Целлюлозное нановолокно: Целлюлозное нановолокно и новые экономические перспективы

Автомобиль NCV из нановолокон целлюлозы, материала нового поколения

Авто­мо­биль­ная про­мыш­лен­ность дви­жет­ся в направ­ле­нии созда­ния более эко­ло­гич­ных авто­мо­би­лей, и огром­ное коли­че­ство элек­тро­мо­би­лей явля­ет­ся дока­за­тель­ством этого.

Про­из­во­ди­те­ли авто­мо­би­лей все­гда ищут более лёг­кие мате­ри­а­лы, так как лег­кий авто­мо­биль озна­ча­ет мень­ший рас­ход топ­ли­ва и элек­тро­энер­гии, в слу­чае элек­тро­мо­би­лей. Авто­мо­биль­ные бата­реи сто­ят доро­го, поэто­му сни­же­ние веса кузо­ва озна­ча­ет, что для пита­ния авто­мо­би­ля потре­бу­ет­ся мень­ше бата­рей, что уде­шев­ля­ет про­из­вод­ство. Япо­ния дви­га­ет­ся к тому, что­бы сде­лать авто­мо­биль лег­че, авто­мо­би­ле­стро­е­ние более эко­ло­гич­ным. В этой ста­тье мы рас­смот­рим мате­ри­ал ново­го поко­ле­ния, сде­лан­ный из нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы и авто­мо­биль, кото­рый был пред­став­лен япон­ца­ми, сде­лан­ный с исполь­зо­ва­ни­ем это­го материала.

Материал нового поколения на основе нановолокна целлюлозы

Один из самых мно­го­чис­лен­ных мате­ри­а­лов на нашей пла­не­те — цел­лю­ло­за. Цел­лю­ло­за извест­на как основ­ной ингре­ди­ент рас­ти­тель­ных воло­кон. CNF (cellulose nanofiber) — это при­род­ное нано­во­лок­но, кото­рое может быть выде­ле­но путём дефи­бра­ции цел­лю­ло­зы из рас­ти­тель­ной био­мас­сы. Нано­во­лок­но цел­лю­ло­зы в изоби­лии встре­ча­ет­ся в дере­вьях, но его мож­но най­ти и в раз­лич­ных рас­те­ни­ях, вклю­чая бам­бук и рис.

CNF пред­став­ля­ет собой пучок нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы. Он может обла­дать раз­лич­ны­ми меха­ни­че­ски­ми свой­ства­ми в зави­си­мо­сти от источ­ни­ка их добычи.

Новый мате­ри­ал полу­ча­ет­ся из рас­ти­тель­ной мас­сы, кото­рая сна­ча­ла раз­мель­ча­ет­ся, а затем очи­ща­ет­ся гомо­ге­ни­за­то­ром для уда­ле­ния нецел­лю­лоз­ных ком­по­нен­тов, таких как лиг­нин. Остав­ши­е­ся цел­лю­лоз­ные волок­на окон­ча­тель­но отде­ля­ют­ся и пере­ра­ба­ты­ва­ют­ся. В ито­ге полу­ча­ет­ся лёг­кий, неве­ро­ят­но проч­ный мате­ри­ал, обла­да­ю­щий гиб­ко­стью и пла­стич­но­стью, при­год­ный для вто­рич­ной переработки.

Нано­во­лок­на могут исполь­зо­вать­ся в раз­лич­ных изде­ли­ях, начи­ная от чер­нил и закан­чи­вая про­зрач­ны­ми дис­пле­я­ми. При­ме­ня­е­мые в самых раз­ных отрас­лях про­мыш­лен­но­сти, ком­по­нен­ты CNF мож­но най­ти в филь­тру­ю­щих мате­ри­а­лах, элек­трон­ных устрой­ствах, про­дук­тах пита­ния, меди­цине, кос­ме­ти­ке, здра­во­охра­не­нии и мно­гом другом.

Использование нано-волокон целлюлозы в автомобилестроении, идея создания автомобиля NCV

Совре­мен­ные авто­мо­би­ли остав­ля­ют после себя зна­чи­тель­ные “угле­род­ные сле­ды”, начи­ная со ста­дии про­из­вод­ства и закан­чи­вая повсе­днев­ным исполь­зо­ва­ни­ем. Обес­по­ко­ен­ное выбро­са­ми и загряз­не­ни­ем окру­жа­ю­щей сре­ды, вызван­ны­ми нынеш­ни­ми авто­мо­би­ля­ми и их соот­вет­ству­ю­щи­ми про­из­вод­ствен­ны­ми про­цес­са­ми, Мини­стер­ство охра­ны окру­жа­ю­щей сре­ды Япо­нии хоте­ло вне­сти свой вклад. Кон­сор­ци­ум, создан­ный этим Мини­стер­ством в 2016 году, в кото­рый вхо­дят иссле­до­ва­те­ли Киот­ско­го уни­вер­си­те­та (Kyoto University), а так­же дру­гих науч­но-иссле­до­ва­тель­ских инсти­ту­тов и ком­па­ний, рабо­та­ет над тем, как исполь­зо­вать один из основ­ных ресур­сов стра­ны – дре­ве­си­ну, в каче­стве мате­ри­а­ла, исполь­зу­е­мо­го при созда­нии частей кузо­ва и сало­на авто­мо­би­ля. Этот мате­ри­ал лег­ко досту­пен и обла­да­ет пре­иму­ще­ством, заклю­ча­ю­щим­ся в эко­ло­гич­но­сти его производстватом.

В то вре­мя как нано­во­лок­на CNF уже исполь­зу­ют­ся в неко­то­рых про­дук­тах, его при­ме­не­ние в про­из­вод­стве авто­мо­би­лей ста­ло воз­мож­ным толь­ко бла­го­да­ря так назы­ва­е­мо­му “Киот­ско­му про­цес­су”, назван­но­му по име­ни уни­вер­си­те­та, учё­ные кото­ро­го при­ни­ма­ли уча­стие в раз­ра­бот­ке мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния. В рам­ках это­го про­цес­са, полу­чен­ные из дере­ва нано­во­лок­на сме­ши­ва­ют­ся с раз­лич­ны­ми  тер­мо­пла­сти­ка­ми: поли­эти­ле­ном (PE), поли­про­пи­ле­ном (PP), поли­ви­нил­хло­ри­дом (PVC), поли­сти­ро­лом (PS), акри­ло­нит­рил­бу­та­ди­ен­сти­ро­лом (ABS), поли­кар­бо­на­том (PC). Этот про­цесс уве­ли­чи­ва­ет меха­ни­че­скую проч­ность материала.

В каче­стве демон­стра­ции тех­но­ло­гии появи­лась идея созда­ния авто­мо­би­ля, в кото­ром при­ме­ня­ют­ся мате­ри­а­лы из нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы.

Авто­мо­биль назва­ли NCV — Nano Cellulose Vehicle (нано-цел­лю­лоз­ное транс­порт­ное средство).

Цель созда­ния и демон­стра­ции авто­мо­би­ля NCV заклю­ча­ет­ся в том, что­бы цел­лю­лоз­ные нано­во­лок­на CNF ста­ли новым важ­ным про­из­вод­ствен­ным мате­ри­а­лом для авто­мо­би­лей, посколь­ку он ока­зы­ва­ет мень­шее воз­дей­ствие на окру­жа­ю­щую сре­ду, чем дру­гие мате­ри­а­лы, и в то же вре­мя обла­да­ет высо­ки­ми экс­плу­а­та­ци­он­ны­ми характеристиками.

По дан­ным япон­ских иссле­до­ва­те­лей и про­из­во­ди­те­лей авто ком­по­нен­тов, участ­ву­ю­щих в про­ек­те, CNF до пяти раз проч­нее ста­ли, при этом в пять раз её лег­че. Это боль­шое дости­же­ние, учи­ты­вая, что авто­про­из­во­ди­те­ли уже сей­час гонят­ся за тем, что­бы сде­лать свои авто­мо­би­ли лег­че без ущер­ба для прочности.

Самым боль­шим пре­пят­стви­ем для внед­ре­ния этих новых мате­ри­а­лов в авто­мо­би­ли явля­ет­ся сто­и­мость их про­из­вод­ства. Цена авто­мо­биль­но­го сталь­но­го листа, как пра­ви­ло, варьи­ру­ет­ся от дол­ла­ра до несколь­ких дол­ла­ров за кило­грамм, CNF пока сто­ит до 90 дол­ла­ров за кило­грамм.

Но более стро­гие эко­ло­ги­че­ские пра­ви­ла и стрем­ле­ние к сни­же­нию выбро­сов угле­кис­ло­го газа могут сде­лать про­из­вод­ство ново­го мате­ри­а­ла жиз­не­спо­соб­ным. К при­ме­ру, угле­во­лок­но сто­ит в 10–20 раз доро­же сталь­но­го листа, оно исполь­зу­ет­ся, пото­му что весит при­мер­но чет­верть от ста­ли и в 10 раз проч­нее. По срав­не­нию с угле­пла­сти­ком, обла­да­ю­щим ана­ло­гич­ны­ми харак­те­ри­сти­ка­ми, CNF име­ет пре­иму­ще­ство в том, что его мож­но пере­ра­ба­ты­вать, так как цел­лю­лоз­ные нано­во­лок­на настоль­ко малы, что они не раз­ру­ша­ют­ся меха­ни­че­ски в про­цес­се переработки.

CNF может исполь­зо­вать­ся при про­из­вод­стве неко­то­рых дета­лей кузо­ва и инте­рье­ра, сни­жая вес дета­лей до 50% и умень­шая общий вес авто­мо­би­ля более чем на 10%. Более лег­кий авто­мо­биль будет иметь более быст­рое уско­ре­ние и более высо­кие скорости.

Коман­да созда­те­лей авто­мо­би­ля NCV про­во­дит повтор­ные испы­та­ния дета­лей авто­мо­би­ля, кото­рые они изго­то­ви­ли, что­бы убе­дить­ся в их изно­со­стой­ко­сти, проч­но­сти и соот­вет­ствия спе­ци­фи­ка­ци­ям мате­ри­а­лов для авто­мо­биль­ных дета­лей. Пока резуль­та­ты полу­ча­ют­ся мно­го­обе­ща­ю­щи­ми. CNF срав­ним по проч­но­сти и лёг­ко­сти с углеволокном.

Несмот­ря на все пре­иму­ще­ства мате­ри­а­ла из CNF, авто­мо­биль­ные экс­пер­ты счи­та­ют, что более тра­ди­ци­он­ные облег­чён­ные мате­ри­а­лы, такие как алю­ми­ний и угле­пла­стик, оста­нут­ся наи­бо­лее попу­ляр­ны­ми аль­тер­на­ти­ва­ми ста­ли в тече­ние бли­жай­ше­го вре­ме­ни. Мате­ри­ал ново­го поко­ле­ния, сде­лан­ный из CNF, пока не явля­ет­ся ком­мер­че­ски жиз­не­спо­соб­ным. Тре­бу­ет­ся най­ти воз­мож­ность мак­си­маль­но сни­зить сто­и­мость его производства.

Автомобиль NCV

Авто­мо­биль NCV не про­то­тип и тем более не супер­кар. Это кон­цепт, создан­ный для демон­стра­ции тех­но­ло­гии изго­тов­ле­ния дета­лей авто­мо­би­ля из мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния на осно­ве нано-цел­лю­лоз­ных воло­кон CNF (cellulose nanofiber), полу­чен­ных из дре­вес­ной мас­сы. CNF исполь­зу­ет­ся в кузо­ве авто­мо­би­ля (кры­ша, капот, крыш­ка багаж­ни­ка, две­ри), но и в его сило­вой конструкции.

Про­ект NCV дебю­ти­ро­вал на Токий­ском авто­са­лоне (TMS) Future Expo в 2019 году. На выстав­ке одной из тен­ден­ций было ста­вить под сомне­ние тра­ди­ци­он­ный спо­соб про­из­вод­ства, предо­став­ляя воз­мож­но­сти, кото­рые могут пред­ло­жить новые тех­но­ло­гии. Лого­тип авто­мо­би­ля NCV при­над­ле­жит Мини­стер­ству окру­жа­ю­щей сре­ды Япо­нии. Про­ект финан­си­ро­вал­ся этим мини­стер­ством и осу­ществ­лял­ся в рам­ках сотруд­ни­че­ства меж­ду япон­ским пра­ви­тель­ством, иссле­до­ва­те­ля­ми, авто­про­из­во­ди­те­ля­ми и сери­ей из 22 ком­па­ний, кото­рые поста­ви­ли раз­лич­ные компоненты.

Тот факт, что NCV эко­ло­гич­ный, не явля­ет­ся самым впе­чат­ля­ю­щим дости­же­ни­ем авто­мо­би­ля. Он лег­че и проч­нее сталь­ных авто. Мате­ри­ал из нано-цел­лю­лоз­ных воло­кон на 1/5 лег­че ста­ли и в 5 раз проч­нее её. Это отлич­ная аль­тер­на­ти­ва сталь­ных дета­лей авто­мо­би­ля. Это озна­ча­ет, что для обес­пе­че­ния доста­точ­ной тяги NCV тре­бу­ет­ся мень­шая мощность.

Про­из­вод­ствен­ный про­цесс зна­чи­тель­но сокра­ща­ет выбро­сы угле­кис­ло­го газа, обыч­но свя­зан­ные с про­из­вод­ством авто­мо­би­лей. А когда авто­мо­биль уста­ре­ет или выво­дит­ся из экс­плу­а­та­ции, все пане­ли кузо­ва из нано­ма­те­ри­а­ла могут быть пере­ра­бо­та­ны для даль­ней­ше­го использования.

Конеч­но, маши­на не пол­но­стью сде­ла­на из мате­ри­а­ла ново­го поко­ле­ния, в авто­мо­би­ле так­же исполь­зу­ют­ся тра­ди­ци­он­ные мате­ри­а­лы, такие как металл, стек­ло, рези­на и пластик.

Конструкция автомобиля, кузов, дизайн

Нано­во­лок­на CNF широ­ко исполь­зу­ют­ся в кон­струк­ции кузо­ва, две­рей, капо­та крыш­ки багаж­ни­ка, кры­ши авто­мо­би­ля NCV. Неко­то­рые дета­ли в авто­мо­би­ле состо­ят из 10–20% нано­во­ло­кон CNF, а есть дета­ли, изго­тов­лен­ные из 100% это­го ком­по­зи­та. Посколь­ку раз­мер цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон мень­ше дли­ны вол­ны види­мо­го све­та, ком­по­зит мож­но сде­лать про­зрач­ным, что было так­же про­де­мон­стри­ро­ва­но на выставке.

Схе­ма кон­струк­ции кузо­ва авто­мо­би­ля NCV, пока­зы­ва­ю­щая какие части кузо­ва были сде­ла­ны с исполь­зо­ва­ни­ем нано­во­лок­на CNF.

Бла­го­да­ря исполь­зо­ва­нию цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон вес авто­мо­би­ля может быть сни­жен на 20 про­цен­тов”, — пояс­нил про­фес­сор Киот­ско­го уни­вер­си­те­та Хиро­ю­ки Яно, кото­рый руко­во­дит иссле­до­ва­ни­я­ми в обла­сти цел­лю­лоз­ных нано­во­ло­кон. “Кро­ме того, топ­лив­ная эффек­тив­ность авто­мо­би­ля повы­ша­ет­ся на 10 про­цен­тов, что так­же спо­соб­ству­ет сокра­ще­нию выбро­сов CO2”.

Министр окру­жа­ю­щей сре­ды Син­дзи­ро Коид­зу­ми, при­сут­ство­вав­ший на авто­вы­став­ке, не мог удер­жать­ся от ком­мен­та­рия, когда он попы­тал­ся под­нять капот авто­мо­би­ля. “Это был пер­вый раз, когда я под­нял капот авто­мо­би­ля толь­ко одной рукой!” вос­клик­нул он.

Дизайн кузо­ва кон­цеп­та NCV был раз­ра­бо­тан Юдзо Нии­ми (Yuzo Niimi) из под­раз­де­ле­ния Toyota Customizing & Development. NCV выгля­дит как супер­кар с вер­ти­каль­но откры­ва­ю­щи­ми­ся две­ря­ми и пря­мы­ми лини­я­ми кузо­ва, напо­ми­ная Lamborghini и Acura NSX.

Тех­ни­че­ские характеристики

Ника­ких тех­ни­че­ских дета­лей кон­цеп­та NCV не было обна­ро­до­ва­но. Есть лишь пред­по­ло­же­ния, что он рабо­та­ет на водо­род­ном топ­ли­ве, либо от элек­три­че­ства. Несмот­ря на то, что авто­мо­биль выгля­дит так, буд­то он готов ездить на мак­си­маль­ных ско­ро­стях, в насто­я­щее вре­мя он раз­ви­ва­ет ско­рость все­го лишь в 12 миль/ч, доста­точ­ную, что­бы заехать на выстав­ку и вер­нуть­ся обрат­но в лабо­ра­то­рию. Основ­ное вни­ма­ние уде­ля­лось, в первую оче­редь, тому, что­бы сде­лать его из эко­ло­ги­че­ски чистых мате­ри­а­лов, а не тех­ни­че­ским характеристикам.

Салон

Инте­рьер эко­ло­гич­но­го авто­мо­би­ля име­ет тра­ди­ци­он­ную япон­скую эсте­ти­ку, с белы­ми сиде­нья­ми в сти­ле кимо­но, руле­вым коле­сом, покры­тым оплёт­кой в сти­ле руч­ки ката­ны, при­бор­ной пане­лью из нату­раль­но­го дере­ва, и золо­тым цве­точ­ным узо­ром, види­мым в несколь­ких местах салона.

Какие ещё компании используют целлюлозное нановолокно?

До сих пор раз­ра­бот­ка ком­по­зи­тов на осно­ве CNF в зна­чи­тель­ной сте­пе­ни была пре­ро­га­ти­вой про­из­во­ди­те­лей бума­ги. Раз­ра­бот­ка CNF нача­лась в 2000‑х годах. Daio и Nippon Paper Industries осу­ществ­ля­ют тесто­вое про­из­вод­ство мате­ри­а­ла с 2013 года.

Сей­час гон­ка по раз­ра­бот­ке новых мате­ри­а­лов для авто­мо­би­лей наби­ра­ет обо­ро­ты сре­ди про­из­во­ди­те­лей хими­че­ской и бумаж­ной про­дук­ции в Япо­нии, так как авто­про­из­во­ди­те­ли ищут спо­со­бы сде­лать свою про­дук­цию более эко­но­мич­ной и эко­ло­ги­че­ски чистой. К при­ме­ру, япон­ская бумаж­ная ком­па­ния Oji Holdings раз­ра­ба­ты­ва­ет мате­ри­ал, состо­я­щий из смол и CNF. По мере раз­ви­тия тех­но­ло­гии в неё будет вовле­кать­ся всё боль­ше компаний.

• Toyota Boshoku, япон­ский про­из­во­ди­тель авто­мо­биль­ных ком­по­нен­тов. Явля­ет­ся чле­ном груп­пы ком­па­ний Toyota. Они раз­ра­бо­та­ли про­то­тип двер­ной кар­ты авто­мо­биль­но­го сало­на, изго­тов­лен­ный из ком­по­зи­та CNF.
• В две­рях и капо­те неко­то­рых гоноч­ных авто­мо­би­лей в Япо­нии исполь­зу­ет­ся мате­ри­ал на осно­ве нано­во­ло­кон цел­лю­ло­зы ком­па­нии Daio Paper. Дан­ная ком­па­ния наде­ет­ся в буду­щем исполь­зо­вать тех­но­ло­гию в серий­ных автомобилях.
• Weyerhaeuser (аме­ри­кан­ская лесо­про­мыш­лен­ная ком­па­ния) сотруд­ни­ча­ет с Ford в тече­ние послед­них трёх лет, что­бы раз­ра­бо­тать спо­со­бы исполь­зо­ва­ния цел­лю­лоз­но­го волок­на в более лег­ких частях, кото­рые могут заме­нить тра­ди­ци­он­ные пла­сти­ки автомобиля.
• Furukawa Electric раз­ра­бо­та­ла новую тех­но­ло­гию про­из­вод­ства недо­ро­гих цел­лю­лоз­ных ком­по­зи­тов из нано­во­ло­кон с целью заме­ны доро­го­сто­я­щих ком­по­зи­тов. Ком­па­ния наде­ет­ся умень­шить сто­и­мость про­из­вод­ства мате­ри­а­лов из нано­цел­лю­лоз­ных воло­кон, делая про­цесс изго­тов­ле­ния одно­ста­дий­ным, сме­ши­вая нано­цел­лю­лоз­ные волок­на и смо­лу вме­сте с добав­ка­ми в экс­тру­де­ре, исполь­зуя те же тех­но­ло­гии пере­ра­бот­ки смо­лы, кото­рые он исполь­зу­ет для изго­тов­ле­ния про­во­лоч­ных кабе­лей. Ком­па­ния Furukawa наме­ре­на исполь­зо­вать свои ком­по­зи­ты CNF для внут­рен­ней отдел­ки авто­мо­би­лей, ком­по­нен­тов элек­тро­ни­ки и наруж­ных пане­лей кузова.

Печа­тать статью

Ещё интересные статьи:

Надежный целлюлозы нановолокон для одежды

О продукте и поставщиках:

Ищите целлюлозы нановолокон на Alibaba.com, если у вас есть фабрика по производству одежды и других изделий из ткани. Нанесите один на текстильный предмет в качестве последнего шага в процессе. Большинство целлюлозы нановолокон добавляют мягкость и объемность, увеличивая при этом прочность на разрыв пряжи. Запаситесь и убедитесь, что каждая одежда удобна для покупателей и прослужит долго даже при частом ношении.
Большинство целлюлозы нановолокон легко растворяются в воде, поэтому их разбавление для безопасного использования является простой задачей. Многие продукты также совместимы с различными типами синтетических тканей, включая полиэстер и нейлон.  Найдите решение, которое можно использовать как более безопасную и экономичную альтернативу традиционным силиконовым маслам и отбеливателям. Некоторые продукты отправляются в запечатанных контейнерах, чтобы предотвратить попадание на открытый воздух. Найдите сухое прохладное место для хранения с длительным сроком хранения.
Купите целлюлозы нановолокон на Alibaba.com, чтобы получить доступ к поставщикам, которые могут удовлетворить самые разные потребности. Получите идеальный уровень чистоты и pH, чтобы предотвратить загрязнение или повреждение ткани. Большинство поставщиков предлагают прочную упаковку, чтобы гарантировать отсутствие утечек в каждой поставке. Закупайте несколько тонн или килограммов оптом, чтобы обеспечить бесперебойное снабжение фабрики или мастерской в течение длительного периода времени.
Найдите лучшее целлюлозы нановолокон на Alibaba.com и поддерживайте производственную линию в рабочем состоянии, чтобы производить высококачественную ткань Предметы.  Купите любимый раствор, чтобы каждая партия оставалась мягкой и крепкой одновременно. Найдите целлюлозы нановолокон, который обеспечит ровно столько, сколько нужно для выполнения предполагаемой работы.

в Японии думают о деревянных машинах

Он весит пятую часть стали, но в пять раз прочнее — растительное целлюлозное нановолокно (CNF) дает автопроизводителям возможность создавать прочные и легкие деревянные автомобили.

Не надо задирать нос, машины сделаны из древесных волокон, но точно не будут похожи на пианино. И еще: целлюлозные нановолокна удаляют до 2.000 кг углерода из жизненного цикла автомобиля устойчивым образом.

Нановолокна из целлюлозы, материал, который удивляет всех

Свойства целлюлозного нановолокна — не что иное, как необычное: исследование, проведенное в прошлом году, показало, что они имеют среднее сопротивление даже выше, чем у шелка паука.

Внешний вид автомобиля из целлюлозных нановолокон не отличается от автомобиля из металла и пластика, но производительность и окружающая среда значительно выигрывают.

Это по существу древесина, измельченная и мацерированная в веществах, которые удаляют лигнин и гемицеллюлозу.

Это процесс, усовершенствованный исследовательской группойУниверситет МэрилендаЯ говорил тебе об этом недавно в этом посте.

Это итер (на основе обработки перекисью водорода) это позволяет получать очень конденсированный, легкий, невероятно стойкий и, прежде всего, абсолютно годный для повторного использования материал

Плюс? Можно распечатать

Нановолокна целлюлозы также имеют большой потенциал в производстве. Его характеристики также позволяют печатать их для создания сложных форм.

Печатные целлюлозные нановолокна являются чрезвычайно универсальным материалом: их можно использовать как для наружного кузова, так и для интерьера.

Министерство окружающей среды Японии Ёсиаки Харада (в поисках выкупа после несчастного выхода на Фукусима) продвигает использование этих нановолокон как устойчивый способ для производителей снизить как вес, так и воздействие своих автомобилей на окружающую среду.

Это может стать способом изменить философию автомобилестроения, и будущее материалов автономных транспортных средств также выиграет от этого материала.

Автомобили медленнее, которые носят нас вокруг и сделаны из натуральных материалов: найдите меня вина.

Японцы сделали автомобиль из целлюлозы

Отгадайте загадку: какой материал в пять раз легче стали, но при этом и в пять раз прочнее ее? Ладно, не будем заставлять вас теряться в догадках. Верный ответ — целлюлозное нановолокно (CNF). Оно делается из обычной целлюлозы, той же, что и используется для создания бумаги. Однако при этом целлюлозное нановолокно можно использовать для, например, создания корпусов автомобилей, что и сделали японские инженеры.

Автомобиль из целлюлозы? На такое, пожалуй, способны только японцы

Что такое целлюлозное нановолокно?

Для начала стоит знать, что сделано оно на основе древесины. Древесина — довольно универсальный материал, но и его можно улучшить. Для этого ученые используют двухступенчатую химическую реакцию, которая придает дереву прочность и легкость. Сначала исследователи кипятят образцы древесины в водном растворе из гидроксида натрия и сульфита натрия, что частично удаляет лигнин и гемицеллюлозу из материала.

Это нужно для того, чтобы внутри дерева было больше «свободного пространства». Тем более, что 2 эти вещества не оказывают особого влияния на финальные свойства продукта. Затем обработанную древесину подвергают горячему прессованию, что приводит к разрушению клеточных стенок и образованию высокоориентированных целлюлозных нановолокон. На выходе получается, своего рода, уплотненная древесина, которая намного прочнее натурального материала.

Вы думаете, на этом ученые остановились? Как бы не так! Группа исследователей из Университета Киото выяснила, что при высоком давлении, материал можно расплавить и получить из него что-то по консистенции напоминающее смолу. Эту «смолу» можно отливать в любые формы и после затвердевания в итоге можно получить сверхпрочные и легкие детали, которые, к тому же, без проблем подвергаются вторичной переработке.

Читайте также: Реактивный автомобиль Bloodhound SSC разогнался до 537 километров в час

В качестве демонстрации, эксперты из Университета Киото создали из уникального материала концепт суперкара, который получил название Nanocellulose Vehicle. Наноцеллюлоза тут использовалась для создания всех деталей корпуса и большей части элементов интерьера автомобиля. Как утверждают ученые, новый материал позволил создать авто, которое весит на 10% меньше, чем аналогичное, собранное из привычных нам деталей. Кроме того, запас прочности и экологичность такого вида транспорта куда выше. Мы будем следить за развитием данной технологии. Так что если вам тоже интересна эта тема, то обязательно подписывайтесь на наш новостной канал в Телеграм.

На первый взгляд авто ничем не отличается от обычного

Ученые до сих пор проводят ряд испытаний деталей автомобиля, чтобы убедиться, что «деревянная» машина будет иметь хороший срок службы. В противном случае это не имело бы смысла. При этом стоит надеяться, что в ближайшее время появление автомобиля подобного типа все-же стоит ожидать на рынке. Потому как ряд крупных автопроизводителей (среди которых есть и Toyota), заинтересовались данной разработкой. Прямо сейчас крупные автоконцерны исследуют возможности наноцеллюлозы, а также ищут дешевые способы ее производства. В конце концов, даже если не получится создавать целые автомобильные корпуса из нового материала, и автопроизводители ограничатся лишь некоторыми деталями вроде бамперов, то это уже будет значительный шаг вперед в автомобилестроении.

Японцы начали изготавливать машины из целлюлозы

На автосалоне в Токио объединение из 22 университетов, исследовательских институтов и компаний-поставщиков автокомпонентов представило экспериментальный автомобиль с кузовом из целлюлозы.  Прототип создан в рамках проекта NCV (Nano Cellulose Vehicle), цель которого — снизить массу автомобилей на 10% в 2020 году. Об этом пишет Japan Chemical Daily.

Создатели нового спорткара использовали для изготовления кузова целлюлозу (целлюлозное нановолокно или CNF). Само нановолокно получают путем химико-механической обработки древесины. Этот материал в пять раз прочнее стали, но намного легче, а также имеет низкий коэффициент теплового расширения.

Volkswagen представил Golf 8-го поколения: главные фишки нового хетчбека

Инженеры расчитывают, что с помощью нановолокна из древесины удастся значительно уменьшить массу машины, что в свою очередь обеспечит топливную экономичность и снизит выбросы углекислого газа. 

Целлюлозное нановолокно или композиты на его основе рассматривают в качестве альтернативы деталям, которые сейчас изготовляют из металла, пластика или стекла.

По оценкам экспертов, использование нановолокна для изготовления кузова поможет снизить массу авто на 10%. Кроме того, CNF можно будет использоватьне не только в автоиндустрии. Также ему найдут приминение и в строительстве, например, для отделки интерьеров, а также для изготовления бытовых приборов.

Sony и Yamaha Motor представили беспилотный автобус

Сообщается, что работа над новым нановолокном началась два года назад. Этим занимаются исследователи из Киотского университета, а также специалисты компаний Denso Corp, крупнейшего поставщика автокомпонентов для Toyota, и DaikyoNishikawa Corp.

Разработчики материала полагают, что через 10 лет стоимость целлюлозного нановолокна удастся снизить вдвое, но даже тогда оно будет дороже стали и алюминиевых сплавов. 

Хотите первыми получать важную и полезную информацию о ДЕНЬГАХ и БИЗНЕСЕ? Подписывайтесь на наши аккаунты в мессенджерах и соцсетях: Telegram, Twitter, YouTube, Facebook, Instagram.

Концепт NCV получил кузов из нановолокон целлюлозы — ДРАЙВ

Внешность концепта разработал дизайнер Юдзо Ниими из компании Toyota Customizing. Линии напоминают оригами, создавая у зрителя аллюзии на тему бумажных фигурок.

Двадцать два университета, исследовательских института и компании в 2016 году собрались в консорциум для реализации необычного проекта «наноцеллюлозного автомобиля» (Nano Cellulose Vehicle, NCV). Возглавил работу Киотский университет, от автостроителей подключилась корпорация Toyota Motor в лице своей дочки Toyota Customizing & Development, включающей известные марки Toyota Racing Development и Modellista, а ещё ряд поставщиков автокомпонентов. Результат показан на нынешнем автошоу в Токио.

Автомобиль NCV получил различные части кузова из целлюлозного нановолокна (CNF), от капота до дверей и крыши.

Из CNF также выполнены часть силовой структуры и некоторые элементы внутреннего убранства.

Наноцеллюлозный материал (CNF) был получен из растений и переработанных сельскохозяйственных отходов. Согласно разработанной японцами технологии, компоненты клеточной стенки растений извлекаются путём тонкого разрыхления растительных волокон до наноразмера. После механической и химической обработки получаются волокна с длиной от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Такие волокна легче стальных на одну пятую и в пять раз прочнее, они почти не меняют своего размера при перепадах температур. На их базе и создаётся экологически дружественный композит.

Оформление интерьера, конечно, вычурное: от росписи в цветочек до оплётки руля в стиле рукояти катаны. Плюс добавлено дерево. И на этом фоне — камеры вместо зеркал.

Идея всего проекта в целом очень похожа на финский концепт UPM Biofore (композит из целлюлозы плюс термоформованная фанера) и поддерживает такие работы автопроизводителей, как фордовские пластик из томатов и композиты «из текилы», маздовский растительный полимер.

Хотя концепт движется, полноценной машиной его можно считать условно. Это просто демонстратор технологий. Внутри скрыты, по последней моде, водородные топливные элементы, а максималка составляет всего 20 км/ч. Ну, для авто с телепортацией это не страшно.

В ту же копилку можно положить вторичные пластики, полученные путём переработки заброшенных рыболовных сетей в салонах Volvo и Porsche, композит из льна, опять же, у Porsche, волокна хлопка и бамбука в моделях Мазды, кузовные панели из ультратонкой ткани в опытах фирмы EDAG. Цель у всех этих ноу-хау одна — уменьшить зависимость промышленности от ископаемого сырья и наладить новые пути вторичного использования отходов, дабы меньше оставлять мусора природе. Заодно новые материалы могут и вес сэкономить. Японцы не сказали, в каких машинах появится новый композит, но наверняка в Тойотах будущего мы его встретим, пусть не в таком масштабе, как в данном концепте.

Наноцеллюлоза — в пять раз прочнее стали

Такой распространённый сельскохозяйственный отход, как навоз домашних животных, вполне может превратить в дешёвый и экологически безвредный источник целлюлозного сырья для широкой индустрии. Инновационная технология переработки органических отходов в целлюлозу была представлена на недавнем симпозиуме Американского химического общества австрийскими исследователями.

Идея проекта родилась благодаря наблюдениям профессора Венского Университета Александра Бисмарка, который однажды во время отпуска в маленькой деревушке на Крите понаблюдал за тем, как козы поедали траву. «Я понял, что в итоге получается частично переваренное растительное вещество, в составе которого должна быть целлюлоза», — вспоминает ученый.

В организме животных биомасса с содержанием целлюлозы подвергается воздействию ферментов и кислоты в желудке. Конечные отходы – навоз — до 40% состоит из целлюлозы, которую очень легко выделить при небольших энергетических затратах. Причем добытые из переваренного материала целлюлозные нановолокна схожи с традиционными аналогами, производимыми из древесной массы.

На практике Бисмарк и его команда испробовали продукты жизнедеятельности и других животных – например, конский, коровий и даже слоновый.

Вначале навоз обрабатывают щелочным раствором гидроксида натрия. Этот процесс частично удаляет из состава лигнин – сложное полимерное соединение, которому также найдено практическое применение в качества удобрения и топлива. Материал отбеливают гипохлоритом натрия для полного удаления лигнина и получения белой мягкой целлюлозной массы, из которой потом экстрагируют нановолокна.

В традиционной практике для того, чтобы обратить древесину в целлюлозные микрофибрилы, требуется ряд сложных технологических шагов. Буренки справляются с этой частью производственного цикла быстрее — исходный материал (растения) пережевываются, то есть механически подготавливаются к дальнейшей химической обработке в желудке, где происходит атака нужной кислотой и энзимами. Получается та же самая наноцеллюза, что и из древесины, только дешевле, с меньшими затратами химикатов и энергии.

Где можно применить целлюлозное нановолокно, произведенное из навоза? Стоит отметить, что как утверждают японцы – лидеры в области базовых исследований наноцеллюлозы, этот материал более чем в пять раз прочнее стали.

Венские ученые, чьими разработками уже заинтересовались промышленники, предлагают использовать полученный ими продукт в производстве композиционных полимерных материалов и водоочистных фильтров.

Однако работа над инновационным целлюлозным решением продолжается. Исследователи также изучают возможность усложнения процесса. На первом этапе предлагается вырабатывать из навоза биогаз, а на втором – из остаточных материалов извлекать целлюлозные волокна.

Разработка технологий производства и применения целлюлозных нановолокон | Исследовательская лаборатория целлюлозных нановолокон (CNF)

Чтобы открыть новые возможности для древесины, возобновляемого источника, мы расширяем наши области от технологии варки целлюлозы до нанотехнологий, продолжая разработку целлюлозного нановолокна.
В апреле 2013 года мы создали Исследовательскую лабораторию CNF (ранее CNF Business Promotion Office) в рамках нашего отдела исследований и разработок.
Затем, в октябре 2013 года, мы открыли первый предкоммерческий завод в Японии на нашем заводе в Ивакуни в качестве полномасштабного предприятия по производству целлюлозного нановолокна путем химической обработки с годовой производственной мощностью более 30 тонн.
В апреле 2017 года мы запустили в эксплуатацию крупномасштабное производство УНВ на заводе Ishinomaki. Крупномасштабное производство CNF на заводе Ishinomaki может производить CNF, полностью нанодисперсный с однородной шириной волокон от 3 до 4 нм, из древесной массы, химически обработанной методом каталитического окисления TEMPO (см. Примечание 1). УНВ, окисленные ТЕМПО, отличаются своей прозрачностью и возможностью добавления различных функций. Кроме того, после завода Ishinomaki в июне 2017 года мы запустим в эксплуатацию демонстрационную установку по производству CNF-армированного пластика (см. Примечание 2) на заводе Fuji (Fuji City, Shizuoka) в июне 2017 г. — масштабное производство CNF, которое будет введено в практическое использование в качестве пищевых и косметических добавок (см. Примечание 3) на заводе Gotsu Mill (Gotsu City, Shimane) в сентябре 2017 года.Как комплексная компания по производству биомассы, формирующая будущее с помощью деревьев, Nippon Paper Industries мгновенно внедрит технологии производства CNF, подходящие для различных применений, и систему для коммерческих поставок, а также создаст рынки для новых материалов и CNF.

Крупномасштабное производство УНВ на заводе Исиномаки

Примечание 1: Химическая денатурация целлюлозы на основе ТЕМПО-катализа.Этот метод был разработан главным образом профессором Акирой Исогай из отдела биоматериалов Высшей школы сельского хозяйства и наук о жизни Токийского университета. С помощью этого метода целлюлоза легко дефибрируется, и можно создавать нановолокна одинаковой ширины.

(Примечание 2) Пластмасса, армированная CNF, производится путем смешивания CNF с пластиком, таким как полипропилен (PP), полиэтилен (PE), нейлон и другие пластмассы, что обеспечивает дополнительную прочность.

(Примечание 3) Микрофибриллярная целлюлоза с шириной волокна от нескольких до десятков нанометров, произведенная из древесной массы, химически модифицированной с использованием технологии производства карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), которая уже продается в качестве пищевых добавок.

Что такое нановолокно целлюлозы?

Нановолокно целлюлозы, изготовленное из древесного волокна (пульпы), которое было дефибрировано до наноуровня в несколько сотых микрона и меньше, является самым передовым материалом биомассы в мире. Поскольку материал получен из растительных волокон, он оказывает незначительное воздействие на окружающую среду при его производстве и утилизации. Среди его выдающихся характеристик он легкий, имеет такой же высокий модуль упругости, как и у высокопрочного арамидного волокна, демонстрирует тепловое расширение наравне со стеклом и обладает высокими барьерными свойствами по отношению к кислороду и другим газам.

Связь деревьев и нановолокна целлюлозы

Деревья состоят из древесных волокон, которые, в свою очередь, состоят из нановолокон целлюлозы, скоплений молекул целлюлозы.

Характеристики и области применения целлюлозного нановолокна

Благодаря своей морфологии и характерным физическим свойствам нановолокно целлюлозы рассматривается как многообещающий материал для использования во множестве областей, включая фильтрующий материал, упаковочный материал с высоким газовым барьером, электронные устройства, продукты питания, медицину, косметику и здравоохранение.

Нам удалось коммерциализировать высокоэффективные антибактериальные и дезодорирующие листы с использованием CNF с методом каталитического окисления TEMPO. Nippon Paper Crecia Co., Ltd. (президент: Ясунори Нанри), компания Группы, начала продавать серию «Hada Care Acty» в качестве подгузников для взрослых как первый в мире продукт, изготовленный из функциональных листов CNF. Кроме того, Crecia теперь продает серию «Poise» в виде прокладок при легком недержании, сделанных из однотипных листов CNF.

Продукция Nippon Paper Crecia Co., Ltd., используя лист с антибактериальным и дезодорирующим действием, который получают путем практического использования TEMPO-окисленного CNF.
(Слева: серия «Hada Care Acty», справа: серия «Уравновешенность»)

Характеристики

1. 1. Легкий и сильный
2. 2. Ультратонкие волокна (ширина волокна: около 3 нм)
3. 3. Большая удельная поверхность
4. 4.Низкое тепловое расширение

1. 5. Высокие газобарьерные свойства
2. 6. Обладает характеристической вязкостью в воде.
3. 7. Экологически чистый материал из биомассы

Легкие, прочные и экологически безопасные объемные конструкционные материалы на основе целлюлозных нановолокон с низким коэффициентом теплового расширения

Abstract

Устойчивые конструкционные материалы с легким весом, высокой термостабильностью и превосходными механическими свойствами жизненно важны для инженерного применения, но присущие конфликт между некоторыми свойствами материала (например,g., прочность и ударная вязкость) затрудняет одновременное достижение этих показателей производительности в широких условиях эксплуатации. Здесь мы сообщаем о надежной и осуществимой стратегии по переработке целлюлозного нановолокна (CNF) в высокоэффективный устойчивый объемный конструкционный материал с низкой плотностью, превосходной прочностью и ударной вязкостью, а также отличной термической стабильностью размеров. Полученная пластина из целлюлозных нановолокон (CNFP) имеет высокую удельную прочность [~ 198 МПа / (Mg · m ⁻³ )], высокую удельную ударную вязкость [~ 67 кДж · m ⁻² / (Mg · m ⁻³ )]. и низкий коэффициент теплового расширения (<5 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ), который демонстрирует отличные и превосходные свойства по сравнению с типичными полимерами, металлами и керамикой, что делает его недорогим, высокопроизводительным и экологически чистым — удобная альтернатива для инженерных нужд, особенно для аэрокосмических приложений.

ВВЕДЕНИЕ

С самого начала существования человечества материалы были фундаментальными для развития общества. Во всех видах материалов наиболее широко используются конструкционные материалы, такие как металлы, керамика и полимеры ( 1 ). В последние годы все больший интерес вызывает разработка конструкционных материалов, обладающих одновременно высокими характеристиками взаимоисключающих свойств (например, прочности и ударной вязкости), особенно на основе наноразмерных строительных блоков ( 2 — 8 ). Когда эти наноразмерные строительные блоки собираются в материалы макроуровня, многие необычные наноразмерные свойства могут быть масштабированы до макроскопического уровня, и появляются новые макроскопические свойства, которые можно приписать сборке отдельных единиц. В частности, очень важно и остается огромной проблемой создание высокопроизводительных, полностью экологичных объемных конструкционных материалов из возобновляемых и устойчивых наноразмерных строительных блоков ( 9 — 15 ).

Нановолокно целлюлозы (CNF), которое может быть получено из растений или продуцировано бактериями, является одним из самых богатых экологически чистых ресурсов на Земле ( 16 , 17 ).Многие привлекательные свойства CNF, включая низкую плотность, низкий коэффициент теплового расширения, высокую прочность, высокую жесткость и легко модифицируемую поверхность, делают CNF идеальным строительным блоком наноразмеров для создания макроскопических материалов с высокими характеристиками. Несмотря на то, что были предприняты различные попытки масштабировать эти необычные наноразмерные свойства УНВ до макроскопического уровня, до сих пор только макроволокна и пленки можно было получить с помощью различных стратегий. Например, макроволокно было получено из древесного CNF путем организации потока с модулем Юнга 86 ГПа и пределом прочности на разрыв 1.57 ГПа, что превышает любые известные природные или синтетические биополимеры ( 18 ). Макроволокно с высокими характеристиками было также получено путем мокрого вытягивания и мокрого скручивания сверхдлинных бактериальных CNF ( 19 ). Кроме того, пленки, состоящие из CNF с высокой прочностью, высокой прозрачностью и низким коэффициентом теплового расширения, были разработаны и используются во многих областях, таких как электронные устройства и гибкий дисплей ( 20 — 24 ). Однако остаются проблемы с масштабированием этих необычных наноразмерных свойств УНВ на трехмерные объемные структурные материалы. Если удастся создать устойчивые высокопроизводительные объемные конструкционные материалы, это, безусловно, будет способствовать развитию CNF, расширять области ее применения и обеспечивать больший выбор материалов при инженерном проектировании.

Здесь мы сообщаем о надежной и осуществимой стратегии переработки УНВ в высокопроизводительный объемный конструкционный материал с низкой плотностью, выдающейся прочностью и ударной вязкостью, а также высокой термической стабильностью размеров. Полученная пластина CNF (CNFP) имеет высокую удельную прочность [~ 198 МПа / (Mg · m ⁻³ )], высокую удельную ударную вязкость [~ 67 кДж · m ⁻² / (Mg · m ⁻³ )], и низкий коэффициент теплового расширения (<5 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ), который демонстрирует отличные и превосходные свойства по сравнению с типичными полимерами, металлами и керамикой, что делает его недорогим, высокопроизводительным и экологически безопасным. дружественная альтернатива для инженерных требований, особенно в качестве материалов для космических кораблей. Кроме того, CNFP также демонстрирует хорошую работоспособность при экстремальных температурах или быстром тепловом ударе и обладает высокими характеристиками поглощения энергии, а его массовое производство может быть достигнуто в больших масштабах при низких затратах.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изготовление и характеристика материала

На рисунке 1 показана схема нашего восходящего подхода к прессованию многослойных предварительно обработанных гидрогелей CNF в высокоэффективные CNFP. Гидрогели CNF с прочной трехмерной сеткой из нановолокон получают из глюкозы путем биосинтеза, а затем обрабатывают другим раствором полимера или модификацией поверхности перед горячим прессованием (рис.1, от А до В). CNFP, полученные из необработанных, обработанных поливиниловым спиртом (PVA) и обработанных раствором кремниевой кислоты бактериальных гидрогелей CNF и поверхностно-окисленных бактериальных гидрогелей CNF, обработанных полиакриловой кислотой (PAA), обозначены как CNFP-0, CNFP-1, CNFP- 2 и CNFP-3 соответственно (таблица S1).

Рис. 1 Изготовление и анализ структуры CNFP.

( A ) Гидрогель CNF может быть получен путем биосинтеза. ( B ) Гидрогель CNF и его прочная трехмерная сеть из нановолокон.( C ) Многочисленные слои обработанных гидрогелей CNF прессуются при 80 ° C для изготовления CNFP. ( D ) Схематический чертеж CNFP. ( E ) Многослойная структура CNFP. ( F ) Прочная трехмерная однослойная сеть из нановолокна в CNFP. ( G ) Молекулярные цепи целлюлозы прочно связаны друг с другом водородными связями и открывают большое количество -ОН-групп на поверхности CNF с образованием межволоконных водородных связей. ( H ) Фотография крупногабаритного CNFP объемом 320 мм на 220 мм на 27 мм.( I ) Детали из CNFP различной формы, изготовленные на фрезерном станке. Масштабная линейка 1 см (I). (Фотография предоставлена: Zi-Meng Han, факультет химии, Университет науки и технологий Китая, Хэфэй 230026, Китай. )

Наш метод позволяет достичь крупномасштабного приготовления непосредственно с помощью более крупного прессового оборудования. Был изготовлен крупногабаритный CNFP объемом 320 мм на 220 мм на 27 мм и весом 2560 г (рис. 1H). Поскольку гидрогель бактериальной целлюлозы является промышленным продуктом и его рыночная цена ниже 0 долларов.01 за килограмм, CNFP можно приготовить по низкой цене, которая ниже, чем у многих типичных конструкционных материалов (таблицы S2 и S3). Кроме того, CNFP можно переработать в желаемую форму и размер; например, на фрезерном станке были получены детали различной формы, что показывает его хорошую обрабатываемость (рис. 1I).

Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), выявляют многослойную структуру CNFP, причем каждый слой составляет около 20 мкм, что определяется толщиной гидрогелей CNF (рис.2А). Внутри слоя находятся уплотненные и надежные трехмерные сети из нановолокон (рис. 2, B и C и рис. S1, G — I). Многочисленные УНВ переплетены друг с другом и объединены прочными водородными связями. Повреждение поверхности CNFP под внешней нагрузкой показывает большое количество связанных CNF, демонстрируя плотно связанные водородные связи соседние слои в CNFP (рис. 2, D — F, и рис. S1, A — F).

Рис. 2 Структурная характеристика CNFP.

( A ) СЭМ-изображение отмеченной области на вставке фотографии, наглядно демонстрирующее многослойную структуру, где каждый слой составляет около 20 мкм.На вставке — фотография CNFP. ( B ) Увеличенное СЭМ-изображение слоя CNFP, показывающее микроскопическую слоистую структуру CNF. ( C ) СЭМ-изображение отмеченной области на вставке фотографии, показывающее надежную трехмерную сеть из нановолокон. Многочисленные УНВ переплетены друг с другом и объединены прочной водородной связью. На вставке — фотография CNFP. ( D ) Профиль разрушенного CNFP-0, показывающий скольжение между слоями примерно 20 мкм. ( E ) Многочисленные CNF переплетаются друг с другом и объединяются между слоями [увеличенная микрофотография отмеченной области на (D)]. ( F ) СЭМ-изображение наклонного сечения CNFP. Между разными слоями большое количество УНВ вытягивается из слоя и переплетается друг с другом. (Фото предоставлено Хуай-Бинь Янгом, факультет химии Китайского университета науки и технологий, Хэфэй 230026, Китай.)

Термические и механические свойства

Благодаря этой стратегии многие замечательные наноразмерные свойства CNF могут быть успешно масштабированы до макроуровень на CNFP, включая низкий коэффициент теплового расширения и высокую прочность.Низкий коэффициент теплового расширения — жизненно важная особенность материалов во многих областях применения, особенно в аэрокосмической сфере. От -120 ° до 150 ° C средние коэффициенты теплового расширения CNFP ниже, чем 5 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ (параллельно слою) и 7 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ( перпендикулярно слою), соответственно, что близко к керамическим материалам и намного ниже, чем у типичных полимеров и металлов (рис. 3A и рис. S2).Между тем, превосходные механические свойства CNF также успешно масштабируются до макроуровня на CNFP (фиг. 3B; см. Также фиг. S3-S6). При низкой плотности ~ 1,35 г / см ^-3 предел прочности на изгиб и модуль упругости CNFP могут составлять до ~ 269 МПа и ~ 17 ГПа, соответственно (рис. 3B). Организация CNF также обеспечивает другие интригующие макроскопические свойства. Испытание на ударную вязкость по Шарпи для CNFP с надрезом дает ударную вязкость 87,6 ± 4,3 кДж · м ^-2 , что намного выше, чем у типичных пластиков (рис.3С). Более того, он не показывает видимых изменений при 200 ° C, что указывает на то, что термостабильность CNFP намного лучше, чем у других широко используемых материалов на основе полимеров (рис. 3, E и F, и рис. S7). После 10-кратного быстрого теплового шока между двумя экстремальными температурными условиями (-196 ° и 120 ° C) CNFP по-прежнему сохраняет аналогичные механические характеристики (рис. 3, G и H). Примечательно, что при 120 ° и -50 ° C прочность на изгиб CNFP существенно не меняется (рис. 3D), что жизненно важно для практического применения в экстремальных условиях.Кроме того, после воздействия 95% относительной влажности в течение 60 часов толщина и прочность на изгиб CNFP изменяются незначительно, показывая хорошую стабильность при воздействии влаги (рис. S8).

Рис. 3 Превосходные термические и механические свойства CNFP.

( A ) Термическое расширение CNFP (параллельно слою), полиамида (PA), сплава Al (7075 Al) и Al ₂ O ₃ . ( B ) Сравнение прочности на изгиб и жесткости различных типов CNFP.( C ) Сравнение ударной вязкости по Шарпи CNFP-0 с другими широко используемыми материалами на основе полимеров. ( D ) Кривые деформации при изгибе CNFP-0 при различных температурах. ( E и F ) Сравнение CNFP-0 с другими широко используемыми материалами на основе полимеров при (E) 30 ° C и (F) 200 ° C. ( G ) Схема быстрого термического удара в 10 раз. ( H ) Кривые деформации при изгибе CNFP-0 до и после 10-кратного быстрого термического удара.ПММА, полиметилметакрилат; ПВХ, поливинилхлорид; АБС, акрилонитрилбутадиенстирол; ПК, поликарбонат; ПФ, фенольная смола; ПОМ, полиформальдегид; ПП, полипропилен. (Фотография предоставлена: Цзи-Мэн Хан, факультет химии, Университет науки и технологий Китая, Хэфэй 230026, Китай.)

CNFP обладает множеством выдающихся характеристик в одном материале, включая низкий коэффициент теплового расширения, легкий вес, высокую прочность и высокая прочность. Чтобы продемонстрировать общие характеристики CNFP, мы поместили его свойства на две карты Эшби для сравнения с различными типами традиционных конструкционных материалов (рис.4). На картах Эшби, несмотря на широкий диапазон свойств металлов (например), кластеры занимают поле, отличное от поля полимеров или керамики. Этот факт показывает, что для разных материалов поля могут перекрываться, но они всегда имеют характерное место на всей картинке ( 1 ). Согласно этой схеме, CNFP появляется на картах как совершенно новый вид материала, который занимает отчетливое поле с низким коэффициентом теплового расширения (ниже 5 × 10 ⁻⁶ K ⁻¹ ), высокой удельной прочностью [вверх до 198 МПа / (Mg · m ⁻³ )] и высокой удельной ударной вязкостью [до 67 кДж · m ⁻² / (Mg · m ⁻³ )].Удельная прочность и удельная ударная вязкость CNFP выше, чем у традиционных металлов и сплавов, что делает его экологически чистой и высокоэффективной альтернативой для инженерного проектирования. Положение полей на картах Эшби можно понять в простых физических терминах, поскольку природа основных строительных блоков и то, как они сочетаются друг с другом, определяют положение полей, которые занимают различные виды материалов. Что касается CNFP, CNF являются его основными строительными блоками, в то время как водородные связи являются основным взаимодействием, связывающим их вместе.Прочность (не менее 2 ГПа) и модуль Юнга (138 ГПа) отдельных УНВ могут быть почти такими же высокими, как у стали и кевлара ( 22 ), и эти превосходные наноразмерные свойства можно масштабировать до макроуровня (таблицы S4 и S5), в основном за счет сильного взаимодействия между УНВ ( 25 — 29 ).

Рис. 4 Сравнение термических и механических свойств CNFP с типичными полимерами, металлами и керамикой.

( A ) Диаграмма Эшби зависимости теплового расширения от удельной прочности для CNFP по сравнению с типичными полимерами, металлами и керамикой ( 1 , 41 — 46 ).( B ) Диаграмма Эшби теплового расширения в зависимости от удельной ударной вязкости для CNFP по сравнению с типичными полимерами, металлами и керамикой ( 1 ).

Анализ механизма термических и механических свойств

Согласно предыдущим исследованиям ( 16 , 22 , 30 , 31 ), поскольку УНВ представляют собой агрегаты полукристаллических протяженных цепей целлюлозы, их коэффициент теплового расширения всего 1 × 10 ⁻⁷ K ⁻¹ , что ниже, чем у кварцевого стекла.Когда эти УНВ связаны прочными межволоконными водородными связями, достигается низкий коэффициент теплового расширения.

Ультратонкая сетчатая структура нановолокон в CNFP приводит к более обширным водородным связям, высокой ориентации в плоскости и «трехсторонним точкам ветвления» сетей микрофибрилл (рис. 2F) ( 17 ). Эти конструктивные особенности позволяют CNFP выдерживать высокие нагрузки без разрушения, а также рассеивать напряжение и подавлять образование и распространение трещин.Согласно фотографии разрушенного образца (рис. S9A), основным видом разрушения CNFP является межслойное разрушение сцепления, что означает, что прочность на межслойный сдвиг между слоями является ограничивающим фактором прочности CNFP. Таким образом, мы настраиваем прочность на межслойный сдвиг, обрабатывая поверхность гидрогеля CNF различными растворами полимеров. Для необработанного CNFP-0 взаимодействие между слоями представляет собой водородную связь, тогда как обработанный ПВС CNFP-1 имеет более слабую прочность на межслойный сдвиг, поскольку ПВС образует более слабые водородные связи между слоями, чем сама целлюлоза.Для CNFP-2, обработанного раствором кремниевой кислоты, кремниевая кислота дегидратируется и обеспечивает ковалентные прочные поперечные связи в процессе горячего прессования ( 32 ), что эффективно улучшает межслойное взаимодействие по сравнению с CNFP-0 и CNFP-1. Для CNFP-3 процесс окисления вводит некоторое количество карбоксильных групп на поверхность CNF. Эти карбоксильные группы CNF дополнительно сшиты ионами кальция и полиакриловой кислоты. Ионы кальция и карбоксильные группы образуют прочную ионную связь и дополнительно улучшают взаимодействие между слоями.Результаты ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — ¹³ C и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) подтверждают вышеуказанный механизм, в то время как результат дифракции рентгеновских лучей (XRD) показывает, что кристалличность CNF не имеет видимых изменений после предварительной обработки (фиг. S10, S11 и S12) ( 33 , 34 ). Регулируя взаимодействие между слоями, можно увидеть, что при усилении взаимодействия прочность на межслойный сдвиг и прочность на изгиб увеличиваются одновременно (рис.3B; см. также рис. S9B).

Давняя проблема в проектировании материалов — конфликт между прочностью и ударной вязкостью, потому что эти свойства, как правило, взаимоисключающие ( 25 , 35 — 37 ). Высокий предел прочности на изгиб CNFP не сопровождается низкой ударной вязкостью (рис. 3, B и C). Этот уникальный механизм закалки можно понять во многих масштабах. На микромасштабах изгибающая сила инициировала скольжение между слоями толщиной ~ 20 мкм (рис.1E и 2D; см. также рис. S1, от A до C), а скольжение распределяет напряжение, избегая концентрации напряжений. В наномасштабе УНВ с прочными водородными связями на границе раздела вытягиваются из открытого слоя во время межслойного скольжения (рис. 1F и 2, E и F; см. Также рис. S1, D — F), что дополнительно рассеивает напряжение и предотвращает образование и распространение трещины. На молекулярном уровне, из-за богатых гидроксильных групп в молекулярных цепях целлюлозы, когда CNFP подвергаются деформации, относительное скольжение между CNF включает в себя огромное количество образований, разрывов и преобразований водородных связей (рис.1G) ( 25 , 38 ). Благодаря указанным выше механизмам деформация сетки УНВ может поглощать большое количество энергии. Чтобы продемонстрировать роль межфазных свойств на ударной вязкости, мы дополнительно исследовали поведение CNFP при отказе при моделировании изгиба с одной кромкой с надрезом (SENB). Для сравнения, монолитный массив показывает концентрацию напряжений вокруг вершины трещины и вскоре показывает хрупкое повреждение через сечение трещины (рис. 5B). С уменьшением межфазной прочности становится ясно, что ламинарный объем демонстрирует переход от хрупкого к твердому состоянию по кривым сила-смещение (рис.5С). Для соответствующей межфазной прочности подробное поведение разрушения приведено на рис. 5А, где энергия деформации рассеивается за счет межфазного скольжения и раскрытия вместо хрупкого повреждения пластин. Поэтому для CNFP подходящая модификация поверхности раздела может значительно повысить ударную вязкость и в то же время сохранить значительную прочность.

Рис. 5 Превосходный механизм ударной вязкости и ударопрочность CNFP.

( A и B ) FEM-моделирование (A) слоистой структуры и (B) монолитного массива для теста SENB.( C ) Кривые напряжение-деформация различных типов интерфейсов для теста SENB. ( D ) Кривая силы-смещения CNFP-0 для испытания на удар ударным молотком. ( E ) Схема устройства для испытания на удар ударным молотком. ( F ) Фотография CNFP-0 после испытания на удар ударным молотком. Масштабная линейка, 1 см. ( G ) Схема ШПБ. ( H ) Кривые напряжения-деформации сжатия CNFP-0 для теста SHPB при различных скоростях деформации. (Фотография предоставлена ​​Хуай-Бинь Янгом, факультет химии, Научно-технический университет Китая, Хэфэй 230026, Китай.)

Ударопрочность

Для дальнейшей оценки ударопрочности CNFP были проведены динамические механические испытания, включая удар ударным молотком и расколотую штангу Хопкинсона (SHPB). Образец CNFP может создавать высокую силу сопротивления во время удара и значительно уменьшать скорость удара и поглощать его энергию (рис. 5, D и E). Энергия поглощения при испытании ударным молотком может быть рассчитана по кривой «сила-смещение», и для CNFP она составляет ~ 2,7 кДж м ^–1 (рис.5D). CNFP при высокоскоростном ударе может сохранять свою форму, а не разрушаться или деформироваться. Картина повреждения CNFP демонстрирует локализацию напряжения адсорбции энергии при высокоскоростном ударе (рис. 5F). SHPB — мощный инструмент для изучения поведения материала при деформации с высокой скоростью деформации. Его структура показана на рис. 5G, а тензодатчик на падающем стержне и на передающем стержне может преобразовывать механическую волну в электронный сигнал и отображать кривую зависимости напряжения от деформации.Наибольшее напряжение сжатия CNFP может достигать ~ 1600 МПа при сжатии с высокой скоростью деформации (14000 с ^-1 ), а поглощение энергии сжатия составляет ~ 387,5, ~ 89,3 и ~ 37,0 МДж м ^-3 при сжатии. скорости деформации 14000, 10000 и 7500 с ^-1 соответственно (рис. 5H). Кривые напряжение-деформация в экспериментах SHPB демонстрируют аномальное снижение после первого пика по сравнению с общей площадью пластической платформы традиционных металлических материалов и энергопоглощающих материалов.При начальной низкой деформации при ударе сетка CNF и слоистая пластина как структурные каркасы противостоят ударному напряжению. Затем следующая большая деформация вызовет деформацию сетки CNF на микромасштабе и даже сдвиг нанокристаллов целлюлозы на наномасштабе. Недавние исследования с использованием моделирования показали, что разрыв и преобразование межволоконных водородных связей, а также двугранное вращение — немаловажные механизмы, лежащие в основе выдающихся механических свойств нанокристаллов целлюлозы ( 38 , 39 ).Наконец, большая деформация сжатия приводит к уплотнению CNFP (сетка CNF в микромасштабе). По мере увеличения скорости сжатия увеличивается энергия адсорбции. Легкий вес и высокие свойства поглощения энергии CNFP указывают на то, что он может быть потенциальным армированным материалом для ударных волн от взрыва ( 40 ).

ОБСУЖДЕНИЕ

Таким образом, мы разработали надежную и осуществимую стратегию переработки CNF в экологически чистый объемный конструкционный материал CNFP.Он обладает множеством уникальных характеристик в одном материале, среди которых низкий коэффициент теплового расширения, легкий вес, высокая прочность и ударная вязкость, хорошая ударопрочность и простота реализации в крупномасштабном производстве, что делает его недорогой и высокопроизводительной альтернативой для инженерии. дизайн. Например, он может составить серьезную конкуренцию легкому материалу, используемому для автомобилей и самолетов, и, что особенно важно, для аэрокосмического применения, такого как кронштейн оптических линз для лунохода, где малый вес, высокая прочность и низкий коэффициент теплового расширения жизненно важны. .С точки зрения оценки воздействия жизненного цикла окружающей среды ( 10 ) CNFP практически не способствует дополнительным выбросам парниковых газов, ухудшению здоровья человека, токсичности экосистемы или истощению ресурсов, что указывает на то, что это хороший пример полностью зеленого конструкционного материала. . Кроме того, CNFP может быть разработан в многомасштабном исполнении в соответствии с требованиями приложения. Могут быть получены различные функциональные объемные структурные нанокомпозиты, и, таким образом, характеристики этого нового устойчивого конструкционного материала могут быть дополнительно исследованы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Изготовление CNFP

Все реагенты и сырье были коммерчески доступны. Гидрогели бактериальной целлюлозы были произведены Gluconacetobacter xylinus 1.1812 (Китайский общий центр сбора микробиологических культур) на жидких питательных средах при 30 ° C ( 24 ). Один литр жидкой питательной среды состоял из глюкозы (50 г литр ^-1 ), дрожжевого экстракта (5 г литра ^-1 ), лимонной кислоты (2 г литра ^-1 ), Na ₂ HPO ₄ · 12H ₂ O (4 г литр ^-1 ) и KH ₂ PO ₄ (2 г литр ^-1 ).Часть гидрогелей бактериальной целлюлозы подвергали поверхностному окислению методом 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил-окисления. Затем их погрузили в раствор CaCl ₂ (0,1 М) на 24 часа и трижды промыли деионизированной водой. Гидрогели бактериальной целлюлозы (необработанная / поверхностное окисление) разрезали на листы и погружали в раствор для обработки поверхности на 6 часов. Затем определенное количество листов бактериальной целлюлозы укладывали послойно из гидрогеля (HLBL) и прессовали под давлением ~ 1 МПа.Наконец, была проведена стадия горячего прессования под давлением 100 МПа при 80 ° C до полного высыхания CNFP. Метод обработки гидрогелей бактериальной целлюлозы, раствор для обработки поверхности и соответствующие числа показаны в таблице S1. Для типичного CNFP-0 толщиной 6 мм его прессовали под давлением ~ 1 МПа в течение примерно 3 часов, а затем подвергали горячему прессованию под давлением ~ 100 МПа при 80 ° C в течение примерно 1 часа.

Характеристика

СЭМ-изображения были получены с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа Carl Zeiss Supra 40 (5 кВ), и все образцы перед наблюдением были напылены золотом в течение 30 с при постоянном токе 30 мА.Данные XRD были измерены с помощью рентгеновского дифрактометра PANalytical X’pert PRO MRD, снабженного излучением Cu Kα (λ = 1,54056 Å), и образцы были приготовлены путем вырезания слоя CNFP толщиной ~ 0,5 мм. Данные термогравиметрического анализа были измерены в атмосфере воздуха с помощью термогравиметрического анализатора TA Instruments SDT Q600, а образцы были приготовлены путем измельчения CNFP в порошки. Спектры FTIR были получены с помощью FTIR-спектрометра Bruker Vector-22 в режиме ослабленного полного отражения, и образцы были приготовлены путем уменьшения a ~ 0.5-миллиметровый слой CNFP. ¹³ C-ЯМР-спектры кроссполяризационного вращения с магическим углом записывали при 100,62 МГц на спектрометре Bruker Avance III 400 WB с использованием импульса 90 ° длительностью 4 мкс, времени сбора данных 33,9 мс, времени контакта 3 мс, a задержка рециркуляции 5 с, частота вращения 14 кГц.

Термические и механические испытания

Испытание на трехточечный изгиб проводилось на универсальной испытательной машине Instron 5565A в соответствии с ASTM D790-15e1. Образцы были аккуратно вырезаны размером примерно 25 мм на 2 мм на 2 мм.Испытание проводилось при скорости нагружения 1,0 мм мин. ^–1 с размахом опоры 12,5 мм. Для всех механических испытаний направление приложенной нагрузки было перпендикулярно слоям, и каждый тип образца испытывался не менее пяти раз, если не указано иное. Испытания на растяжение и сжатие были выполнены на машине для испытания материалов MTS 809. Размеры образцов на растяжение (образцы в форме собачьей кости) составляли приблизительно 100 мм в длину, 10 мм в ширину и 2 мм в толщину. Образцы зажимали с обоих концов и растягивали по длине образца с постоянной скоростью испытания, равной 1.0 мм мин. ⁻¹ при комнатной температуре. Размеры образцов на сжатие составляли около 9 мм на 9 мм на 4,5 мм, и образцы были сжаты по направлению толщины (4,5 мм) при комнатной температуре со скоростью нагружения 1 мм мин. ^–1 . Испытание CNFP на удар по Шарпи было выполнено на маятниковом тестере Chengde Bao Hui XJJY-5, и размеры образцов с V-образным надрезом по Шарпи составляли около 50 мм в длину, 10 мм в ширину и 2 мм в толщину с глубиной надреза 1 мм. . Испытание CNFP на удар ударным молотком было выполнено на приборе для испытания ударным молотком Instron CEAST 9340.Молоток весом 15 кг (общая масса) свободно падал с высоты 30 см, а размеры испытанных образцов составляли примерно 50 мм на 50 мм на 2 мм. Для испытания SHPB размеры испытанных образцов составляли около 6 мм на 6 мм на 2 мм.

Коэффициент теплового расширения CNFP был измерен с помощью NETZSCH TMA 402F3. Образцы были осторожно вырезаны размером примерно 20 мм на 4 мм на 2 мм, и испытание проводилось при температуре от -130 ° до 150 ° С. Коэффициент теплового расширения (α) рассчитывали по уравнению α = Δ L / ( L Δ T ) K ^-1 .Плотность (ρ) CNFP была рассчитана путем сначала обработки материала в форме куба, а затем с использованием уравнения ρ = масса / объем. Конкретные значения ударной вязкости разрушения и предела прочности на изгиб были рассчитаны путем деления плотности. Прочность на сдвиг короткой балки можно рассчитать с помощью испытания на трехточечный изгиб в соответствии с ASTM D2344 / D2344M-16. Прочность на сдвиг короткой балки ( F ^sbs ) была рассчитана по формуле Fsbs = 0,75 Pmbh (1), где P _м — максимальная нагрузка при испытании на трехточечный изгиб, b — измеренная ширина образца, и х — измеренная толщина образца.

Вычислительные методы

Моделирование SENB для CNFP осуществляется методом конечных элементов (FEM) с помощью программного обеспечения ABAQUS. Геометрическая модель состоит из трех компонентов: пластинчатого образца, индентора и двух симметричных приспособлений. Образец пластины предварительно растрескивается с надрезом в середине образца. Толщина надреза вдвое меньше толщины образца. Индентор и приспособления устанавливаются как твердое тело при моделировании. Контактные ограничения определены между парами поверхностей компонентов.

Сначала моделируется поведение разрушения монолитного массива без ламинирования. Свойство элементов CNFP определяется подпрограммой определяемого пользователем поля. На начальном этапе элементы линейно-упругие. Когда напряжение элемента превышает прочность материала σ _max , модуль Юнга элемента ухудшается до 2 × 10 ^-9 от начального значения в качестве приблизительного моделирования разрушения из-за разрушения. В моделировании индентор толкает вниз с постоянной скоростью.Сила реакции и смещение индентора при падении сравниваются и используются для построения кривой зависимости напряжения от деформации (рис. 5C). Видно, что кривая сначала растет линейно, а затем быстро убывает после достижения пикового значения. Полное разрушение образца происходит из-за концентрации напряжений в вершине трещины. Трещина быстро расширяется вверх вдоль первоначального пути трещины, вызывая разрушение образца (рис. 5B).

Для многослойных CNFP образец делится на несколько изопахических слоев, чтобы учесть влияние границы раздела на свойства изгиба.Между слоями определены контактные ограничения со связным поведением. Максимальное напряжение сдвига τ _max и энергия разрушения G _τ связных элементов регулируются с различными значениями для наблюдения за изменением режима разрушения. Когда значения τ _max и G _τ достаточно велики, режим разрушения практически не меняется, и образец по-прежнему ломается от середины. Модуль упругости при изгибе снижается из-за проскальзывания между слоями.С уменьшением поверхностной прочности мы можем видеть, что режим разрушения меняется, при котором граница раздела достигает критической прочности раньше, чем элементы в процессе падения индентора. Трещины появляются сначала в среднем слое и постепенно расширяются к обоим концам (рис. 5А). Затем внутри образца появляется все больше и больше межслойных трещин, в то время как готовые трещины не могут расширяться вверх, потому что энергия рассеивается через слои. Установлено, что вязкость образца значительно выше по кривой зависимости деформации от напряжения.По мере того, как прочность границы раздела продолжает уменьшаться, режим разрушения остается прежним, в то время как общая прочность и ударная вязкость постепенно снижаются.

Таким образом, свойство интерфейса оказывает значительное влияние на тест SENB CNFP. Прочность CNFP может быть улучшена путем регулировки прочности границы раздела.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что в результате будет использовано , а не для коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа правильно процитирована.

Благодарности: Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (грант 51732011), Фондом инновационных исследовательских групп Национального фонда естественных наук Китая (грант 21521001), Программой ключевых исследований Frontier Sciences, Китайская академия наук (грант QYZDJ-SSW-SLH036), Национальная программа фундаментальных исследований Китая (грант 2014CB931800), Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов (WK20

043), Опытные пользователи и грант на научные исследования Хэфэй Научный центр Китайской академии наук (2015HSC-UE007), Программа стратегических приоритетных исследований Китайской академии наук (XDB22040402), Национальный фонд естественных наук Китая (11525211) и Исследовательские фонды USTC Double First-Class Инициатива (YD2480002002). Автор: S.-H.Y. и Q.-F.G. задумал идею и спланировал эксперименты. ЗАСТЕНЧИВЫЙ. курировал проект. Q.-F.G., H.-B.Y., Z.-M.H. и Z.-C.L. провели синтетический эксперимент и анализ. H.-A.W., L.-C.Z. и Y.-B.Z. участвовал как в механическом моделировании, так и в анализе. Х.-Б.Дж. и П.-Ф.В. участвовал в тестировании и анализе SHPB. Т. участвовал в создании 3D-иллюстраций. Q.-F.G., H.-B.Y., Z.-M.H. и S.-H.Y. написал статью, и все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись. Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Все данные, необходимые для оценки выводов в статье, представлены в документе и / или дополнительных материалах. Дополнительные данные, относящиеся к этой статье, могут быть запрошены у авторов.

• Copyright © 2020 Авторы, некоторые права защищены; эксклюзивный лицензиат Американской ассоциации содействия развитию науки. Нет претензий к оригиналу США.Правительственные работы. Распространяется по некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY-NC).

Нановолокно целлюлозы | Марусуми Пейпер Ко., Лтд.

Снижение воздействия на окружающую среду — постоянная проблема для корпорации.
Marusumi Paper Company удалось разработать собственный запатентованный производственный процесс для нового материала нового поколения, называемого целлюлозным нановолокном (CNF), который является экологически чистым, прочным, долговечным и легким.

Что такое нановолокно целлюлозы?

Нановолокна целлюлозы (CNF) представляют собой чрезвычайно тонкие целлюлозные волокна, изготовленные из древесного материала. Мы используем нашу существующую технологию производства бумаги для производства древесной массы (материала для изготовления бумаги), которая затем подвергается микроочищению до наноуровня. Иногда его называют наноцеллюлозой. Это новый тип материала, полученного из биомассы.

Волокна наноцеллюлозы имеют толщину всего несколько нанометров. Известно, что они обладают уникальной вязкостью, прозрачны, легки и прочны, а также очень мало меняют форму из-за колебаний температуры.Ожидается, что он будет адаптирован для использования в различных областях.

● Нанометр = одна миллионная часть 1 мм длины

От древесной массы к наноцеллюлозе

1. Древесина измельчается на щепу (шириной около 5 см и толщиной 1 см)
2. На бумажной фабрике волокна извлекаются из щепы и превращаются в целлюлозу.
3. Целлюлоза подвергается химической обработке, поэтому ее можно легко разрыхлить на тонкие кусочки (химическая модификация).
4. Применяется высокое давление для разрыхления древесных волокон (пульпы).

Особенности наноцеллюлозы

Фотография CNF

, полученная с электронного микроскопа

Произведенная нами целлюлоза (КП) подвергается химической обработке, и ионные соединения добавляются в целлюлозу, образующуюся из древесных волокон. Электростатическая реакция отталкивания этого функционального соединения легко ослабляет волокно до наноуровня и стабильно распадается на длинные и тонкие волокна в несколько нанометров.

Волокна теперь тонкие, всего в несколько нанометров, и тоньше, чем длина волны видимого света (400-700 нм).Таким образом, CNF прозрачен, так как свет может проходить через его волокна.

● KP = крафт-целлюлоза, химическая целлюлоза

Характеристики химически модифицированной наноцеллюлозы Marusumi Paper Company

• Высокая прозрачность
• Тиксотропный
• Функциональное соединение добавлено на поверхность целлюлозы
• Сниженное потребление энергии для процесса разрыхления волокон

Прозрачность: высокий уровень прозрачности благодаря нашему собственному методу химической обработки (концентрация CNF: 1.0 мас.%)

Тиксотропия: гель, который можно распылять и не капать (концентрация CNF: 0,5 мас.%, 1,0 мас.%)

Текучесть: течет как жидкость (концентрация CNF 0,5 мас.%)

Вязкость: гель, который не будет стекать, даже если перевернуть его (концентрация CNF 1,0 мас.%)

Наноцеллюлоза использует

Мы продолжим разрабатывать новые способы использования наноцеллюлозы, используя преимущества ее очень прозрачных и тиксотропных характеристик, чтобы ее можно было применять в самых разных областях.

• Косметическая продукция
• Лакокрасочные материалы
• Оптическая пленка
• Автомобили

Нановолокна целлюлозы — обзор

9.2 Трибологические характеристики зеленых биокомпозитов

Использование композитов, армированных натуральным волокном, в повседневной жизни варьируется от небольших домашних компонентов, таких как столешницы, стулья, книжные полки, панели и т. Д. подвесные потолки и садовая мебель для передовых промышленных применений, таких как конструктивные элементы в водоотводящем покрытии, строительной промышленности и внутренние компоненты в автомобиле.Было выполнено значительное количество исследований по разработке биокомпозитных материалов с натуральными волокнами и биополимерами, такими как крахмал [12], полилактид (PLA) [13], поликапролактон (PCL) [14] и поли (3-гидроксибутират- co ). -3-гидроксивалерат) (ПОБВ) [15]. Разработка зеленых биокомпозитов очень выгодна для различных секторов промышленности. Натуральные волокна таких растений, как хлопок, бамбук, дерево, топор, конопля, абака, кенаф, банан, сизаль, масличная пальма и джут, были объединены с синтетическими волокнами, такими как стекло, углерод, арамид и т. Д., чтобы адаптировать желаемые свойства в гибридных композитах. Было проведено очень мало исследований по трибологической характеристике зеленых биокомпозитов, изготовленных с использованием биополимеров, армированных натуральным волокном [16]. Поли (молочная кислота) (PLA) представляет собой биоразлагаемый полимер, который может быть синтезирован полимеризацией с раскрытием кольца или процессом конденсационной полимеризации мономера молочной кислоты, полученного путем ферментации декстрозы из крахмального сырья [17]. PLA с высоким молекулярным весом — это бесцветный, глянцевый и жесткий термопластичный полимер, свойства которого аналогичны свойствам полистирола.PLA может разлагаться простой сложноэфирной связью, и присутствие ферментов не является существенным для катализатора этого гидролиза. Скорость разложения зависит от размера и формы изделия, соотношения изомеров и температуры гидролиза [18]. PLA также демонстрирует такие свойства, как высокая прочность, превосходный модуль, биоразлагаемость и простота обработки [18]. Однако из-за своей относительно высокой стоимости PLA не может конкурировать с обычными и экономичными полимерами. Чтобы снизить стоимость и получить композит по разумной цене, PLA можно комбинировать с недорогими наполнителями, такими как натуральное волокно.Помимо PLA, другими биоразлагаемыми полимерами являются поли (бутиленсукцинат) (PBS) [19], полигидроксиалканоаты (PHA) и поли (гидроксибутират- co -валерат) (PHBV). Однако нынешний уровень производства и высокая стоимость ограничивают промышленное применение биокомпозитов. Кроме того, его гидрофильные свойства затрудняют создание компонентов и продуктов, которые сохранят свою механическую целостность и трибологические свойства, несмотря на применение на открытом воздухе. Несоответствие качества натурального волокна, воспламеняемости, влагопоглощения и расширения являются основными недостатками композитных изделий из натурального волокна.Также существуют серьезные проблемы во взаимодействии волокна с матрицей, которые ухудшают механические и трибологические свойства продукта. Композиты из джутового волокна с модифицированной поверхностью обладают более высокой износостойкостью по сравнению с необработанным джутовым волокном / PLA. Среди всех примененных обработок джутовое волокно / PLA, обработанное силаном, показывает самую высокую износостойкость. Это связано с сильным взаимодействием между обработанным силаном джутовым волокном / PLA по сравнению с другими видами обработки в результатах испытаний композитов на адгезию и растяжение [20].

9.2.1 Полимерные композиты на основе наноцеллюлозного волокна

Нановолокно целлюлозы (CNF) — это новый тип натурального наноразмерного волокна, состоящий исключительно из молекул целлюлозы. Эти волокна показали замечательные механические свойства по сравнению с другими натуральными волокнами, а также стеклянными и углеродными волокнами [21–23]. В обширной работе по трибологическим характеристикам таких композитов силилированные и несилилированные аэрогели CNF использовались в качестве армирования, а эпоксидная смола на биологической основе в качестве матричных материалов для изготовления нанокомпозита CNF / эпоксидная смола с использованием процесса импровизированного жидкого композитного формования (LCM) [24].Трибологические исследования, такие как коэффициент трения и износостойкость этих композитов на основе CNF, были изучены при различных скоростях скольжения и нагрузках. Было замечено, что коэффициент трения (COF) уменьшается с увеличением объемной доли наноцеллюлозы в биоэпоксиде для всех трех нормальных нагрузок при низкой скорости скольжения 0,15 м / с. Было обнаружено, что снижение COF было значительным при больших нормальных нагрузках. Снижение трения также было значительным, когда объемная доля наноцеллюлозы была увеличена с 0% до 0.9%, чем 0,9% до 1,4%. Чистая биоэпоксидная смола показала лучшие трибологические характеристики при более низких нормальных нагрузках, а композит 1,4% показал лучшие трибологические характеристики при более высоких нормальных нагрузках из-за присутствия наноцеллюлозы на контактных поверхностях. Было также замечено, что для данной объемной доли скорость износа увеличивалась с увеличением нормальной нагрузки, в то время как она снижалась с увеличением объемной доли целлюлозы в биоэпоксидной матрице. Кроме того, скорость износа снижалась с увеличением скорости скольжения.Потеря объема в композитах наноцеллюлоза / биоэпоксид значительно меньше, чем в чистом биоэпоксиде. Это связано с тем, что включение наноцеллюлозы в биоэпоксидную матрицу эффективно улучшило механические и трибологические свойства биоэпоксидной смолы за счет улучшения прочностных свойств и способности волокон наноцеллюлозы противостоять изгибающей силе [25]. Лучшая износостойкость также объясняется более высоким модулем упругости биоэпоксидной матрицы, усиленной 1,4% УНВ. Кроме того, целлюлозные волокна играют значительную роль в повышении трещиностойкости полимерных матриц за счет нескольких механизмов поглощения энергии, таких как вытягивание волокна, разрушение волокна и образование мостиков [26].Эти механические факторы существенно влияют на трибологические свойства композитов наноцеллюлоза / биоэпоксид. Микрофотографии изношенной поверхности показали, что повреждение поверхности контролировалось добавлением наноцеллюлозы к биоэпоксидной матрице. Это уменьшило потерю объема при износе, и, следовательно, нанокомпозиты показали улучшенную износостойкость по сравнению с чистыми биоэпоксидными материалами, поскольку не было волокон, поддерживающих матрицу чистой биоэпоксидной смолы. Следовательно, важной причиной лучшей износостойкости композитов является несущая способность УНВ в матрице.Более того, за счет увеличения содержания CNF большее количество волокон может выдерживать нагрузку, что приводит к снижению скорости износа при более высокой объемной доле CNF. На поверхности композитов, испытанных с более высокой нагрузкой, были трещины, в то время как на поверхности композитов с низкими нагрузками трещины не обнаруживались. Следовательно, скорость износа выше при более высокой приложенной нагрузке из-за износа материалов при наличии трещин. Связь между наноцеллюлозой и биоэпоксидом была нарушена при более высокой нормальной нагрузке, поэтому УНВ не могли выдерживать нагрузку, и, следовательно, несущая способность УНВ снижалась, и они, как правило, имели более высокие скорости износа при более высоких нормальных нагрузках.Чистая биоэпоксидная смола показывает снижение COF с увеличением скорости скольжения. Для композита наноцеллюлоза / биоэпоксид с концентрацией 0,9 об.% Коэффициент трения уменьшался с увеличением скорости скольжения до 0,25 м / с, а затем он дополнительно увеличивался с увеличением скорости скольжения до 0,35 м / с. Эти отклонения значительно меньше при нормальной нагрузке 10 Н. Несмотря на то, что коэффициент трения увеличивается с увеличением скорости, коэффициент трения нанокомпозита меньше, чем у чистого биоэпоксида. Композит наноцеллюлоза / биоэпоксид с 1,4 об.% Демонстрирует различные трибологические свойства при низких, средних и высоких нормальных нагрузках.Трибологическое поведение силилированных композитов CNF показало более низкие COF и объемы износа, чем чистая биоэпоксидная смола, из-за образования переводной пленки на сопрягаемых поверхностях, что привело к уменьшению «прямого контакта» композита с неровностями твердого материала. металлический контртел. При более высоких нагрузках коэффициент трения композитов уменьшается из-за более высоких скоростей износа и большего количества открытых волокон CNF на поверхностях. Не наблюдалось устойчивой корреляции между скоростью скольжения и потерей COF / объема.

Перспективы целлюлозных нановолокон

Целлюлоза, основной ингредиент растительных волокон, привлекает внимание как многообещающий новый материал, который является легким, прочным и экологически чистым при переработке в нановолокна целлюлозы. У CNF есть много потенциальных применений, например, в подгузниках для взрослых, электронных дисплеях, автомобилях и самолетах. С лесами, покрывающими около 70% ее территории, Япония является мировым лидером в исследованиях и разработках, связанных с CNF. Конкуренция в разработке приложений CNF сейчас разворачивается с богатыми лесами странами Северной Европы и Северной Америки.

В пять раз меньше веса стали и в пять раз ее прочность

Интерес к УНВ основан на их легком весе и прочности, которые, как утверждается, в пять раз меньше веса стали и в пять раз больше ее прочности. Легкие и прочные автомобильные детали можно изготавливать путем смешивания УНВ с пластиком или резиной. Группа, возглавляемая профессором Яно Хироюки из Научно-исследовательского института устойчивой гумусферы при Киотском университете, исследует замену железа на углеродные волокна в кузовах и капотах автомобилей, что сделает автомобили более легкими и более экономичными.Это также снизит выбросы углекислого газа. В будущем CNF могут быть включены в корпуса самолетов, аналогичные углеродному волокну.

Изображение CNF через микроскоп (любезно предоставлено Nanocelluose Forum).

УНВ также можно использовать для изготовления прочного стекла, устойчивого к тепловой деформации. Поскольку волокна имеют наномасштаб (одна миллиардная метра), они пропускают видимый свет и могут быть переработаны в оптически прозрачные материалы. Обладая большой удельной поверхностью (площадь поверхности на единицу массы), CNF можно превратить в фильтры, собирающие мельчайшие частицы пыли, или в дезодоранты, поглощающие микроскопические пахучие вещества.Свежесть пищевых продуктов можно поддерживать с помощью упаковочных материалов, использующих пленку CNF в качестве раскислителя. УНВ очень вязкие в воде и могут использоваться в качестве добавки, придающей пище жевательные свойства.

Целлюлозу можно извлекать практически из всех растений, таких как деревья (пиломатериалы), солома (пшеница и рис) и стебли (кукуруза и хлопок), и такая широкая доступность означает, что ее воздействие на окружающую среду невелико.

Лидер фундаментальных исследований

Япония добивается значительных результатов в фундаментальных исследованиях УНВ.Бумажные компании обычно извлекают целлюлозу из древесных материалов для производства целлюлозы. Однако связи между нановолокнами в пульпе чрезвычайно прочны, и для равномерного расщепления этих связей требуется огромное количество энергии. Это было самым большим препятствием для коммерциализации CNF.

Профессор Исогай из Токийского университета в посольстве Швеции, Токио, 10 марта 2016 г. (фото Нагасавы Такааки).

Исследовательская группа под руководством профессора Исогая Акира из Высшей школы сельского хозяйства и наук о жизни Токийского университета обнаружила в 2006 году, что катализатор ТЕМПО, используемый в окислительных материалах, способствует естественному распутыванию волокон и позволяет эффективно извлекать УНВ.Благодаря этому химическому процессу электричество, необходимое для производства нановолокон, может быть уменьшено в 60–300 раз.

Профессор Исогай был отмечен за это открытие премией Ансельма Пайена Американского химического общества в марте 2015 года, присужденной французскому химику, открывшему целлюлозу. Isogai также стал первым в Азии обладателем Премии Маркуса Валленберга Швеции, известной как Нобелевская премия по лесному хозяйству, в сентябре 2015 года.

Движение к коммерциализации

Дисперсионная жидкость CNF (любезно предоставлена ​​Nippon Paper).

Столкнувшись с сокращением спроса на бумагу, производители бумаги активно занимаются НИОКР и коммерциализацией УНВ. Nippon Paper, вторая по величине компания по производству бумаги в Японии, в октябре 2013 года начала эксплуатацию демонстрационного производственного объекта (годовой объем производства более 30 тонн) с использованием процесса окисления катализатора TEMPO на своем заводе в Ивакуни. Компания также работает над применением CNF. Ей удалось разработать лист CNF с дезодорирующими и антибактериальными свойствами, и в октябре 2015 года компания начала продавать первые в мире подгузники для взрослых, в которых использовались CNF.

Ōji Holdings, крупнейшая бумажная компания Японии, в марте 2013 года совместно с Mitsubishi Chemical разработала непрерывный процесс производства прозрачных листов из 4-нанометровых УНВ. Листы легкие и складываются, как бумага, и из них можно превратить большие электронные дисплеи или солнечные элементы, которые при необходимости можно развернуть. Сосредоточившись на вязкости свойств CNF, Ōji Holdings также работает с Nikkō Chemicals над разработкой новых применений и функций CNF в качестве сырья для косметики.

Шариковая ручка Mitsubishi Pencil, Uni-Ball Signo 307, с чернилами с использованием CNF в качестве загустителя (любезно предоставлено Mitsubishi Pencil).

Mitsubishi Pencil начнет внутренние продажи шариковых ручек с гелевыми чернилами с использованием CNF в качестве загустителя в конце мая. Этот продукт уже был выпущен на рынки Европы и США в 2015 году. Чернила в этих ручках на 50% менее вязкие, чем в обычных шариковых ручках. , и написание остается без пропусков даже при быстрой строчке.

По словам профессора Яно из Киотского университета, хотя до того, как весь кузов будет сделан из CNF, пройдет некоторое время, можно ожидать, что в не столь отдаленном будущем автомобили будут включать пластиковые детали, армированные CNF.

Линии, нарисованные обычным пером слева и Uni-Ball Signo 307 справа (любезно предоставлено Mitsubishi Pencil).

Хотя ожидается, что CNF найдут широкий спектр применения, их высокая стоимость производства остается узким местом. Стоимость CNF составляет от 5000 до 10000 иен за килограмм, тогда как для стали стоит 200–200 иен, а для пластика — от 300 до 500 иен. Даже при смешивании с пластиком стоимость килограмма CNF превышает 3000 иен для углеродного волокна или 5000 иен для арамидного волокна. Однако фактором в пользу CNF является чрезвычайно низкая рыночная цена целлюлозы, ее сырья, которая составляет от 60 до 80 иен.Использование этого ценового преимущества может позволить быструю коммерциализацию CNF.

Опытные предприятия в Северной Европе и Северной Америке

Северная Европа и Северная Америка взяли на себя инициативу по созданию демонстрационных заводов. Innventia Group, научно-исследовательский институт по производству бумаги, играет центральную роль в Швеции в исследованиях коммерциализации CNF в координации с дочерней компанией. Группа начала эксплуатацию первого в мире пилотного завода по производству УНВ (ежедневное производство 100 кг) в феврале 2011 года.

Канада работает над применением и коммерциализацией нанокристаллов целлюлозы, которые даже меньше, чем CNF, посредством совместных исследований и разработок с участием промышленности, правительства и академических кругов. Совместное предприятие CelluForce начало эксплуатацию первой в мире демонстрационной установки с ЧПУ (ежедневная производительность 1 тонна) в январе 2012 года. В Соединенных Штатах Лесная служба Министерства сельского хозяйства создала пилотную установку с ЧПУ (еженедельная производительность 30 кг) в июле 2012 года.

Новая экономика биоиндустрии?

Правительственная стратегия возрождения Японии на 2015 год предусматривает разработку международных стандартов для CNF и содействие их использованию.Чтобы обеспечить широкое участие в этом процессе, при Национальном институте передовых промышленных наук и технологий был создан Форум по наноцеллюлозе (под председательством Яно Хироюки из Киотского университета) с целью снижения стоимости производства УНВ до 300 иен и превращения УНВ в единое целое. К 2030 году рынок составит 1 триллион йен.

Ватанабэ Масаёси, глава отдела бумажной промышленности, товаров народного потребления и рекреационных товаров Министерства экономики, торговли и промышленности, отмечает, что расходы резко упадут, если будет достигнуто массовое производство, что откроет путь к успеху. способ производства с использованием внутренних лесных ресурсов.Он надеется, что Япония сможет проявить инициативу посредством стандартизации.

Деревья, посаженные в Японии после Второй мировой войны, достигают стадии сбора урожая. Использование этих обширных лесных ресурсов для производства CNF дает Японии возможность перейти к экономике, основанной на новой индустрии биомассы.

Отчет и текст: Nagasawa Takaaki

Первоначально написано на японском языке и опубликовано 13 мая 2016 г. Фотография к заголовку: CNF, показанные под микроскопом (слева, любезно предоставлены Исследовательским институтом устойчивой гумусферы Киотского университета) и Жидкость для диспергирования CNF в химическом стакане, произведенная на демонстрационном предприятии Nippon Paper (любезно предоставлено Nippon Paper).

Извлечение нановолокна целлюлозы из лигноцеллюлозной биомассы: последние тенденции и применение

Название: Извлечение нановолокна целлюлозы из лигноцеллюлозной биомассы: последние тенденции и применение

ОБЪЕМ: 17 ВЫДАЧА: 7

Автор (ы): Риа Маджумдар, Умеш Мишра, Мутхусиварамапандиан Мутурадж и Бисванат Бхуния *

Принадлежность: Департамент гражданского строительства, Национальный технологический институт, Агартала, Трипура, Департамент гражданского строительства, Национальный технологический институт, Агартала, Трипура, Департамент биоинженерии, Национальный технологический институт, Агартала, Трипура, Департамент биологии Engineering, Национальный технологический институт, Агартала, Трипура

Ключевые слова: Химическая обработка, экологические проблемы, экстракция, лигноцеллюлозная биомасса, нановолокно, ремедиация.

Реферат:

Справочная информация: растения считаются важным сырьем для целлюлозы, хотя водоросли может использоваться как резервуар для добычи целлюлозы в чистом виде. Нановолокно целлюлозы экстрагированное из растений и водорослей привлекают все больше внимания исследователей из-за их размера в нанодиапазоне, низкая стоимость подготовки, большая площадь поверхности, доступная для настройки, выдающиеся механические свойства и экологически чистая природа.Однако качество нановолокна зависит от процедуры экстракции и сырье, используемое для их добычи. Кроме того, экстрагированное нановолокно из лигноцеллюлозной биомассы не совместим с жидкими и полимерными матрицами из-за меньшего количества функциональных групп присутствуют на их поверхности. Поэтому настоятельно рекомендуется понимать явный протокол, необходимый для извлечение высокоэффективных нановолокон из специфической лигноцеллюлозной биомассы и настройка поверхности стратегии, которые могут расширить их применение в различных областях.Настоящий обзор направлен на понимание различные полисахариды, лигнин и производство нановолокон целлюлозы в экономичной и эффективный способ с особым вниманием к его применению в экологических приложениях для смягчения токсичные загрязнители из нашего окружения.

Методы: исследовательские статьи, касающиеся типов целлюлозы, исходного сырья, физико-химических свойств, различных методы извлечения и преобразования, методы функционализации и приложения по уменьшению загрязнения окружающей среды были собраны и проанализированы.Эта обзорная статья состоит из разделов, в которых представить различные виды целлюлозы и наноцеллюлозы, сырье с последующей их экстракцией, характеристикой и применения для смягчения экологических проблем, таких как загрязнение тяжелыми металлами.

Результаты: исследования, выделенные в статье, детализировали типы протоколов экстракции, разработанные на данный момент и освещены стратегии, применяемые для улучшения основных свойств нановолокон для конкретных приложений.

Вывод: функционализированная или модифицированная целлюлоза и наноцеллюлоза привлекли значительное внимание. объясняется их уникальными характеристиками, физико-химическими характеристиками и эффективностью в рекуперация загрязняющих веществ в окружающей среде. Таким образом, дальнейшая эксплуатация таких природных ресурсов в целях смягчения последствий различных экологических проблем и других связанных приложений должны быть максимально увеличены.

Углеродное волокно, вот и целлюлозное нановолокно

ТОКИО — Конкуренция между исследователями, работающими над разработкой продуктов с использованием целлюлозного нановолокна, или CNF, прочного и легкого материала, полученного из растений, накаляется.

Mitsubishi Pencil добавляет в чернила для шариковых ручек CNF.

С 2015 года на рынке появился ряд продуктов, изготовленных с использованием CNF, в том числе одноразовые подгузники и шариковые ручки, поскольку материал перешел из лаборатории в практическое применение. В прошлом году многие компании, особенно в бумажной промышленности, начали установку оборудования для производства УНВ. Сейчас серьезное внимание привлекает чудо-материал «пост-углеродное волокно».

В декабре в Токио прошла выставка экологических товаров и услуг EcoPro 2016.Помимо бумажных компаний, таких как Oji Holdings и Nippon Paper Industries, машиностроительные и химические компании также представили CNF. Сатоши Хирата, секретарь Форума по наноцеллюлозе, который спроектировал стенд на CNF для выставки, был удивлен реакцией, сказав: «Пришло намного больше людей, чем мы ожидали».

NATURE’S WAY CNF получают путем отделения микроскопических растительных волокон от деревянных изделий с помощью машин и химикатов. Он весит всего одну пятую от стали, но в три-пять раз прочнее.В отличие от углеродного волокна, которое производится путем обжига акрилового волокна, полученного из нефти, CNF поступает из возобновляемых источников. «Это экологически чистый натуральный материал, поэтому сырье никогда не будет исчерпано», — сказал президент Oji Сусуму Ядзима.

Прозрачность — еще одно большое преимущество CNF. Это может быть полезно в таких продуктах, как гибкие дисплеи. CNF также хорошо сохраняет свою форму при нагревании, что означает, что он может иметь промышленное применение.

Поскольку материал часто изготавливается из древесной массы, бумажные компании, которые работают с целлюлозой в течение многих лет, берут на себя ведущую роль в развитии рынка.Nippon Paper в 2015 году выпустила одноразовые подгузники, изготовленные из CNF, используя один из его атрибутов: ионы, поглощающие запах. Oji разработал технологию, которая может превращать CNF в прозрачные листы.

Еще одна полезная характеристика CNF — вязкость. Mitsubishi Pencil, японский производитель пишущих инструментов, воспользовался этим свойством и добавил его в чернила для шариковых ручек. DKS поставляет CNF.

Он также используется для придания жесткости продуктам питания и косметике. По сравнению с обычными добавками, CNF более термостойкий, что упрощает достижение желаемой гладкости или липкости.В косметике он сочетает в себе шелковистость и вязкость.

Предвидя широкое применение в косметике и продуктах питания, Nippon Paper в этом году вводит в эксплуатацию завод CNF в префектуре Симанэ на западе Японии. Oji объявила, что в апреле начнет продавать загуститель на основе CNF. Продукт, вязкость которого от 10 до 100 раз превышает вязкость обычных загустителей, будет продаваться производителям косметики, потребительских товаров и красок.

CNF впервые был использован в качестве упрочняющей смолы в пластмассах и резине, которые используются во всем: от автомобилей до электроники и кроссовок.Подобно тому, как углеродное волокно впервые использовалось в относительно простых продуктах, таких как удочки и клюшки для гольфа, а по мере развития технологий оно стало применяться в автомобилях и самолетах, так и CNF найдет больше применений по мере того, как производители будут лучше знакомы с его свойствами.

Денежное дерево

Но для того, чтобы материал полностью раскрыл свой потенциал, необходимо снизить производственные затраты. В настоящее время производство CNF стоит от 5 000 до 10 000 иен (от 44,50 до 89 долларов США) за килограмм. Для сравнения: углеродное волокно составляет 3000 иен за килограмм, без учета больших различий в качестве.Сталь намного дешевле — 100 иен за килограмм.

На выставке EcoPro были представлены подгузники для взрослых Nippon Paper, изготовленные с использованием CNF.

Министерство экономики, торговли и промышленности Японии прогнозирует, что к 2030 году рынок CNF и сопутствующих товаров будет стоить 1 триллион иен, при условии, что экономия за счет масштаба и технологический прогресс могут снизить производственные затраты до 500–1000 иен за килограмм. Исследования того, как это сделать, продолжаются.

Киотский университет разработал технологию, которая может снизить затраты в 10 раз. В ней приняли участие исследователи из Oji, Nippon Paper и Seiko PMC. Эти исследователи разработали «Киотский процесс». Сначала пульпа проходит химическую обработку и смешивается со смолой в специальной машине. Это разбивает волокна на более мелкие кусочки диаметром всего несколько нанометров (миллиардных долей метра), что позволяет им легко проникать в смолу. Поскольку это измельчение и смешивание происходит за один этап, это может снизить затраты на производство CNF примерно до 1000 иен за килограмм.Nippon Paper построила производственное предприятие, использующее этот подход.

Помимо химической обработки, существуют механические методы производства CNF. Sugino Machine, производитель промышленного оборудования из префектуры Тояма, в 240 км к северо-западу от Токио, работает над этой проблемой. «Мы можем разработать собственное оборудование, необходимое для разрушения волокон, что является наиболее важным шагом в производстве нановолокон», — сказал представитель компании.

CNF получают путем отделения крошечных волокон от изделий из дерева.

Исследования и разработки также продвигаются вперед в Северной Европе, Канаде и США. Североамериканские материалы представляют собой нановолокна, но сильно различаются по размеру и называются нанокристаллами целлюлозы (CNC). Из-за различий в прочности и других характеристиках министерство промышленности Японии рассматривает CNC и CNF как отдельные продукты. Он работает над международными стандартами CNF.

КЛЮЧЕВОЕ СЛОВО: Волокна, армирующие пластик

Волокна часто используются для улучшения характеристик пластмасс, которые сами по себе не обладают прочностью стали, необходимой для использования в таких продуктах, как детали автомобилей и самолетов.Типичными примерами являются стекловолокно и высокоэффективные углеродные волокна. Такие материалы можно использовать вместо металлов во многих областях.

Пластмассы, армированные углеродным волокном (CFRP), все чаще используются в автомобилестроении и авиастроении. Термин «пластик, армированный волокном» (FRP) часто относится к пластмассам, в состав которых входит стекловолокно. Они используются, например, в автомобильных кузовах и ветряных турбинах. Хотя они не так прочны, как углеродное волокно, они дешевле и придают пластику дополнительную прочность.