고밀도 바인더 없는 바이오 소재의 생산은 본질적으로 단축 열간 압축 공정을 추진하기 위한 가열 기능을 갖춘 고하중 유압 실험실 프레스에 의존합니다. 이 장비는 재료를 물리적으로 압축하기 위한 상당한 정적 압력과 천연 결합제를 화학적으로 활성화하기 위한 정밀한 열 에너지를 동시에 적용하기 때문에 필수적입니다. 이 조합 없이는 바이오매스 입자가 합성 수지 없이 구조 재료를 형성하는 데 필요한 재배열 또는 자체 결합을 달성할 수 없습니다.
외부 접착제 없이 견고한 바이오 소재를 만들려면 재료의 내부 화학 작용을 활성화해야 합니다. 고압은 밀도를 최대화하기 위해 물리적 공극을 제거하고, 고열은 리그닌을 연화시켜 천연 접착제 역할을 하도록 하여 강력한 분자간 결합을 가능하게 합니다.
압축 성형에서 고압의 역할
입자 재배열 강제
바이오매스 원료는 일반적으로 상당한 내부 기공률과 불규칙한 입자 모양을 포함합니다. 높은 정적 압력은 이러한 입자를 더 가깝게 밀어 넣는 주요 메커니즘입니다.
내부 공극 제거
고하중 하에서 입자 사이의 공극이 붕괴됩니다. 이 물리적 압축은 최종 제품의 기계적 파손의 주요 시작점인 내부 공극을 제거합니다.
구조적 무결성 달성
PMMA와 같은 열가소성 수지의 가공과 마찬가지로, 고압 환경을 설정하는 것은 재료가 금형의 모든 부분으로 흐르도록 보장하는 데 중요합니다. 이는 밀도 구배를 줄여 최종 재료가 전체 형상에 걸쳐 균일한 강도를 갖도록 합니다.
화학 활성화에서 열의 역할
리그닌 가소화
"바인더 없는" 재료의 정의 요구 사항은 바이오매스에 존재하는 천연 폴리머인 리그닌의 활성화입니다. 프레스의 가열 기능은 리그닌의 연화 및 가소화를 유도합니다.
바이오매스를 접착제로 전환
열에 의해 가소화되면 리그닌은 단단한 고체에서 유동 가능한 상태로 전환됩니다. 이를 통해 주변 섬유를 코팅하고 천연 매트릭스 역할을 하여 독성 합성 수지의 필요성을 효과적으로 대체할 수 있습니다.
화학적 가교 촉진
고온은 헤미셀룰로스의 화학적 재구성을 촉진합니다. 이 재구성은 냉각 시 압축된 구조를 영구적으로 고정하는 화학적 가교 및 분자간 힘의 형성을 가능하게 합니다.
운영상의 절충점 이해
온도와 분해 균형
가소화에는 열이 필요하지만, 활성화와 분해 사이에는 미묘한 차이가 있습니다. 과도한 온도는 바이오매스를 태우거나 셀룰로스 섬유를 분해하여 최종 재료의 기계적 강도를 크게 감소시킬 수 있습니다.
압력 균일성 대 밀도 구배
고하중을 적용하는 것은 효과적이지만, 압력 분포가 균일하지 않으면 재료가 밀도 구배로 인해 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 일부 영역은 밀도가 높고 강하지만 다른 영역은 다공성이며 약한 제품으로 이어져 예측할 수 없는 선형 수축률을 초래합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
바인더 없는 바이오 소재에 대한 장비 매개변수를 선택할 때 특정 목표가 설정을 결정해야 합니다.
- 기계적 강도가 주요 초점인 경우: 총 공극 제거 및 높은 입자 맞물림을 보장하기 위해 최대 하중에 우선순위를 두십시오.
- 엄격하게 바인더 없는 결합이 주요 초점인 경우: 열 분해를 유발하지 않고 리그닌 가소화를 최대화하기 위해 정밀한 온도 제어에 우선순위를 두십시오.
- 치수 안정성이 주요 초점인 경우: 변형 및 불균일한 수축을 방지하기 위해 프레스 플래튼이 균일한 열 및 압력 분포를 제공하도록 하십시오.
압력과 열 사이의 상호 작용을 마스터하면 폐 바이오매스를 천연적으로 고성능 엔지니어링 재료로 변환할 수 있습니다.
요약 표:
| 특징 | 바이오 소재 합성에서의 기능 | 최종 제품의 이점 |
|---|---|---|
| 고정 압력 | 입자 재배열을 강제하고 공극을 붕괴시킵니다. | 공극을 제거하고 기계적 강도를 증가시킵니다. |
| 열 가열 | 천연 리그닌을 연화시키고 가소화합니다. | 합성 수지를 대체하는 천연 접착제 역할을 합니다. |
| 화학 활성화 | 헤미셀룰로스 가교를 유발합니다. | 영구적인 구조적 무결성과 안정성을 보장합니다. |
| 정밀 제어 | 열 분해를 방지하기 위해 열을 균형 있게 조절합니다. | 밀도를 최대화하면서 섬유 강도를 보존합니다. |
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참고문헌
- Julie Cavailles, Pierre-Yves Pontalier. Influence of Thermocompression Conditions on the Properties and Chemical Composition of Bio-Based Materials Derived from Lignocellulosic Biomass. DOI: 10.3390/ma17081713
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