Иднината на лесната конструкција направена од целулоза
Во време на стабилно зголемување на социјалната свест за животната средина и сè погласни повици за ресурсни ефикасни производствени процеси и производи, недостатоците на петрохемиските пластика доаѓаат до израз. Ова вклучува конечност на фосилните суровини, како и тешкотии при рециклирање и отстранување. Потрагата по алтернативни материјални концепти е една од најважните задачи на 21 век. Вулканизираните влакна може да се сметаат како решение за овој проблем. Затоа истражувачка група на Техничкиот универзитет во Дортмунд го истражува овој материјал базиран на целулоза. Фокусот е на однесувањето под различни услови на животната средина.
Вулканизираните влакна се слоевит материјал развиен во средината на 19 век, кој е направен од целулозни влакна во форма на специјални хартиени слоеви со помош на пергамент. Таквите специјални трудови се состојат од целулоза и памук. Со цел да се произведат вулканизирани влакна, овие слоеви на хартија се импрегнираат со течност од пергамент. Течноста делува како катализатор и предизвикува оток на целулозата. Се формира хидрат целулоза. Во исто време, се ослободуваат компоненти со мала молекуларна тежина, кои делуваат како цементна супстанција помеѓу влакната. Со цел да се избегне сахарификација на целулозата, производителот го ограничува времето на изложеност на течноста за пергамент што е можно повеќе. Вулканизираните влакна на материјалот се создаваат со редење на импрегнирани слоеви на хартија. Потоа течноста за пергамент се отстранува [1], [2].
Општо, вулканизираните влакна се отпорни на абење, тврди и отпорни на удари. Исто така е електрично изолационен, антистатички и, со густина од 1,45 g/cm³, релативно лесен. Во споредба со термопластиката, како целулозен производ, влакната се нечувствителни на топлина. Хигроскопичноста игра голема улога во употребата на вулканизирани влакна како градежен материјал. Ова го опишува својството на супстанцијата да врзува или ослободува влага во зависност од амбиенталните услови. Вулканизираните влакна реагираат на влажноста со реверзивно впивање или ослободување на водена пареа [2], [3]. Зачуваната вода делува како пластификатор. Затоа, материјалот станува еластичен со зголемување на содржината на влага, додека јачината се намалува. Друг важен аспект е димензионалната точност. Флуктуациите на материјалната влага ги менуваат димензиите што процесорите треба да ги вклучат при дизајнирање и производство на компоненти од вулканизирани влакна. Досега, сепак, нема основни упатства.
Затоа, еден фокус на истражување во Одделот за машински елементи на Универзитетот ТУ Дортмунд е карактеризирање на содржината на влага и промените во димензиите на вулканизираните влакна под променливи услови на животната средина. Истражувачите вршат истраги на материјал од производителот на вулканизирани влакна Ернст Кругер, Гелдерн. Тоа е дисконтинуиран производ со вулканизирани влакна со дебелина на материјалот од 8 mm. Студијата не го зела предвид ефектот на хигроскопната хистереза.
Треба да поминете низ седум нивоа на клима
За да ја испитаат содржината на влага во материјалот, истражувачите разгледуваат седум климатски нивоа симулирани од климатската комора KMF 115 од Биндер. Прелиминарните тестови покажаа дека димензиите на примерокот немаат значително влијание врз резултатот од мерењето. Малите примероци го скратуваат времетраењето на тестот, поради што одговорните избраа примероци во форма на коцка со должина на работ од 8 мм. За секое ниво на клима се користат десет коцки вулканизирани влакна. Истражувачите го следат климатизирањето на примероците со помош на прецизни скали: Ако не може да се измерат промени во тежината во рок од 24 часа, условот е завршен. Инженерите на универзитетот ТУ Дортмунд го користат процесот Дар за да се утврди влажноста на материјалот. Ова е метод за директно мерење што ја одредува преостанатата содржина на влага во примерок исушен под влијание на топлина преку губење на тежината [3]: * видете ја формулата за слика
Според DIN 7738, научниците треба да изберат температура на сушење од 105 ° C за студијата и да постават период на мерење од 24 часа. Сепак, оваа информација се однесува на тест примероци со дебелина на материјалот од 2 мм. Прелиминарните испитувања покажаа дека температурата од 160 ° C во период од 30 часа не доведува до забележителна материјална штета и затоа не е критична. Како и да е, вклучените ја ограничуваат температурата на сушење на 120 ° C со цел да се исклучи ненамерната материјална штета и придружното фалсификување на резултатите од мерењето. Периодот на сушење го поставивте на 14 дена поради големината на примерокот. Толку долго изложување на топлина е потребно за да се исуши материјалот скоро целосно. Истражувачите користат кабинет за сушење од Heraeus Instruments за оваа намена. По сушењето, пресметајте ја и просечете ја содржината на влага во примероците. Стандардната девијација на индивидуалните измерени вредности на климатското ниво во просек е 0,09 проценти и затоа е доволно мала.
Студот е еднаков на влага
Со зголемување на влажноста на воздухот, влажноста на материјалот експоненцијално се зголемува. Ниските температури, исто така, промовираат апсорпција на влага. Во овој поглед, вулканизираните влакна се однесуваат како дрвен материјал. Научниците создадоа крива на компензација која ги прикажува овие резултати со доволна точност за температура од 20 ° C во опсег од ниски до средни вредности на влажност (приближно 40 проценти rH до 70 проценти rH) При високи вредности на влажност (приближно 70 до 90 проценти rH), кривината малку отстапува од реалниот тек. За да ги потврдат резултатите, истражувачите препорачуваат последователно одредување на содржината на влага за влажност од 80 проценти rH.
Врз основа на кривата за компензација, оние кои беа вклучени во проектот создадоа крива на тренд за температури од 10 ° C и 50 ° C. Двете криви служат на корисникот како помош при проценка на содржината на влага.
Нестабилни димензии
При испитување на димензионалната стабилност, треба да се забележи дека својствата на материјалот се разликуваат од насока до насока како резултат на производствениот процес. Затоа, истражувачите бележат димензионални промени во насоката на должината, ширината и дебелината, дефинирајќи ја насоката на должината како насока на производство или ориентација на влакна. Експерименталното поставување вклучува пет примероци, кои се обезбедени со ознаки за мерење. По условување во климатската комора, научниците бележат пет измерени вредности по насока на мерење и примерок. За мерење се користат дигитален дебеломер според DIN 862 или микрометар според DIN 863/1. Тие пресметуваат просечна вредност од 25 измерени вредности на насока на ориентација.
Стандардната девијација е помеѓу 0,07 и 0,8 проценти. Примероците минуваат низ вкупно пет климатски нивоа. Процентните промени во димензиите утврдени како резултат на промената на амбиенталните услови се однесуваат на почетната клима од 20 ° C и 65 проценти RH. Дебелината се менува најмногу, должината (насоката на зрната) најмалку. Сите разгледувани димензионални промени вклучуваат и топлинска и линеарна експанзија поврзана со влага. Овие димензионални флуктуации зависат првенствено од разликата во влажноста помеѓу климатските нивоа. Во пракса, материјалната влага игра важна улога.
Со цел да се утврди линеарното ширење поврзано со влагата, истражувачите ги анализираат димензионалните промени на постојана температура. Количината на апсорбирана влага е позната од претходните истражувања. На 10 ° C зголемувањето на влагата е 8,49 проценти. На 50 ° C е 5,99 проценти. Претпоставувајќи линеарен коефициент на експанзија, се пресметува димензионалното отстапување поврзано со влагата. Се покажа дека промената на содржината на влага од еден процент, на пример во надолжната насока, предизвикува димензионална промена од 0,17 проценти. Температурната разлика, пак, не влијае значително на линеарното ширење. Така, термичката експанзија може да се занемари. Димензионални промени како резултат на апсорпција на влага се случуваат со вулканизирани влакна во сооднос од приближно 1: 2: 6 (должина: ширина: дебелина).
Со резултатите, можно е да се процени содржината на влага во вулканизираните влакна со доволна точност за различни услови на животната средина. Врз основа на содржината на влага, димензионалните флуктуации може да се одредат и со помош на утврдениот коефициент на проширување на должината. Линеарната експанзија игра улога пред сè доколку условите за производство отстапуваат од работните услови или ако се очекуваат силни флуктуации во амбиенталните услови. Содржината на влага во вулканизираните влакна зависи од многу фактори и може да отстапи од резултатите од мерењето прикажани за други производи од вулканизирани влакна. Најважните фактори на влијание вклучуваат состав на основната хартија и управување со процесот на производство на вулканизирани влакна. За многу прецизни апликации, научниците препорачуваат да се спроведат независни истражувања за избраниот производ на вулканизирани влакна.