на влага за влажност от 80% rH.
Въз основа на кривата на компенсация участниците в проекта създадоха крива на тенденция за температури от 10 ° C и 50 ° C. И двете криви служат на потребителя като помощ при оценката на съдържанието на влага.
Нестабилни размери
Когато се изследва стабилността на размерите, трябва да се отбележи, че свойствата на материала се различават от посока в посока в резултат на производствения процес. Следователно изследователите записват промени в размерите на посоката на дължина, ширина и дебелина, определяйки надлъжната посока като посока на производство или ориентация на влакната. Експерименталната настройка включва пет проби, които са снабдени с маркировки за измерване. След кондициониране в климатичната камера учените записват пет измерени стойности за посока на измерване и проба. За измерването се използват цифров калипер съгласно DIN 862 или микрометър съгласно DIN 863/1. Те изчисляват средна стойност от 25 измерени стойности на посока на ориентация.
Стандартното отклонение е между 0,07% и 0,8%. Пробите преминават през общо пет климатични нива. Процентните промени в размерите, определени в резултат на промяната в условията на околната среда, се отнасят до първоначален климат от 20 ° C и 65% RH. Дебелината се променя най-много, дължината (посоката на зърното) най-малко. Всички разглеждани промени в размерите включват също линейно разширение, свързано с топлина и влага. Тези колебания в размерите зависят главно от разликата във влажността между климатичните нива. На практика влагата на материала играе важна роля.
За да определят линейното разширение, свързано с влагата, изследователите анализират промените в размерите при постоянна температура. Количеството абсорбирана влага е известно от предишните изследвания. При 10 ° C увеличението на влагата е 8,49 процента. При 50 ° C това е 5,99%. Приемайки линеен коефициент на разширение, се изчислява отклонението на размерите, свързано с влагата. Доказано е, че промяната в съдържанието на влага от един процент, например в надлъжна посока, води до изменение на размерите от 0,17%. Температурната разлика, от друга страна, не оказва значително влияние върху линейното разширение. По този начин термичното разширение може да бъде пренебрегнато. Промени в размерите, дължащи се на поглъщане на влага, се появяват с вулканизирано влакно в съотношение приблизително 1: 2: 6 (дължина: ширина: дебелина).
С резултатите е възможно да се оцени съдържанието на влага във вулканизираните влакна с достатъчна точност за различни условия на околната среда. Въз основа на съдържанието на влага, колебанията на размерите могат да бъдат определени и с помощта на определения коефициент на разширение на дължината. Линейното разширение играе роля преди всичко, ако производствените условия се отклоняват от работните условия или ако се очакват силни колебания в околните условия. Съдържанието на влага във вулканизираните влакна зависи от много фактори и може да се отклонява от резултатите от измерванията, показани за други продукти от вулканизирани влакна. Най-важните влияещи фактори включват състава на основната хартия и управлението на процеса на производство на вулканизирани влакна. За много прецизни приложения учените препоръчват извършването на независими изследвания за избрания продукт от вулканизирани влакна.