Viitorul construcției ușoare din celuloză
În perioadele de conștientizare a mediului social în continuă creștere și a cererilor din ce în ce mai puternice de procese și produse de fabricație eficiente din punct de vedere al resurselor, dezavantajele materialelor plastice petrochimice sunt pe primul plan. Aceasta include finețea materiilor prime fosile, precum și dificultățile de reciclare și eliminare. Căutarea unor concepte materiale alternative este una dintre cele mai importante sarcini ale secolului XXI. Fibrele vulcanizate pot fi considerate o soluție la această problemă. De aceea, un grup de cercetare de la Universitatea Tehnică din Dortmund investighează acest material pe bază de celuloză. Accentul este pus pe comportament în diferite condiții de mediu.
Fibra vulcanizată este un material stratificat dezvoltat la mijlocul secolului al XIX-lea, care este realizat din fibre de celuloză sub formă de straturi speciale de hârtie prin pergament. Astfel de hârtii speciale constau din celuloză și bumbac. Pentru a produce fibre vulcanizate, aceste straturi de hârtie sunt impregnate cu un lichid pergament. Lichidul acționează ca un catalizator și determină umflarea celulozei. Se formează celuloză hidratată. În același timp, sunt eliberate componente moleculare joase care acționează ca o substanță de ciment între fibre. Pentru a evita zaharificarea celulozei, producătorul limitează pe cât posibil timpul de expunere pentru lichidul pergament. Materialul fibrei vulcanizate este creat prin stivuirea straturilor de hârtie impregnate. Apoi lichidul pergament este îndepărtat [1], [2].
În general, fibra vulcanizată este rezistentă la abraziune, dură și rezistentă la impact. De asemenea, este izolant electric, antistatic și, cu o densitate de 1,45 g/cm³, relativ ușor. În comparație cu materialele termoplastice, ca produs de celuloză, fibrele sunt insensibile la căldură. Higroscopicitatea joacă un rol major în utilizarea fibrelor vulcanizate ca material de construcție. Aceasta descrie proprietatea unei substanțe de a lega sau elibera umezeală în funcție de condițiile de mediu. Fibrele vulcanizate reacționează la umiditate absorbind sau eliberând reversibil vapori de apă [2], [3]. Apa stocată acționează ca un plastifiant. Prin urmare, materialul devine mai elastic cu creșterea conținutului de umiditate, în timp ce rezistența scade. Un alt aspect important este acuratețea dimensională. Fluctuațiile din umiditatea materialului modifică măsura în care procesoarele trebuie să includă atunci când proiectează și fabrică componente din fibră vulcanizată. Cu toate acestea, până acum nu există linii directoare de bază.
Unul dintre principalele obiective de cercetare din cadrul Departamentului Elemente Mașini de la Universitatea TU Dortmund este, prin urmare, caracterizarea conținutului de umiditate și a modificărilor dimensionale ale fibrelor vulcanizate în condiții de mediu în schimbare. Cercetătorii efectuează investigații asupra materialului de la producătorul de fibre vulcanizate Ernst Krüger, Geldern. Este un produs din fibre vulcanizate cu o grosime a materialului de 8 mm produs prin procesul discontinuu. Studiul nu a luat în considerare efectul histerezisului higroscopic.
Trebuie să treci prin șapte niveluri climatice
Pentru a investiga conținutul de umiditate al materialului, cercetătorii analizează șapte niveluri climatice simulate de camera climatică KMF 115 de la Binder. Testele preliminare au arătat că dimensiunile eșantionului nu au o influență semnificativă asupra rezultatului măsurătorii. Eșantioanele mici scurtează durata testului, motiv pentru care cei responsabili au ales exemplare în formă de cub cu o lungime a marginii de 8 mm. Zece cuburi de fibre vulcanizate sunt utilizate pentru fiecare nivel climatic. Cercetătorii monitorizează condiționarea probelor folosind cântare de precizie: dacă nu se pot măsura modificări ale greutății în 24 de ore, condiționarea este completă. Inginerii de la Universitatea TU Dortmund folosesc procesul Darr pentru a determina umiditatea materialului. Aceasta este o metodă directă de măsurare care determină conținutul de umiditate rămas al unei probe uscate sub influența căldurii prin pierderea în greutate [3]: * a se vedea formula
Conform DIN 7738, oamenii de știință ar trebui să selecteze o temperatură de uscare de 105 ° C pentru studiu și să stabilească o perioadă de măsurare de 24 de ore. Cu toate acestea, aceste informații se referă la probe cu o grosime a materialului de 2 mm. Investigațiile preliminare au arătat că o temperatură de 160 ° C pe o perioadă de 30 de ore nu duce la daune materiale semnificative și, prin urmare, nu este critică. Cu toate acestea, cei implicați limitează temperatura de uscare la 120 ° C pentru a exclude daunele materiale neintenționate și falsificarea asociată a rezultatelor măsurătorilor. Setați perioada de uscare la 14 zile pe baza mărimii eșantionului. O expunere atât de lungă la căldură este necesară pentru a usca materialul aproape complet. Cercetătorii folosesc un dulap de uscare de la Heraeus Instruments în acest scop. După uscare, calculați și mediați conținutul de umiditate al probelor. Abaterea standard a valorilor individuale măsurate ale unui nivel climatic este în medie de 0,09 la sută și, prin urmare, este suficient de mică.
Frigul este umed
Odată cu creșterea umidității aerului, umiditatea materialului crește exponențial. Temperaturile scăzute favorizează, de asemenea, absorbția umezelii. În acest sens, fibra vulcanizată se comportă ca un material lemnos. Oamenii de știință au creat o curbă de compensare care descrie aceste rezultate cu o precizie suficientă pentru o temperatură de 20 ° C în intervalul valorilor umidității scăzute până la medii (aproximativ 40 la sută rH la 70 la sută rH). La valori ridicate ale umidității (aproximativ 70-90 la sută rH) curba deviază ușor de la cursul real. Pentru a confirma rezultatele, cercetătorii recomandă o determinare ulterioară a conținutului de umiditate pentru o umiditate a aerului de 80% rH.
Pe baza curbei de compensare, cei implicați în proiect au creat o curbă de tendință pentru temperaturi de 10 ° C și 50 ° C. Ambele curbe servesc utilizatorului ca ajutor în estimarea conținutului de umiditate.
Dimensiuni instabile
La examinarea stabilității dimensionale, trebuie remarcat faptul că proprietățile materialului diferă de la direcție la direcție ca urmare a procesului de fabricație. Prin urmare, cercetătorii înregistrează modificări dimensionale în direcția lungimii, lățimii și grosimii, definind direcția longitudinală ca direcția de fabricație sau orientarea fibrelor. Setul de testare cuprinde cinci probe, care sunt prevăzute cu marcaje de măsurare. După condiționarea în camera climatică, oamenii de știință înregistrează cinci valori măsurate pe direcție de măsurare și probă. Pentru măsurare se utilizează un etrier digital conform DIN 862 sau un micrometru conform DIN 863/1. Ei calculează o valoare medie din cele 25 de valori măsurate ale unei direcții de orientare.
Abaterea standard este între 0,07 la sută și 0,8 la sută. Probele trec printr-un total de cinci niveluri climatice. Modificările procentuale în dimensiuni determinate ca urmare a modificării condițiilor ambientale se referă la un climat inițial de 20 ° C și 65% HR. Grosimea se schimbă cel mai mult, lungimea (direcția bobului) cel mai puțin. Toate modificările dimensionale luate în considerare includ dilatarea liniară termică și legată de umiditate. Aceste fluctuații dimensionale depind în primul rând de diferența de umiditate dintre nivelurile climatice. În practică, umiditatea materialului joacă un rol important.
Pentru a determina expansiunea liniară legată de umiditate, cercetătorii analizează modificările dimensionale la temperatură constantă. Cantitatea de umiditate absorbită este cunoscută din investigațiile anterioare. La 10 ° C creșterea umidității este de 8,49%. La 50 ° C este de 5,99%. Presupunând un coeficient de expansiune liniar, se calculează abaterea dimensională legată de umiditate. S-a demonstrat că o modificare a conținutului de umiditate de un procent, de exemplu în direcția longitudinală, determină o schimbare dimensională de 0,17 procente. Diferența de temperatură, pe de altă parte, nu afectează în mod semnificativ expansiunea liniară. Astfel, expansiunea termică poate fi neglijată. Schimbările dimensionale datorate absorbției de umiditate apar cu fibrele vulcanizate într-un raport de aproximativ 1: 2: 6 (lungime: lățime: grosime).
Cu rezultatele, este posibil să se estimeze conținutul de umiditate al fibrelor vulcanizate pentru diferite condiții de mediu, cu o precizie suficientă. Pe baza conținutului de umiditate, fluctuațiile dimensionale pot fi, de asemenea, determinate cu ajutorul coeficientului de expansiune al lungimii determinat. Extinderea liniară joacă un rol mai ales dacă condițiile de fabricație se abat de la condițiile de funcționare sau dacă sunt de așteptat fluctuații puternice în condițiile ambientale. Conținutul de umiditate al fibrei vulcanizate depinde de mulți factori și se poate abate de la rezultatele măsurătorilor prezentate pentru alte produse din fibre vulcanizate. Cei mai importanți factori de influență includ compoziția hârtiei de bază și gestionarea procesului de producție a fibrelor vulcanizate. Pentru aplicații foarte precise, oamenii de știință recomandă efectuarea de teste independente pentru produsul selectat din fibră vulcanizată.