A cellulózból készült könnyű konstrukció jövője
A folyamatosan növekvő társadalmi környezettudatosság és az erőforrás-hatékony gyártási folyamatok és termékek egyre hangosabb felhívása idején a petrolkémiai műanyagok hátrányai kerülnek előtérbe. Ez magában foglalja a fosszilis nyersanyagok végességét, valamint az újrahasznosítás és ártalmatlanítás nehézségeit. Az alternatív anyagfogalmak keresése a 21. század egyik legfontosabb feladata. A vulkanizált szálak megoldásnak tekinthetők erre a problémára. Ezért kutatja a dortmundi műszaki egyetem kutatócsoportja ezt a cellulóz alapú anyagot. A figyelem középpontjában a különböző környezeti körülmények közötti viselkedés áll.
A vulkanizált rost a 19. század közepén kifejlesztett réteges anyag, amelyet pergamen segítségével speciális papírrétegek formájában cellulózszálakból állítanak elő. Az ilyen speciális papírok cellulózból és pamutból állnak. A vulkanizált szálak előállításához ezeket a papírrétegeket pergamen folyadékkal impregnáljuk. A folyadék katalizátorként működik, és a cellulóz duzzadását okozza. Hidrát cellulóz képződik. Ugyanakkor kis molekulatömegű komponensek szabadulnak fel, amelyek cementanyagként működnek a szálak között. A cellulóz cukrosodásának elkerülése érdekében a gyártó a pergamen folyadék expozíciós idejét a lehető legnagyobb mértékben korlátozza. Az anyag vulkanizált szál az impregnált papírrétegek egymásra rakásával jön létre. Ezután a pergamen folyadékot eltávolítjuk [1], [2].
Általában a vulkanizált rost kopásálló, kemény és ütésálló. Elektromosan szigetelő, antisztatikus és 1,45 g/cm3 sűrűségű, viszonylag könnyű. A hőre lágyuló műanyaghoz képest, mint cellulóztermék, a rost érzéketlen a hőre. A vulkanizált szál építőanyagként való alkalmazásában a higroszkóposság játszik nagy szerepet. Ez leírja az anyag tulajdonságát, hogy a környezeti feltételektől függően megköti vagy felszabadítja a nedvességet. A vulkanizált rost a nedvességre reagálva visszafordíthatóan felszívja vagy felszabadítja a vízgőzt [2], [3]. A tárolt víz lágyítószerként működik. Ezért az anyag a nedvességtartalom növekedésével rugalmasabbá válik, míg az szilárdság csökken. Egy másik fontos szempont a méretpontosság. Az anyag nedvességének ingadozása megváltoztatja azokat a méreteket, amelyeket a processzoroknak be kell számolniuk a vulkanizált szálas alkatrészek tervezése és gyártása során. Eddig azonban nincsenek alapvető irányelvek.
A TU Dortmundi Egyetem Gépelemek Tanszékén folyó kutatások egyik fókusza tehát a vulkanizált szál nedvességtartalmának és méretváltozásának jellemzése változó környezeti feltételek mellett. A kutatók a vulkanizált szálgyártó Ernst Krüger (Geldern) anyagának vizsgálatait végzik. Ez egy vulkanizált szálas termék, amelynek anyagvastagsága 8 mm, amelyet a szakaszos eljárás állít elő. A vizsgálat nem vette figyelembe a higroszkópos hiszterézis hatását.
Hét éghajlati szintet kell átélnie
Az anyag nedvességtartalmának vizsgálatához a kutatók a Binder KMF 115 klímakamrája által szimulált hét éghajlati szintet vizsgálják. Az előzetes tesztek azt mutatták, hogy a minta méretei nincsenek jelentős hatással a mérési eredményre. A kis példányok lerövidítik a vizsgálat időtartamát, ezért a felelősök kocka alakú, 8 mm élhosszúságú mintákat választottak. Tíz vulkanizált szálkockát használnak minden éghajlati szinthez. A kutatók precíziós mérlegek segítségével figyelik a minták kondicionálását: Ha 24 órán belül nem mérhető súlyváltozás, akkor a kondicionálás befejeződött. A TU Dortmund Egyetem mérnökei a Darr eljárást használják az anyag nedvességének meghatározására. Ez egy közvetlen mérési módszer, amely meghatározza a hő hatására szárított minta maradék nedvességtartalmát a tömegveszteség révén [3]: * lásd az ábrát
A DIN 7738 szerint a tudósoknak valójában 105 ° C szárítási hőmérsékletet kell választaniuk a vizsgálathoz, és 24 órás mérési periódust kell beállítaniuk. Ez az információ azonban 2 mm anyagvastagságú vizsgálati mintákra vonatkozik. Az előzetes vizsgálatok azt mutatták, hogy a 160 ° C hőmérséklet 30 óra alatt nem vezet észrevehető anyagi kárhoz, ezért nem kritikus. Ennek ellenére az érintettek a szárítási hőmérsékletet 120 ° C-ra korlátozzák annak érdekében, hogy kizárják a nem szándékos anyagi károkat és a mérési eredmények ezzel kapcsolatos hamisítását. A szárítási időtartamot 14 napra állítja a minta mérete alapján. Ilyen hosszú hőhatás szükséges ahhoz, hogy az anyag szinte teljesen megszáradjon. A kutatók erre a célra a Heraeus Instruments szárítószekrényét használják. Szárítás után kiszámítja és átlagolja a minták nedvességtartalmát. Az éghajlati szint egyes mért értékeinek szórása átlagosan 0,09 százalék, ezért kellően kicsi.
A hideg nedvességnek felel meg
A növekvő légnedvesség mellett az anyag nedvessége exponenciálisan emelkedik. Az alacsony hőmérséklet a nedvesség felszívódását is elősegíti. Ebben a tekintetben a vulkanizált szál faanyagként viselkedik. A tudósok létrehoztak egy kompenzációs görbét, amely ezeket az eredményeket megfelelő pontossággal ábrázolja 20 ° C hőmérsékleten az alacsony és közepes páratartalom-tartományban (kb. 40% és 70% relatív páratartalom között). Magas páratartalom mellett (kb. 70–90% relatív páratartalom) a görbe kissé eltér a valós iránytól. Az eredmények megerősítéséhez a kutatók a nedvességtartalom későbbi meghatározását javasolják 80% relatív páratartalom mellett.
A kompenzációs görbe alapján a projektben részt vevők trendgörbét készítettek a 10 ° C és 50 ° C hőmérsékletre. Mindkét görbe a felhasználót segíti a nedvességtartalom becslésében.
Instabil méretek
A méretstabilitás vizsgálatakor meg kell jegyezni, hogy az anyag tulajdonságai irányonként eltérnek a gyártási folyamat eredményeként. A kutatók ezért rögzítik a méret, a szélesség és a vastagság irányában bekövetkező változásokat, meghatározva a hosszirányt a gyártás irányának vagy a szál orientációjának. A vizsgálati összeállítás öt mintából áll, amelyek mérési jelölésekkel vannak ellátva. Az éghajlati kamrában történő kondicionálás után a tudósok öt mért értéket rögzítenek mérési irányonként és mintánként. A méréshez a DIN 862 szerinti digitális féknyerget vagy a DIN 863/1 szerinti mikrométert kell használni. Átlagos értéket számolnak a tájolás irányának 25 mért értékéből.
A szórás 0,07 és 0,8 százalék között van. A minták összesen öt éghajlati szinten haladnak át. A környezeti viszonyok változásának eredményeként meghatározott százalékos változások a kezdeti 20 ° C-os és 65% relatív páratartalomra vonatkoznak. A vastagság változik leginkább, a hossza (szemcseirány) a legkevésbé. Minden figyelembe vett dimenzióváltozás magában foglalja a hővel és a nedvességgel kapcsolatos lineáris tágulást. Ezek a dimenzióingadozások elsősorban az éghajlati szintek közötti páratartalom különbségtől függenek. A gyakorlatban az anyag nedvessége fontos szerepet játszik.
A nedvességgel kapcsolatos lineáris tágulás meghatározása érdekében a kutatók állandó hőmérsékleten elemzik a méretváltozásokat. Az elnyelt nedvesség mennyisége a korábbi vizsgálatokból ismert. 10 ° C-on a nedvesség növekedése 8,49 százalék. 50 ° C-on 5,99%. Lineáris tágulási együtthatót feltételezve kiszámítják a nedvességgel kapcsolatos méreteltérést. Kimutatták, hogy a nedvességtartalom egy százalékos változása, például hosszirányban, 0,17 százalékos méretváltozást okoz. A hőmérséklet-különbség viszont nem befolyásolja jelentősen a lineáris tágulást. Így a hőtágulás elhanyagolható. A nedvesség abszorpciója miatt bekövetkező méretváltozások kb. 1: 2: 6 (hosszúság: szélesség: vastagság) arányban fordulnak elő vulkanizált szálaknál.
Az eredményekkel meg lehet becsülni a vulkanizált szál nedvességtartalmát kellő pontossággal a különböző környezeti feltételek mellett. A nedvességtartalom alapján a méretingadozások a meghatározott hossztágulási együttható segítségével is meghatározhatók. A lineáris tágulás elsősorban akkor játszik szerepet, ha a gyártási feltételek eltérnek az üzemi körülményektől, vagy ha a környezeti körülmények között erős ingadozások várhatók. A vulkanizált szál nedvességtartalma sok tényezőtől függ, és eltérhet a többi vulkanizált szálas termék mérési eredményeitől. A legfontosabb befolyásoló tényezők közé tartozik az alappapír összetétele és a vulkanizált szálak gyártásának folyamatirányítása. Nagyon pontos alkalmazásokhoz a tudósok azt javasolják, hogy végezzenek független vizsgálatokat a kiválasztott vulkanizált szálas termékkel kapcsolatban.