Budúcnosť ľahkej konštrukcie z celulózy
V časoch neustáleho zvyšovania spoločenského povedomia o životnom prostredí a stále hlasnejších volaní po výrobných procesoch a výrobkoch efektívne využívajúcich zdroje sa čoraz viac dostávajú do popredia nevýhody petrochemických plastov. Patrí sem konečnosť fosílnych surovín, ako aj ťažkosti s recykláciou a likvidáciou. Hľadanie alternatívnych materiálových konceptov je jednou z najdôležitejších úloh 21. storočia. Za riešenie tohto problému možno považovať vulkanizované vlákno. Preto výskumná skupina z Technickej univerzity v Dortmunde skúma tento materiál na báze celulózy. Dôraz sa kladie na správanie v rôznych podmienkach prostredia.
Vulkanizované vlákno je vrstvený materiál vyvinutý v polovici 19. storočia, ktorý je vyrobený z celulózových vlákien vo forme špeciálnych papierových vrstiev pomocou pergamenu. Takéto špeciálne papiere pozostávajú z celulózy a bavlny. Na výrobu vulkanizovaného vlákna sú tieto papierové vrstvy impregnované pergamenovou kvapalinou. Kvapalina pôsobí ako katalyzátor a spôsobuje napučanie celulózy. Vytvorí sa hydrát celulózy. Súčasne sa uvoľňujú zložky s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktoré pôsobia ako cementová látka medzi vláknami. Aby sa zabránilo sacharifikácii celulózy, výrobca čo najviac obmedzuje čas expozície pre pergamenovú tekutinu. Materiál vulkanizované vlákno sa vytvára stohovaním vrstiev impregnovaného papiera. Potom sa pergamenová tekutina odstráni [1], [2].
Všeobecne je vulkanizované vlákno odolné proti oderu, tvrdé a nárazuvzdorné. Je tiež elektricky izolačný, antistatický a s hustotou 1,45 g/cm³ pomerne ľahký. V porovnaní s termoplastmi je ako celulózový výrobok vlákno necitlivé na teplo. Hygroskopicita hrá hlavnú úlohu pri použití vulkanizovaného vlákna ako stavebného materiálu. Toto popisuje vlastnosť látky viazať alebo uvoľňovať vlhkosť v závislosti od okolitých podmienok. Vulkanizované vlákno reaguje na vlhkosť reverzibilným absorbovaním alebo uvoľňovaním vodnej pary [2], [3]. Skladovaná voda funguje ako plastifikátor. Preto sa materiál stáva pružnejším so zvyšujúcim sa obsahom vlhkosti, zatiaľ čo pevnosť klesá. Ďalším dôležitým aspektom je rozmerová presnosť. Kolísanie vlhkosti materiálu mení rozmery, ktoré musia procesory zohľadniť pri navrhovaní a výrobe komponentov z vulkanizovaného vlákna. Zatiaľ však neexistujú žiadne základné pokyny.
Jedným z hlavných zameraní výskumu na Katedre strojných prvkov na TU Dortmund University je preto charakterizácia obsahu vlhkosti a rozmerové zmeny vo vulkanizovanom vlákne za meniacich sa podmienok prostredia. Vedci vykonávajú vyšetrovanie na materiáli od výrobcu vulkanizovaných vlákien Ernsta Krügera z Geldernu. Je to produkt z vulkanizovaného vlákna s hrúbkou materiálu 8 mm, ktorý sa vyrába diskontinuálnym procesom. Štúdia nezohľadňovala vplyv hygroskopickej hysterézy.
Musíte prejsť siedmimi klimatickými úrovňami
Pri skúmaní obsahu vlhkosti v materiáli sa vedci zamerali na sedem klimatických úrovní simulovaných klimatickou komorou KMF 115 od spoločnosti Binder. Predbežné testy preukázali, že rozmery vzorky nemajú žiadny podstatný vplyv na výsledok merania. Malé vzorky skracujú trvanie testu, a preto zodpovedné osoby vybrali vzorky v tvare kocky s dĺžkou hrany 8 mm. Pre každú úroveň podnebia sa používa desať kociek z vulkanizovaného vlákna. Vedci monitorujú kondicionovanie vzorky pomocou presného vyváženia: Ak nie je možné do 24 hodín zmerať ďalšie zmeny hmotnosti, je kondicionovanie ukončené. Inžinieri na TU Dortmund University používajú na stanovenie vlhkosti materiálu Darrov proces. Toto je metóda priameho merania, ktorá určuje zostávajúci obsah vlhkosti vo vzorke vysušenej vplyvom tepla prostredníctvom úbytku hmotnosti [3]: * pozri vzorec na obrázku
Podľa DIN 7738 by vedci museli pre štúdiu skutočne zvoliť teplotu sušenia 105 ° C a stanoviť dobu merania na 24 hodín. Táto informácia sa však týka skúšobných vzoriek s hrúbkou materiálu 2 mm. Predbežné vyšetrovania ukázali, že teplota 160 ° C počas 30 hodín nevedie k nijakému znateľnému poškodeniu materiálu, a preto nie je kritická. Avšak tí, ktorých sa to týka, obmedzujú teplotu sušenia na 120 ° C, aby sa vylúčilo neúmyselné poškodenie materiálu a s tým spojené falšovanie výsledkov merania. Kvôli veľkosti vzorky ste nastavili dobu sušenia na 14 dní. Takéto dlhé pôsobenie tepla je nevyhnutné na to, aby sa materiál takmer úplne vysušil. Vedci na tento účel používajú sušiacu skrinku od spoločnosti Heraeus Instruments. Po vysušení vypočítajte a spriemerujte obsah vlhkosti vo vzorkách. Štandardná odchýlka jednotlivých nameraných hodnôt klimatickej hladiny je v priemere 0,09 percenta, a preto je dostatočne malá.
Chlad sa rovná vlhkosti
So zvyšujúcou sa vlhkosťou vzduchu sa vlhkosť materiálu exponenciálne zvyšuje. Nízke teploty tiež podporujú absorpciu vlhkosti. V tomto ohľade sa vulkanizované vlákno správa ako drevený materiál. Vedci vytvorili kompenzačnú krivku, ktorá tieto výsledky zobrazuje s dostatočnou presnosťou pre teplotu 20 ° C v rozmedzí hodnôt nízkej až strednej vlhkosti (približne 40 percent rH až 70 percent rH). Pri vysokých hodnotách vlhkosti vzduchu (približne 70 až 90 percent relatívnej vlhkosti) sa však krivka mierne líši od skutočného priebehu. Na potvrdenie výsledkov vedci odporúčajú následné stanovenie obsahu vlhkosti pre vlhkosť vzduchu 80% rH.
Na základe kompenzačnej krivky účastníci projektu vytvorili trendovú krivku pre teploty 10 ° C a 50 ° C. Obidve krivky slúžia používateľovi ako pomôcka pri odhadovaní obsahu vlhkosti.
Nestabilné rozmery
Pri skúmaní rozmerovej stability je potrebné poznamenať, že vlastnosti materiálu sa líšia od smeru k smeru v dôsledku výrobného procesu. Vedci preto zaznamenávajú rozmerové zmeny v dĺžke, šírke a hrúbke a definujú dĺžku ako smer výroby alebo orientáciu vlákna. Experimentálne nastavenie obsahuje päť vzoriek, ktoré sú opatrené značkami merania. Po kondicionovaní v klimatickej komore vedci zaznamenajú päť nameraných hodnôt pre každý smer merania a vzorku. Na meranie sa používajú digitálne posuvné meradlo podľa DIN 862 alebo mikrometr podľa DIN 863/1. Vypočítajú priemernú hodnotu z 25 nameraných hodnôt smeru orientácie.
Štandardná odchýlka je medzi 0,07 percenta a 0,8 percenta. Vzorky prechádzajú celkovo piatimi úrovňami podnebia. Percentuálne zmeny rozmerov určené v dôsledku zmeny okolitých podmienok sa týkajú počiatočnej klímy 20 ° C a 65 percent relatívnej vlhkosti. Hrúbka sa mení najviac, dĺžka (smer zrna) najmenej. Všetky uvažované rozmerové zmeny zahŕňajú tepelnú a vlhkostnú lineárnu rozťažnosť. Tieto rozmerové výkyvy závisia predovšetkým od rozdielu vlhkosti v klimatických hladinách. V praxi hrá dôležitú úlohu vlhkosť materiálu.
Aby bolo možné určiť lineárnu rozťažnosť súvisiacu s vlhkosťou, vedci analyzujú rozmerové zmeny pri konštantnej teplote. Množstvo absorbovanej vlhkosti je známe z predchádzajúcich výskumov. Pri 10 ° C je nárast vlhkosti 8,49 percenta. Pri 50 ° C je to 5,99 percenta. Za predpokladu koeficientu lineárnej rozťažnosti sa počíta s rozmerovou odchýlkou súvisiacou s vlhkosťou. Ukázalo sa, že zmena obsahu vlhkosti o jedno percento, napríklad v pozdĺžnom smere, spôsobí rozmerovú zmenu o 0,17 percenta. Naproti tomu teplotný rozdiel významne neovplyvňuje lineárnu expanziu. Môže sa tak zanedbať tepelná rozťažnosť. K rozmerovým zmenám v dôsledku absorpcie vlhkosti dochádza u vulkanizovaného vlákna v pomere približne 1: 2: 6 (dĺžka: šírka: hrúbka).
S výsledkami je možné odhadnúť obsah vlhkosti vo vulkanizovanom vlákne s dostatočnou presnosťou pre rôzne podmienky prostredia. Na základe obsahu vlhkosti je možné tiež určiť rozmerové výkyvy pomocou stanoveného koeficientu dĺžkovej rozťažnosti. Lineárna rozťažnosť hrá úlohu predovšetkým vtedy, ak sa výrobné podmienky líšia od prevádzkových podmienok alebo ak možno očakávať silné výkyvy okolitých podmienok. Obsah vlhkosti vo vulkanizovanom vlákne závisí od mnohých faktorov a môže sa líšiť od výsledkov merania uvedených pre iné výrobky z vulkanizovaného vlákna. Medzi najdôležitejšie ovplyvňujúce faktory patrí zloženie základného papiera a procesné riadenie výroby vulkanizovaných vlákien. Pre veľmi presné aplikácie odporúčajú vedci vykonať nezávislé vyšetrenia pre vybraný produkt z vulkanizovaného vlákna.