由Marie-Isabel Popzyk,维克托•雷蒙和托马斯葛瑞斯
项目的介绍和动机GreenBraid
生物复合材料——天然纤维增强复合材料结构应用已经证明了他们的物质能力的不同程度的聚合——微观(纤维),内消旋(纺织)和宏观(部分)的水平。生物复合材料的路上打玻璃复合材料机械性能和最小的环境影响。许多有前途的产品已经被证实,但大多为小型利基市场的产量。申请中型到大型产量是开发高生产参数。
玻璃纤维增强复合材料的应用(GFRC)是广泛应用于轻型结构在各个领域的应用,例如在航空航天工业。然而,GFRCs仍然有一些严重的环境缺点:生产原料的玻璃纤维在能源成本较低的国家,比如中国,以及长时间运输距离的原材料到欧洲。此外,需要大量的能量生产的玻璃,与高二氧化碳(有限公司2)排放。生产一吨的玻璃纤维,30焦耳(GJ),或8300千瓦时(度),是必需的,和4800千克(公斤)的公司2生成[MPB11]。
天然纤维如亚麻纤维,有可能替代玻璃纤维由于其力学性能,从而减少对环境的影响造成GFRC的使用。特别是,有限公司2天然纤维的足迹远低于玻璃纤维。生产一吨的天然纤维,只需要5 GJ 800公斤有限公司2生成[MPB11]。因此储蓄相比,玻璃是83%。此外,高质量的亚麻纤维,是适用于结构组件生产在法国,比利时和荷兰,[BS13]虽然玻璃纤维大多产生在遥远的国家,特别是在中国。因此,可以大大减少环境负荷的短纤维的运输。使用天然纤维增强复合材料(NFRC)可以进一步减少对环境的影响,因为NFRCs适合级联使用由于其自身能量高(BS13),不像GFRC,不必沉积结束后使用。相反,废渣生产的半成品可以堆肥是必需的,因为纤维是一种天然产品。NFRC产品时可以再次融化热塑性矩阵是矩阵可以分开,因此使用天然纤维。天然纤维可以在注塑模具中重用。热塑性矩阵可以在各种应用程序中重用。此外,在组件的情况下与热固性矩阵——也在热塑性矩阵——自给自足的情况下可以通过级联完全恢复使用。 Therefore, an environmentally damaging landfill is not necessary for NFRC.
然而,仍然有挑战所有的优点:在复合材料、增强纤维负载方向必须一致为了能够利用的最大复合纤维的力学性能。这并不是一个问题,与玻璃纤维,因为他们生产综合和几乎是无穷无尽的。进一步处理的玻璃纤维织物,例如通过编织,可以直接进行以下处理步骤。天然纤维,另一方面,基本上都是短纤维,也就是说纤维定义30到100毫米的长度。现有技术是形成这些短纤维条子,为进一步处理提供足够的力量像编织通过转折纤维包。然而,这种捻纱使纤维的复合组件不再加载方向。因此,他们的力量不能被充分的利用。因此,天然纤维迄今为止只被用于非结构性部分没有加载,在无形的地区,例如,汽车内部门镶板。
传统和生物复合材料的主要问题是成本相对较高的平均每公斤30欧元的结果还是劳动密集型制造业的过程。因此,生物复合材料的市场很难打开,留下许多有前途的可持续技术开发。但这种新材料的市场正以每年100000吨的速度在该行业的登上NFRC市场。2005年,NFRC卷在汽车行业[KOG + 06]只有30000吨。
当使用NFRC,相同的力学性能达到与GFRC额外的高阻尼能力。亚麻纤维的高阻尼容量相同的力学性能允许的应用非常广泛NFRC在汽车和运动器材如曲棍球杆和高山滑雪。碳和玻璃纤维复合材料适用于有限,已知部分亚麻纤维更好的机械性能。
项目的目的是减少能源消耗75%的纤维增强复合材料产品在相同的过程成本曲棍球棒的使用例子(见图1)。的方法是消除在旋转过程中流程步骤和增加在预成型生产的自动化水平。曲棍球棒制造作为一名示威者,而由于其复杂的弯曲几何,作为平台技术进行进一步的应用。示威者是玻璃纤维曲棍球棒。未来的研究将提供知识基础转移到应用程序像风车叶片,压力容器或汽车摩托车。在这个项目的帮助下,这个行业能够产生生物复合材料的高性能材料。
方法
曲棍球棍的小说亚麻纤维由亚麻辫子形成泡沫的核心,由树脂真空压力浸渍使用弹性管状金属箔。在编织亚麻纤维纺与低/无捻纱使用一种特殊的纺丝技术。方法是新的和严重依赖专用设计的辫子。
将纺丝技术
的特殊方法包装使用旋转技术,卷绕丝的亚麻纤维的拉条子。核心仍然是无捻和卷绕丝完全固化(见图2)。之后可以编织包纱和树脂低粘度环氧树脂。
首次通过这种方法,它是可以使用的,环保的天然纤维作为增强纤维在复合材料结构的应用程序,从而替代玻璃纤维。天然纤维长度有限,从而可以进一步通过传统加工表面形成方法和引入复合组件完全对齐的方式。
图3显示了包装与亚麻纤维纱核心和尼龙6 6长丝。低捻亚麻粗纱的计数400特克斯从法国购买Safilin。画的比例是0粗纱由于已经很好。圈丝被包裹在粗纱100绕组每米。牵拉速度每分钟20米,但如果需要可以大大提高没有纱线断裂发生。
编织过程
网状的纺织结构,称为内预先形成的复合材料行业,可以产生一个径向编织过程。在这个过程中,碳和玻璃纤维可用于over-braid围心轴(见图4)。
这个过程可以用于生产弯中空结构例如曲棍球杆等汽车零部件或运动的文章。径向编织已经用于大规模生产宝马集团,德国。一些组件的i - m系列汽车集成在体内使用玻璃和碳纤维。
新奇的框架研究的能力,过程也生物纤维如亚麻或亚麻纤维包装的创新过程由于纺丝技术和优化机器设置。
优化工艺参数对编织是由两个相互冲突的标准。首先是由编织过程为了不打破纱线;从产品的设计另一个驻留。编织是一个高度自动化的过程涉及到一个广泛的准备机器,破损会增加成本恢复过程。然而,第一个结果的编织亚麻纤维如图5所示。
这个结果显示了过程能力通过设置机正常。但是仍有一些破碎的细丝,将导致力学性能下降。因此,ITA已经开发了一个概念以纤维载体筒子,旨在减少纤维损伤,甚至设置过程中纤维张力调整弯曲的曲棍球棒。这也将导致更好的纤维分布曲线的产品领域。自动化的概念将专利和载体,因此,这里不详细讨论了。
前景
本研究下一步调整纤维结构来实现力学性能与玻璃纤维复合材料和机械性能进行评估。编织的方法是修改后的亚麻在芯棒和减少测试标本软管。测试样本将被整合和测试。生产的试样径向编织机赫尔佐格射频144 - 100/1使用。弯曲和影响行为进行分析。此外,纤维损伤的数量需要识别并与损害使用新设计的筒子。为此,至少10套环将建造和安装在这台机器。
引用
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[KOG + 06] Karus m;Ortmann,美国;Gahle c;Pendarovski C。:Einsatz冯Naturfasern Verbundwerkstoffen毛皮死Automobilproduktion在德国冯1999双29005。Nova-Institut。Hurth, 2006年11月。访问http://www.nova-institut.de/pdf/06-11NF-VerbundAutoD.pdf, 2017年1月25日
编者笔记:Dipl.-Ing。Marie-Isabel Popzyk;维克托•雷蒙moran的。和托马斯葛瑞斯博士,教授和负责人;毛皮Textiltechnik研究所,纺织机械和过程亚琛工业大学的研究机构,德国,促成了这篇文章。感谢确认去研究协会研究项目的欧洲之星“GreenBraid”。作者还要感谢项目合作伙伴NPSP和荷兰曲棍球都位于荷兰和德国Barthels-Feldhoff。
2017年6月
