Натуральные джутовые волокна | Энциклопедия МДПИ

Надлежащая пена для утепления автомобиля — лучшая защита от обжигания предплечья о центральную консоль (глядя на вас, реставрации Corvette) и от перегревания ног при ускорении. Существует много слухов о том, какие материалы использовать, каковы их R-значения и что это на самом деле означает для вас и ваших пассажиров — мы здесь, чтобы внести ясность.

Читайте дальше, чтобы узнать все, что вам нужно знать о теплоизоляции автомобиля, в том числе о хороших изоляторах (пенопласт с закрытыми порами), плохих изоляторах (пузырьковая пленка с фольгой) и о том, какие следующие шаги необходимо предпринять для более комфортной езды.

Надлежащая шумоизоляция в вашем автомобиле — лучшая защита от обжигания предплечья о центральную консоль (глядя на вас, реставрация Корвета) и от перегревания ног при ускорении. Существует много слухов о том, какие материалы использовать, каковы их R-значения и что это на самом деле означает для вас и ваших пассажиров — мы здесь, чтобы внести ясность.

Читайте дальше, чтобы узнать все, что вам нужно знать об автомобильной теплоизоляции, в том числе о хороших изоляторах (пенопласт с закрытыми порами), плохих изоляторах (пузырьковая пленка с фольгой) и о том, какие следующие шаги необходимо предпринять для более комфортной езды.

Популярные материалы с высоким значением R

Что такое изоляция?

Проще говоря, изоляция — это материал, предназначенный для замедления потока тепла. Важно знать, что изоляция действительно эффективна только тогда, когда она воздействует на тот тип тепла, для которого предназначена. Не все изоляторы одинаковы, и не каждый продукт эффективен против любого типа тепла. Да, я объясню, что это значит.

Существует три способа передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

• кондукция когда тепло перемещается между твердыми материалами, например, когда вы ставите кастрюлю на горячую плиту.
• Конвекция представляет собой естественный восходящий поток тепла через жидкости или газы. Помните, как вы узнали о подъеме тепла? Горячий воздух менее плотный, чем холодный, поэтому сила тяжести действует на него меньше. Горячий воздух поднимается вверх, а холодный опускается. Это движение и есть конвекция.
• Излучаемое тепло электромагнитные инфракрасные волны, распространяющиеся по воздуху. Когда объект находится на прямом пути, он нагревается, а затем излучает тепло другим объектам, например, когда ваши автомобильные сиденья нагреваются от солнца.

Разница между теплоизоляцией и теплозащитными экранами

Если вы испытали неприятную жару в своем восстановленном хот-роде, роскошном спортивном автомобиле или полуприцепе со спальной кабиной, вы, вероятно, ищете новую изоляцию. Как вы можете быть уверены, что вам нужно?

Теплоизоляция: Высококачественные изоляторы, такие как пенопласт с закрытыми порами, замедляют процесс теплопередачи, который многие водители испытывают в своих автомобилях. Пена с закрытыми ячейками и пена с открытыми порами борются с передачей тепла за счет теплопроводности и конвекции, что обычно является большим побочным продуктом двигателей вторичного рынка или пакетов повышения производительности. Если ваш автомобиль сильно нагревается, вам нужны вспененные материалы, чтобы противостоять этой передаче тепла.

зной Щиты: Несмотря на эффективность против излучаемого тепла, большинство теплозащитных экранов из алюминиевой фольги не являются хорошими изоляторами. Теплозащитные экраны должны быть установлены лицом к источнику тепла, чтобы они могли отражать лучистое тепло от металла автомобиля (капот, брандмауэр, днище). Не стоит устанавливать автомобильный теплозащитный экран на металл салона и рассчитывать на то, что он вообще поможет. Тем не менее, в сочетании с пенопластовым изолятором с закрытыми порами в определенных областях вашего автомобиля (пол, двери, крыша) эти два продукта вместе обеспечивают разную температуру, когда речь идет о контроле температуры.

Выводы

Вывод здесь заключается в том, что изоляция вашего автомобиля — ваш лучший инструмент для защиты от нежелательной жары или холода. Как и в случае со звукоизоляцией автомобиля, теплоизоляция пенопластом с закрытыми или открытыми порами работает лучше всего, когда она является частью общего решения проблемы, поэтому имейте в виду, что вам также может понадобиться лучистый тепловой барьер. У нас есть полный набор опций, которые подробно описаны в конце этой статьи. Прокрутите, если хотите, или задержитесь, чтобы узнать о R-значениях.

3 вида джутовых утеплителей и 1 оптимальный

Растущая тенденция использования синтетических продуктов может привести к повышенному уровню загрязнения окружающей среды и живых организмов. Таким образом, с точки зрения устойчивости, природные, возобновляемые и биоразлагаемые материалы срочно необходимы для замены экологически вредных синтетических материалов. Джут, одно из натуральных волокон, играет жизненно важную роль в разработке композитных материалов, которые показали потенциал в различных областях применения, таких как бытовая, автомобильная и медицинская техника.

1. Введение

Из-за низкого углеродного следа продукты на основе натуральных волокон привлекают значительное внимание академических и промышленных исследователей для разработки устойчивых продуктов. Среди обычно используемых натуральных волокон в последнее время возобновился исследовательский интерес к опубликованным научным работам по выращиванию джута (таким как идентификация и борьба с болезнями и вредителями, разработка сортов растений, наблюдение за вариациями семян и энтомологии растений в различных условиях, геном последовательность обработки почвы и удобрений и процесс вымачивания), а также многомерное применение джутового волокна при разработке продукции, включая армированный волокном полимерный композит, микрокристаллическую целлюлозу (МКЦ), наноцеллюлозу, активированный уголь, производство джутовой целлюлозы, 3D-печать с использованием джутовое волокно, как показано на Рисунок 1. Растущий интерес к джутовым волокнам можно объяснить всеми тремя аспектами устойчивости, то есть экологическим, экономическим и социальным.

Джутовые растения растут на травянистой почве, для лучшего роста которой требуется 125–150 мм осадков в месяц, умеренные температуры (20–40 ° C) и высокая относительная влажность (70–80%). Джут представляет собой лубяное волокно и выращивается на плантациях, где его собирают после того, как растение созреет. Затем растения обычно вымачивают в медленно проточной воде, чтобы волокна можно было легче извлечь. При необходимости можно использовать другие процессы для извлечения волокон без вымачивания. Затем джутовые волокна сушат и продают для дальнейшей обработки [1, 2] [1] [2]. Пряжа часто производится из джутовых волокон, а джутовые ткани производятся из джутовой пряжи. Некоторые факты и цифры о джутовом волокне показаны на Рисунок 2. В некоторых случаях джут обрабатывается [ 3 , 4 ] [ 3 ] [ 4 ] различными средами для улучшения его функциональных свойств. Кроме того, джут является устойчивым сырьем для производства обычных текстильных изделий (мешковины, ковровой основы (CBC), мешковины, сумок для покупок, геотекстиля и детских горшков), химических продуктов (а именно, карбоксиметилцеллюлозы (CMC), микрокристаллической целлюлозы (MCC). ) и целлюлоза) и композитные изделия конструкционного назначения (балки, плиты, стержни). С точки зрения устойчивости и механических свойств джутовое волокно лучше, чем многие натуральные или синтетические волокна [5]. Наибольшее внимание привлекла разработка конструкционных материалов в виде термореактивных материалов, а также армированных волокном композитов на основе термопластов. Включение джутовых волокон в синтетическую полимерную матрицу может повысить ее прочность, но в то же время способствовать экологической устойчивости за счет сокращения использования синтетических полимерных материалов.

Рисунок 2. Факты и цифры о джуте. (Информация взята из [6, 7, 8, 9] [6] [7] [8] [9]).

Несмотря на то, что была проведена значительная исследовательская работа по джутовым волокнам и опубликованы соответствующие обзорные статьи [ 6 , 8 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 [ 6 ] [ 8 ] [ 10 ] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22], 19, 20, 21, 22], они были посвящены джут как устойчивое сырье для разработки в основном композитных материалов, не вдаваясь в подробности о последних достижениях в других исследованиях на основе джута, таких как наночастицы из джута, разработка джутового волокна с помощью наночастиц или современная 3D-печать композитов на основе джута.

2. Характеристика джутового волокна

Как и любое другое натуральное волокно, характеристики джутового волокна варьируются из-за естественной изменчивости характеристик поверхности и внутренней микроструктуры, на которые может влиять ряд факторов, включая условия выращивания (например, температура, влажность, состояние почвы), вымачивание ( вода, роса или ферментативные) и процессы экстракции волокна, длина и диаметр волокна, химические составляющие и их пропорциональные количества [ 6 , 12 , 23 ] [ 6 ] [ 12 ] [ 23 ] . Микроструктурные характеристики также влияют на физические, механические и тепловые характеристики волокна. Этот раздел начинается с некоторой общей морфологии джутового волокна, за которой следуют примеры его характеристик в виде волокна, пряжи и ткани, тканой или нетканой. Наконец, обсуждаются примеры функциональной обработки джутового волокна с целью улучшения его характеристик для конкретного применения.

2.1. Морфология и микроструктура джутового волокна

Морфология волокна характеризуется с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) после нанесения золотого покрытия на небольшой участок волокна. Соответствующие SEM изломы и поверхности волокон показаны на Рисунок 3. Геометрия поперечного сечения характеризуется неправильной формой. Кроме того, размер поперечного сечения меняется по длине волокна [24]. Морфология поверхности, как правило, более шероховатая с признаками случайных микропор. Было обнаружено, что морфология поверхности различных частей джутового волокна неодинакова из-за их различий в диаметре и степени зрелости (незрелые, полностью созревшие и перезрелые) [9]. Меньшее количество микропор в морфологии поверхности обычно указывает на незрелое волокно. Дальнейшие подробности о морфологии джута можно найти в литературе [25, 26, 27] [25] [26] [27].

Рисунок 4 представляет спектры рентгеновской дифракции (XRD) и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) необработанного джутового волокна. Отличительный большой пик XRD указывает на кристаллографическую плоскость целлюлозы (002) со степенью кристалличности 92.02% [28]. FTIR-спектры подтвердили наличие функциональных групп на поверхности джутового волокна. Несколько широких пиков в спектре указывали на присутствие гидрата и гидроксила (ОН), которые представляли собой элементы целлюлозы и гемицеллюлозы в джутовом волокне [4].

Рисунок 4. Микроструктурные характеристики джута: (a) Рентгеновская дифракция и (b) FTIR спектры [ 28 ] .

2.2. Джутовое волокно/пряжа/ткань производительность

Испытание на растяжение проводится для оценки характеристик джутового волокна/пряжи/ткани. Некоторые результаты испытаний, имеющиеся в литературе, показаны на рис. Таблица 1.

Acinetobacter sp., Bacillus cereus и Pseudomonas sp. свидетельствует об эффективности противогнилостных обработок. С другой стороны, огнезащитная и водозащитная обработка замедляла скорость горения от огня и уменьшала краевые углы при контакте с водой по сравнению с необработанными джутовыми волокнами. Термическую характеристику джутовых волокон RT, FT и WT проводили с использованием термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциального сканирующего калориметрического анализа (ДСК) [44]. У обработанных волокон наблюдалось более низкое поглощение тепла по сравнению с необработанным джутовым волокном. Ранжирование обработанных волокон с точки зрения поглощения тепла (от самого низкого к самому высокому) было следующим: Джут-сырец < RT < WT < FT. Это указывало на то, что все обработанные волокна показали лучшие тепловые характеристики, чем необработанное джутовое волокно, но волокно, обработанное ФТ, показало лучшие тепловые характеристики.

Натуральное волокно имеет высокую чувствительность к воде, но более низкое сродство к материалам полимерной матрицы, и этот недостаток можно свести к минимуму с помощью химической обработки и включения обработанного волокна в полимерный композит. Методы химической модификации, такие как щелочь или связующие агенты, такие как силан, чаще всего применяются для повышения прочности межфазной связи в композитах за счет снижения гидрофильной природы джутового волокна, чтобы сделать его совместимым с гидрофобной полимерной матрицей, способствуя химическому связыванию и увеличивая шероховатость поверхности волокна. способствуют механической блокировке. Эти изменения делают полученный композит с улучшенными механическими свойствами [45]. Однако другие физические методы, такие как плазма или гамма-излучение, эффективны для улучшения механических свойств. Кроме того, обработка джутового волокна может помочь в размещении большего объема волокна в композитах, чтобы сделать их более легкими и устойчивыми. Обработка джутового волокна сама по себе является огромной темой для обзора, которая выходит за рамки данной статьи. Тем не менее, дополнительные сведения о различных типах обработки поверхности джутового волокна обобщены в недавних публикациях [7, 25] [7] [25] и других обзорах по обработке растительных волокон [46, 47, 48] [46] [47] [48]. ]. При включении в матрицу обработанных и необработанных джутовых волокон характеристики композита могут измениться.

Помимо изменения химической структуры джутового волокна до благоприятного состояния путем обработки поверхности, могут быть затронуты физические и механические свойства. Сообщалось, что щелочная обработка джутового волокна может уменьшить его диаметр на 8%, тогда как прочность на растяжение может быть увеличена на 44% [49].

3. Композиты на основе джута: обработка и производительность

Натуральные волокна включают в полимерные материалы для формирования композитов с улучшенными и индивидуальными свойствами. Множество параметров, связанных с типом используемого волокна, предварительной обработкой волокна, технологиями производства композита и внутренним состоянием композита, могут влиять на характеристики композита, как показано на рис. Рисунок 9. В этом разделе представлен краткий обзор форм волокон, используемых в различных матричных материалах. Оценки эффективности как термореактивных, так и термопластичных композитов были рассмотрены на примерах различных форм волокон. Наконец, кратко обсуждается прогресс в разработке гибридного джутового композита.

3.1. Матрицы для композита, армированного джутовым волокном

Механические характеристики композитных материалов зависят от материалов полимерной матрицы, таких как термопласты и термореактивные или биопластмассы. Свойства некоторых часто используемых матричных материалов представлены в Таблица 3.

Когда джутовое волокно включено в матричный материал, результирующая прочность композита будет выше, чем у матричного материала, но ниже, чем у джутового волокна, как показано на рис. Рисунок 13 [ 41 , 43 ] [ 41 ] [ 43 ] . Более того, в случае термопластичного композита в матрице нет сшивания, тогда как присутствует только сила стены Вандера. Однако сшивание доступно в самом термореактивном полимерном материале. Следовательно, существует низкая вероятность наличия сшивки между волокном и матрицей для термореактивных композитов и более высокая вероятность в случае термопластичных композитов.

Рисунок 13. (a) Влияние волокна в матричных материалах (b) сшивание между волокном и двумя типами матричных материалов. Контроль: чистый полипропилен; J-PP: джут-полипропиленовый композит [54].

3.3. Переработка композита из джутового волокна

Для изготовления армированного джутом композита используется ряд методов, включая методы формования, такие как компрессионное формование, литье под давлением, формование с переносом смолы, экструзия, пултрузия, ручная укладка и укладка распылением. Методы обработки в основном выбираются в зависимости от типа полимера, трудозатрат, состояния пресс-формы (открытая или закрытая), формы волокна (короткое, длинное, частица), наличия нескольких волокон, качества конечного продукта, скорости и стоимости. переработки, капитальных вложений и так далее [ 13 , 50 , 54 , 55 ] [ 13 ] [ 50 ] [ 54 ] [ 55 ] . Популярными методами изготовления термопластов и термореактивных пластиковых композитов являются горячее прессование и ручная укладка соответственно, как показано на рис. Рисунок 14. Детали методов обработки джутового композита уже рассматривались в недавней статье [18]. Поскольку основное внимание в этой статье уделяется новым областям исследования джута, заинтересованные читатели могут обратиться к ней за дальнейшими подробностями.

3.4. Джутовый термореактивный композит

Термореактивный полимер обладает высокими свойствами при растяжении, особенно прочностью при растяжении и модулем упругости при низкой пластичности. Благодаря включению натурального волокна прочность, а также пластичность могут быть дополнительно улучшены. Между тем термореактивные материалы дешевы, легкодоступны и после отверждения становятся более твердыми при комнатной температуре. Кроме того, термореактивные пластики являются аморфными, тогда как после включения волокна композит имеет как аморфную, так и полукристаллическую фазы [3], что приводит к более высокой прочности и деформации до разрушения. Как правило, нетканые и тканые джутовые волокна включаются в наиболее часто используемую эпоксидную матрицу. Хотя в литературе существует множество примеров [18, 18, 56, 56], обсуждаются примеры характеристик джутового термореактивного композита, включая предыдущую работу авторов.

3.4.1. Композит из джутового волокна и термореактивного материала

Однонаправленные волокна могут быть включены в термореактивные матричные материалы. Для таких видов композитного изготовления наиболее простым и легким способом является ручная укладка. Бисвас и др. [ 57 ] работал над созданием однонаправленного джутового эпоксидного композита, механические характеристики которого перечислены в Таблица 4. Композиты показали более высокую прочность на растяжение и прочность на изгиб по сравнению с эпоксидной матрицей. Более того, распределение волокон в композитах не было равномерным, как показано на рис. Рисунок 15.