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.