En ny sandwichstrukturerad komposit har utvecklats från ytskikten av polyhydroxialkanoat (PHA) och mellanskiktet av polymjölksyra och cellulosamikrofibrer. De biologiskt nedbrytbara cellulosamikrofibrerna kan modifieras kemiskt med en sol-gel-process för att förbättra kompatibiliteten mellan naturlig förstärkning och polymermatrisen.
Medan de modifierade cellulosamikrofibrerna utvecklades kemiskt genom olika processer för att förbättra kompatibiliteten hos naturlig förstärkning vid polymermatrisen, visade de modifierade cellulosamikrofibrerna mycket hydrofoba egenskaper med homogen dispersion i polymjölksyramatrisen.
Masoud Dadras Chomachayi och ett forskarlag vid Laval University, Kanada, observerade termogravimetriska analyser av konstruktionerna för att visa förbättrad termisk stabilitet. De förbättrade de mekaniska egenskaperna hos konstruktionerna för att öka dess dragmodul och styrka. När forskarna lade till obehandlade fibrer till konstruktionerna ökade sandwichkompositens vattenångpermeabilitet för att visa överlägsenheten hos modifierade cellulosamikrofibrer jämfört med obehandlade cellulosamikrofibrer för att utveckla byggnadshöljen.
Forskningen publiceras i tidskriften Scientific Reports .
Konsten att bygga ett byggnadskuvert
Byggnadsskalet är en viktig del av en byggnadsstruktur som skyddar de boende från yttre miljöpåverkan inklusive sol, regn, snö, vind och föroreningar. Detta passiva element i flera lager är viktigt för energieffektivitet och för att upprätthålla hälsan och komforten för de boende i byggnaden. Processen med luftläckage, värmeöverföring och fuktspridning kan ha betydande inverkan på byggnadens klimatskal. Till exempel, i kalla klimat, är masskoncentrationen av vattenånga på insidan av byggnaden högre än utsidan, vilket orsakar migrering av fukt genom byggnadens väggar.
Som ett resultat kan diffus fukt uppmuntra mögeltillväxt, vilket minskar isoleringens effektivitet och försämringen av byggnadsskalsmaterial. För närvarande finns det en mängd olika barriärmembran som används inom byggindustrin, som inkluderar plastfolie och styv skumisolering. Bland dessa material används polymerer alltmer för att bygga kuvert. Materialforskare använder polyetenextruderade ark som ett framträdande ångbarriärmembran; men överdriven användning är skadlig för miljön.
Eftersom polyhydroxialkanoat och polymjölksyra är betydelsefulla biopolymerer i plastindustrin, och nyare arbete har sett användningen av förnybara cellulosabaserade fyllmedel som polymerkompositer. I detta arbete utvecklade därför Chomachayi och kollegor ett nytt sandwichstrukturerat barriärmembran från biobaserade material, där de tillsatte polyhydroxialkanoat till ytskikten av membran på grund av dess utmärkta ångbarriäregenskaper och sedan tillsatte polymjölksyra som mellanskikt, tillsammans med cellulosamikrofibrer för miljömässiga och ekonomiska fördelar.
Forskarna karakteriserade de beredda sandwichkompositerna i förhållande till deras morfologi, termiska stabilitet, mekaniska egenskaper och ångbarriärprestanda. De genomförde sedan ett hållbarhetstest för att undersöka effekten av accelererat åldrande på materialens mekaniska egenskaper och barriäregenskaper.
Forskarna undersökte ytmorfologin hos cellulosamikrofibrer före och efter modifiering och undersökte resultaten med svepelektronmikroskopi. För att ge grovhet på cellulosafibrerna inkorporerade teamet sfäriska silikananopartiklar med en nanoskaladiameter, där de härledde nanopartiklarna från hydrolys och kärnbildning av tetraetylortosilikatprekursorn på cellulosafibrerna.
Med hjälp av Fourier-transformeringsinfraröd analys bestämde Chomachayi och kollegor den kemiska strukturen hos cellulosamikrofibrerna före och efter sol-gelmodifieringen. Forskarna karakteriserade de beredda sandwichkompositerna i förhållande till deras morfologi, termiska stabilitet och mekaniska egenskaper.
I sin verkningsmekanism, under sol-gelmodifieringen av cellulosamikrofibrer med tetraetylortosilikat och hexadecyltrimetoxisilan, blandade teamet de kombinerade materialen i en dispenser och inkluderade nanopartiklar av kiseldioxid på materialytan. Efter reaktionen centrifugerade de blandningen och fick hydrofila cellulosamikrofibrer, som de frystorkade i två dagar och malde till ett cellulosapulver. För att förbereda de sandwichstrukturerade membranen skapade de polymjölksyra/cellulosamikrofiber mellanskiktskompositer genom lösningsmedelsgjutning och vakuumtorkade PHA-pelletsen över natten för att avlägsna fukt.
Forskarna utvecklade sedan de sandwichstrukturerade kompositerna via formpressning och karakteriserade dem med en rad olika metoder, inklusive svepelektronmikroskopi, kontaktvinkelmätningar, termogravimetriska analyser och differentiell skanningskalorimetri.
För att bedöma effekten av sol-gel-modifiering på hydrofobiciteten hos cellulosamikrofibrer studerade de resultaten med hjälp av kontaktvinkelmätningar. Till exempel var kontaktvinkelvärdena för kombinerade cellulosamikrofibrer och hexadecyltrimetoxisilan högre än de obehandlade ytorna. Teamet genomförde en rad experiment för att karakterisera materialets ytsammansättning, konstruktionernas kemi och deras mekaniska egenskaper.
Eftersom begreppet materialhållbarhet har fått stor uppmärksamhet i Kanada, till exempel, försökte teamet bedöma livslängden för polyetenskivor för långvarig användning under ångbarriärmembranapplikationer.
På detta sätt utvecklade Masoud Dadras Chomachayi och teamet ett sandwichstrukturerat membran med hjälp av biobaserade material, som inkluderade polyhydroxialkanoat, polymjölksyra och cellulosamikrofibrer. Barriärmembranen reglerade migrationen av vattenånga genom väggarna för att förhindra fuktansamling och långtidsstabilitet hos byggmaterialen. Forskargruppen utvecklade flerskiktskompositer med användning av polyhydroxialkanoat-skivor och fibrer förstärkta med polymjölksyrakompositer för att skapa modifierade cellulosamikrofibrer täckta med sfäriska silikananopartiklar på ytorna.
Hydrofilicitet och termisk stabilitet hos cellulosamikrofibrerna förbättrades också efter sol-gel-modifieringsprocessen. Resultaten visade hur Youngs modul för materialen ökade genom att införliva två nyckelmaterial i kompositerna. De framgångsrika resultaten symboliserar potentialen hos biopolymerer att vara användbara alternativ till konventionella petroleumbaserade material under byggapplikationer. Ytterligare studier syftar till att förbättra kompositernas flexibilitet för bredare tillämpningar.
Mer information: Dadras Chomachayi et al., Utveckling av en ny sandwichstrukturerad komposit från biopolymerer och cellulosamikrofibrer för byggnadshöljeapplikationer, vetenskapliga rapporter (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49273-0
Journalinformation: Vetenskapliga rapporter
© 2023 Science X Network
