En ny sandwich-struktureret komposit fra biopolymerer til bygningskappeapplikationer

Kunsten at bygge en klimaskærm

Bygningens klimaskærm er en væsentlig del af en bygningskonstruktion, der beskytter beboerne mod ydre miljøpåvirkninger, herunder sol, regn, sne, vind og forurening. Dette passive flerlagselement er vigtigt for energieffektiviteten og for at opretholde sundheden og komforten for beboerne i bygningen. Processen med luftlækage, varmeoverførsel og fugtdiffusion kan have betydelig effekt på bygningens klimaskærm. For eksempel i kolde klimaer er massekoncentrationen af ​​vanddamp på det indre af bygningen højere end det ydre, hvilket forårsager migrering af fugt gennem bygningens vægge.

Som et resultat kan diffus fugt fremme skimmelvækst, hvilket reducerer effektiviteten af ​​isolering og forringelsen af ​​bygningsskalmaterialer. På nuværende tidspunkt er der en række barrieremembraner i brug inden for byggeindustrien, som omfatter plastfolie og stiv skumisolering. Blandt disse materialer bruges polymerer i stigende grad til at bygge konvolutter. Materialeforskere bruger polyethylenekstruderede plader som en fremtrædende dampbarrieremembran; men overdreven brug er skadelig for miljøet.

Materialsammensætningen

Da polyhydroxyalkanoat og polymælkesyre er væsentlige biopolymerer i plastindustrien, og nyere arbejde har set brugen af ​​vedvarende cellulosebaserede fyldstoffer som polymerkompositter. I dette arbejde udviklede Chomachayi og kolleger derfor en ny sandwichstruktureret barrieremembran fra biobaserede materialer, hvor de tilføjede polyhydroxyalkanoat til overfladelagene af membraner på grund af dets fremragende dampbarriereegenskaber og derefter tilføjede polymælkesyre som mellemlaget sammen med cellulosemikrofibre. for miljømæssige og økonomiske fordele.

Forskerne karakteriserede de forberedte sandwich-kompositter i forhold til deres morfologi, termiske stabilitet, mekaniske egenskaber og dampbarriereydelse. De gennemførte derefter en holdbarhedstest for at undersøge effekten af ​​accelereret ældning på materialernes mekaniske og barriereegenskaber.

Forskerne undersøgte overflademorfologien af ​​cellulosemikrofibre før og efter modifikation og undersøgte resultaterne med scanningelektronmikroskopi. For at give ruhed på cellulosefibrene inkorporerede teamet sfæriske silicananopartikler med en nanoskaladiameter, hvor de udledte nanopartiklerne fra hydrolyse og nukleering af tetraethylorthosilicat-forstadiet på cellulosefibrene.

Ved hjælp af Fourier transform infrarød analyse bestemte Chomachayi og kolleger den kemiske struktur af cellulosemikrofibrene før og efter sol-gel modifikationen. Forskerne karakteriserede de forberedte sandwich-kompositter i forhold til deres morfologi, termiske stabilitet og mekaniske egenskaber.

Handlingsmekanisme

I sin virkningsmekanisme, under sol-gel-modifikationen af ​​cellulosemikrofibre med tetraethylorthosilicat og hexadecyltrimethoxysilan, blandede holdet de kombinerede materialer i en dispenser og inkluderede siliciumdioxidnanopartikler på materialets overflade. Efter reaktionen centrifugerede de blandingen og fik hydrofile cellulosemikrofibre, som de frysetørrede i to dage og formalede for at opnå et cellulosepulver. For at forberede de sandwich-strukturerede membraner skabte de polymælkesyre/cellulose-mikrofiber-mellemlagskompositter gennem opløsningsmiddelstøbning og vakuumtørrede PHA-pellets natten over for at fjerne fugt.

Forskerne udviklede derefter sandwich-strukturerede kompositter via kompressionsstøbning og karakteriserede dem via en række metoder, herunder scanningselektronmikroskopi, kontaktvinkelmålinger, termogravimetriske analyser og differentiel scanningkalorimetri.

For at vurdere virkningen af ​​sol-gel-modifikation på hydrofobicitet af cellulosemikrofibre undersøgte de resultaterne ved hjælp af kontaktvinkelmålinger. For eksempel var kontaktvinkelværdierne for kombinerede cellulosemikrofibre og hexadecyltrimethoxysilan højere end de ubehandlede overflader. Holdet udførte en række eksperimenter for at karakterisere materialets overfladesammensætning, konstruktionernes kemi og deres mekaniske egenskaber.

Da begrebet materialeholdbarhed har vundet betydelig opmærksomhed i Canada, forsøgte teamet for eksempel at vurdere levetiden af ​​polyethylenplader til langtidsbrug under dampspærremembranapplikationer.

Outlook

På denne måde udviklede Masoud Dadras Chomachayi og teamet en sandwich-struktureret membran ved hjælp af biobaserede materialer, som omfattede polyhydroxyalkanoat, polymælkesyre og cellulosemikrofibre. Barrieremembranerne regulerede migrationen af ​​vanddamp gennem væggene for at forhindre fugtophobning og langtidsstabilitet af byggematerialerne. Forskerholdet udviklede flerlagskompositter ved hjælp af polyhydroxyalkanoat-plader og fibre forstærket med polymælkesyrekompositter for at skabe modificerede cellulosemikrofibre beklædt med sfæriske silicananopartikler på overfladerne.

Hydrofiliciteten og den termiske stabilitet af cellulosemikrofibrene blev også forbedret efter sol-gel modifikationsprocessen. Resultaterne viste, hvordan Youngs modul af materialerne steg ved at inkorporere to nøglematerialer i kompositterne. De vellykkede resultater symboliserer biopolymerers potentiale til at være nyttige alternativer til konventionelle oliebaserede materialer under byggeanvendelser. Yderligere undersøgelser sigter mod at øge fleksibiliteten af ​​kompositterne til bredere anvendelser.

Flere oplysninger: Dadras Chomachayi et al., Udvikling af en ny sandwich-struktureret komposit fra biopolymerer og cellulosemikrofibre til bygningskappeapplikationer, Videnskabelige rapporter (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49273-0

Journaloplysninger: Videnskabelige rapporter

© 2023 Science X Network