בחיפוש אחר הנדסה בת קיימא, חומרים המבוססים על ביופוימר הופיעו כחלופה משכנעת לפלסטיקים מבוזרים ומורכבים קונבנציונליים. מוצאם המתחדש, הביודידות, והפחתת טביעת רגל הפחמן הופכת אותם אטרקטיביים עבור תעשיות החל מאריזות למכשירים ביו-רפואיים.עם זאת, הפריסה המוצלחת של חומרים אלה בעומס וביישומים מבניים מחלחלים על הבנה מעמיקה של התנהגותם.

הנוף של חומרים המבוססים על ביופומרימר

ביופוחיות הן מאקרו-מולקוליות פולימריות מסונתזות על ידי אורגניזמים חיים או נגזרות מביומסה מתחדשת.הם משתרעים על ספקטרום רחב של מבנים כימיים ונכסים, אך הם חולקים מקור משותף במזונות בר קיימא.הביופוחיות המלומדות והרלוונטיות ביותר מבחינה מסחרית כוללים:

  • (FLT:0) חומצה פולילקקטית (PLA)BuildFLT:1) - המיוצר מכוכב צמחי מותס (למשל, תירס, סוכרקני), PLA הוא אחד הביופלסטים הנפוצים ביותר.הוא מציג נוקשות טובה ושקיפות אבל סובל מערעור טבורות, מה שהופך ניתוח שבר קריטי במיוחד עבור העיצוב שלו.
  • (FLT:0) פוליקלוקסלקטנוטס (PHAOVA)FLT:1 - משפחה של פוליסטרים המיוצרים על ידי תסיסה חיידקית של סוכרים או לימפואידים. PHAs הם ביו-מעודכן לחלוטין ויכולים להיות מותאמים למגוון של תכונות מכניות, החל מבירה ועד elastomeric.
  • (ב) [17]0 (Cellulose and its נגזרותFIRLT:1) - צלולוז הוא פולימר טבעי בשפע ביותר על פני האדמה. Cellulose ננופיברים וננוקריסטלים משמשים יותר ויותר כמו מילוי מחדש של ביופוחיות, שיפור קשיחות השבירה.
  • (FLT:0) פלסטיק מבוסס על Starch 1 (Ralph) - מדכמת תרמופלסט (TPS) מעובדת על ידי הרס עמילן יליד עם הפלסטיים.זה זול ובעל יכולת ביולוגית גבוהה, אך יש לו רגישות גבוהה לחות וכוח מכני גרוע, לעתים קרובות הדורש שילוב עם פולימרים אחרים.
  • (FLT:0) צ'יטונסיבפל 1 (בצורה בפגזי קרום), צ'יטוסאן הוא ביו-אי-תואמים ואנטימיקרוביאל, המשמש בלבושות הפצע ומערכות משלוח סמים שבו ההתנגדות השבירה היא קריטית לתפקוד.
  • (FLT:0) ביופוחיות מבוססות ביופואלימרן 1 (FLT:1 ), כגון חלבון סויה, ג'לטין, ו-zein.חומרים אלה משמשים לעתים קרובות בסרטים וציפויים, אבל התנהגותם השבירה תלויה מאוד בתוכן הפלסטיצר ולחות סביבתית.

בעוד המגוון של ביופוחיות מציע צדדיות, זה גם מציג מורכבות בחיזוי ולשלוט מצבי כישלונות. ניתוח Fracture מספק את הבסיס המדעי להתאים את החומרים האלה לדרישות הנדסיות ספציפיות.

מדוע ניתוח חומרים עבור biopolymers

ניתוח פלסטי אינו רק פעילות אקדמית; הוא חיוני כדי להבטיח עמידות, בטיחות, וארוכותיות של מוצרים המבוססים על ביופוימר, בניגוד לפלסטיקים קונבנציונליים, ביופוחיות לעתים קרובות להציג התנהגויות מורכבות יותר בשל הרגישות הטבעית שלהם, הטבע היגסקוי, רגישות לעיבוד התנאים.

  • (FLT:0) עיצוב נגד כשלים קטסטרופליים (FLT:1) - לקבוע את גורמי עוצמת הלחץ הקריטיים או את שיעורי שחרור האנרגיה המובילים לפצח.
  • (FLT:0)Optimize פרמטרים עיבוד של 1FLT - הזרקת עובש, חדירה, ותנאי הדפסה תלת מימד משפיעים באופן משמעותי על המיקרו-מבנה וכתוצאה מכך, ההתנגדות השבירה של חלקי ביופומרימר.
  • (FLT:0) ניסוחים חומריים של ההרחבה (Develop) 1 Evolutions) – שילוב מלאנים, הפלסטיקים או שילוב עם פולימרים אחרים יכול לשפר את הקשודות מבלי להתפשר על ביו-דידה.
  • (FLT:0) שירות החיים של FLT:1 - על ידי יצירת צמיחה סדקים קריטי תחת סטטי (creep) או טעינה מחזורית (fatigue), מהנדסים יכולים להקים חלונות הפעלה בטוחים.
  • (FLT:0) באופן בלעדי עם סטנדרטים של קונסול 1 - יישומים רבים, במיוחד במכשירים רפואיים ובאריזות, דורשים נתונים של שברים כדי לעמוד בנורמות רגולטוריות (למשל ISO 13586 עבור פלסטיק).

דחיפה לקראת הנדסה בת קיימא דורשת כי מרכיבים ביופומריים מבוצעים באופן אמין בתנאים ריאליים.ללא הבנה חזקה של שבר, אימוץ חומרים אלה ביישומים מבניים יישאר מוגבל.

מנגנונים של מנגנונים ביופובלימרים

הנפיחות ביופוחיות יכולה להמשיך באמצעות מספר מנגנונים נפרדים, לעתים קרובות לפעול בשילוב בהתאם לסביבת המיקרו והטעינה החומרית.מצבי השברים העיקריים שנצפו במערכות ביופומליות הם:

Transgranular Fracture

ביופוחיות סמיקלליין כגון PLA ו- PHA, סדקים עשויים להפיץ או דרך lamella גבישי (transgranular) או לאורך הגבולות בין spherulites (intergranular) הדומיננטיות של מצב אחד על השני תלוי במידה של גבישי, גודל spherite, ואת הכוח של קשרים בין lamellarolient).

מיקרו-חופשית Coalescence ו Crazing

רבים ביופוחיות, במיוחד כאשר מפלסטיק, עוברים זעזוע נרחב לפני שבר. Crazes הם פגמים דמויי סדק על ידי fibrils של פולימר מוכוון.ב PLA, היווצרות של זעזועים מרובים יכול לפסול אנרגיה משמעותית, עיכוב של כשל קטסטרופלי.עם זאת, פעם קריסת זעזועים, microples פחם לתוך סדק קריטי.

Fatigue Fracture

טעינה Cyclic גורמת להצטברות נזק מתקדמות ביופוחיות, אפילו ברמות הלחץ הרבה מתחת לחוזק שבר מונוטוני. שבר Fatigue ב PLA ו PHA נחקר תחת לחץ מתח ותנאים מבולדים. קצב הפחתת העייפות עוקב אחר משטר החוק בפריז, עם exponent בדרך כלל גבוה יותר מאשר פולימרים המבוססים על נפט, המציין רגישות רבה יותר ללחץ סביבתי כמו גורמים לטמפרטורות לחות ועייפות באמצעות ירידה פלסטיק.

מתח סביבתי (ESC)

ביופוחיות הן רגישות במיוחד ללחץ סביבתי סדקים כאשר נחשפים למים, חומצות או פותרים אורגניים.לדוגמה, PLA עובר משקעים שרשרת מהירה באמצעות הידרוליזה בסביבות מוזרות, המוביל לאובדן משקל מולקולרי וגילוי. בדומה, חומרים המבוססים על כוכב הלכת נפיחות בתנאים לחות, אשר יכול לגרום ללחץ פנימי וקידום ESC הוא מצב ביולוגי דומיננטי הדורש מצופה, ציפוי חומרים מגנטיים ומבחר חומרים משומרים.

המונחים: ti-Matrix Debonding in Composites

כאשר ביופוחיות מתחזקות עם סיבים טבעיים (למשל, flax, Jute, hemp, nanocellulose), שבר לעתים קרובות יוזם בממשק סיבי-מטריקס. adhesion interfacial מסכן מוביל לדהור מוקדם, היווצרות רִיק, וצמצם קשיחות מורכבת.

שיטות לבדיקת קוסמטיקה של Biopolymers

(ב) כמה שיטות סטנדרטיות ומחקריות מועסקות לאפיין את התנהגות השבעה של חומרים ביו-פומריים.בחירה של שיטה תלויה בצורת החומר (סרט, גיליון, בר מעוצב), תנאי הטעינה (סטטית, דינמי, עייפות), ואת הפרמטרים השבירים של עניין (למשל, KFLT:0ICFLT:1, JFLT2: LT2ICRRE, 3, 3, 4, 4 LT5).

Single-Edge Notch Bending (SENB)

מבחן SENB, המוגדר ב- ASTM D5045 ו- ISO 13586, הוא השיטה הנפוצה ביותר לקביעת קשיחות השבר של המטוס KIRFLT:0ICIRLT:1 של חומרים פולימרים. A nochedדג טעון בשלוש נקודות בריצה, והעומס הקריטי בשבר משמש כדי למקם את KFLT:2ICFalph3 עבור טיפול ביו-פעמי, חייב להיות קשה על ידי טיפול ביו-קפטי (Rrecreecterto) על ידי פריך על ידי פריך (Ricupreectercreecter).

מדד Charpy and Izod Impact Testing

בדיקות השפעה (ASTM D256, ISO 179) מודד את האנרגיה שנספגת במהלך שבר עתיר של דגימה לא מצופה. בעוד ערכים צ'רפי ו- Izod אינם תכונות שבר פנימי, הם משמשים נרחב לשליטה איכותית והשוואה של קשיחות חומרית.ביופוחיות עם השפעה נמוכה, כגון PLA לא ממות, עשויים לדרוש בדיקות בטמפרטורות תת-עמימות או עם כלי להשגת נתונים משמעותיים כדי להשיג נתונים.

עבודה חיונית של Fracture (EWF)

שיטת EWF (ISO 19441-1) מתאימה במיוחד לסרטים דקים וגליונות ביופומריים דוקטריים. היא מפרידה את אנרגיית השברים הכוללת לשני מרכיבים: העבודה החיונית שמפולגת באזור התהליך (בקשר לטיפ הפצח) ואת העבודה הלא-הרגישה באזור הפלסטיק החיצוני. EWF הוחלה בהצלחה ללמוד שבר בסרטים צלולים, כוכבים, ומחוללים מפלסטיק, תוך כדי מתן תובנה מפלסטיק.

J-Integral Testing

עבור ביופוחיות קשוחות ודונות שאינן מספקות את דרישות הגודל של מכניקת שבר ליניארית-אלסטית, שיטת J-integral (ASTM E1820) משמשת.The JIRLT:0 (ICFLT:1 הערך מייצג את קצב שחרור האנרגיה הקריטי הנדרש כדי ליזום צמיחה יציבה של סדק.

מבחן כפול Cantilever Beam (DCB) ו-T-Peel Tests

אנרגיית שבר אדמדסבית היא בעלת חשיבות מסוימת ב- biopolymer laminates וציפוי.D.B. מודדת את קצב שחרור האנרגיה הקריטי GIRFLT:0ICFLT:1 עבור פתח שבר מצב, בעוד בדיקות T-peel (ASTM D1876) משמשות לסרטים גמישים.

מיקרוסקופיה ו- In-Situing

סריקת מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM), מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM), ומשלוח אלקטרונים מיקרוסקופיה (TEM) מספקים הדמיה מפורטת של משטחים שבורים ותהליכי פציפ. in-situ SEM או מיקרוסקופיה אופטית במהלך טעינה מכנית מאפשר התבוננות בזמן אמת של גילוח, debonding, ו-Ragation.טכניקות אלה הן בלתי valable עבור correlating microscopyreativescopyation תכונות מיקרו-מחדשניות (מחדשניות).

גורמים המשפיעים על התנהגות של ביופוחיות

ההתנגדות השבירה של חומרים ביו-פומריים נשלטת על ידי משחק מורכב של גורמים פנימיים וחיצוניים.הבנת הפרמטרים הללו היא המפתח לתכנון מערכות ביופומריות שעומדות בפני מטרות ביצועיות הנדסיות.

מבנה מולקולרי ואדריכלות שרשרת

משקל מולקולרי, פולידיספרסיות, סטריאוכימיה, וחלוקת השפעה עמוקה על שבר. משקל מולקולרי גבוה משפר בדרך כלל את הקשידות על ידי שיפור צפיפות הסבך של שרשרת, אשר מקדם עיוות פלסטיק.עבור PLA, היחס של L- ו D-D-lactic acid יחידות (stereoכימיה) משפיע על גבישי, בתורו, התנהגות שבר. Amorphous PLA (למשל, 100% חומצה ליקרנית) עם לחץ דם קליקאלית (דלקתית) עם חום) עם חום (דלקתית) עם השפעה על חום חום (דלקתית) עם דלקתית (דלקתית) עם דלקת ריאות) עם דלקתית (דלקת ריאות) עם דלקת ריאות (דלקת ריאות) הוא יותר מאשר דלקת ריאות).

קריסטל ומורפולוגיה

אזורי קריסטל פועלים כקשרים פיזיים ומקיפים את החומר, אבל הם גם משמשים כנציגים מתחים. גבישים גבוהים בדרך כלל מפחיתים את הדלונות ומצמצמצמים את קשיחות השבורות, אלא אם כן מבנה לימלר בעל מבנה שופע מולקולות.Annaling biopolymers בטמפרטורות שונות יכול לשנות גודל pherulite וגבימיות, המאפשר אופטימיזציה של התנגדות עבור frac, לדוגמה קירור מהיר (afic) עם מבנה biopolymersic) עם טמפרטורות איטי יותר מאשר טמפרטורות קשיחות איטיות גבוהה יותר מאשר טמפרטורות איטיות יותר מאשר טמפרטורות איטיות יותר מאשר טמפרטורות איטיות יותר מאשר טמפרטורות שונות.

פלסטיק ותוספות אחרות

הוספת פלסטיקי משקל נמוך (למשל, גליקול, triethyl citrate, פוליאתילן גליקול) מפחית את טמפרטורת המעבר הזכוכית ומשפר ניידות מולקולרית, ובכך מגביר את הדלונות ואת כוח ההשפעה. עם זאת, הפלסטיזציה מוגזמת יכולה להפחית נוקשות והתנגדות. Balancing אלה עסקאות דורש ניסוחים זהירים.

מילוי וחילונות

ממלאים טבעיים כמו ננוקריסטלים צלולים, צינורות פחמן, וננו חלקיקים חימר משולבים ביופוחיות כדי לשפר את התכונות המכאניות.הקשות השבירה יכולה להגדיל (אם קשר בין-גזעי חזק וסדקים השתקפות להתרחש) או ירידה (אם מילוי agglomeration מספק נתיבים קלים), גודל וכימיה של חיזוק הם קריטיים, למשל, כגון גירוי אנרגיה, על ידי גירויים על ידי מנגנונים חיוניים של מנגנונים של מנגנונים נקבוביות, 000.

תנאי עיבוד

הזרקת עובש, חדירה, עובש דחיסה, וייצור תוספים כל אחד מהם מקנה מיקרו-אורגניזמים נפרדים ולחצים שאריות. שיעורי Shear גבוהים וקירור מהיר של הזרקה יכול לייצר שכבת עור מוכוונת מאוד עם קשיחות מוגברת לאורך כיוון זרימת הזרם, אבל קווים סטרסר חלש יכול ליצור אתרי סדקים שבורים. 3D-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-ד-מוטבע לעתים קרובות להציג התנהגות שבר בשל שכבת-ידי שכבת-שכבת, עם שכבת-שכבת-שכבת-שכבת, לעומת זאת, לעומת לחץ-שכבת, לעומת לחץ-שכבת, לעומת לחץ-שכבת, לעומת לחץ חלש, יכול לשפר אתגרי, לעומת לחץ-שכבת לחץ-שכבת מתחמיטיבי, יכול לשפר אתגרי, עם לחץ עצבי חזק יותר, עם לחץ-שכבת-מחדשניאקשן.

חשיפה סביבתית: Moisture, טמפרטורה ו-UV

ביופוחיות הן רגישות רבה לתנאים סביבתיים. Moisture פועל כמו הפלסטיצר בכוכב ו- PLA, הורדת המעבר הזכוכית והעלייה בדלונות בתחילה, אך חשיפה ממושכת מובילה להפחתה הידרוליטית ולירידה במשקל מולקולרי, בסופו של דבר מגלמת החומר.אלביבש את כל התהליכים המופעלים תרמיים, כולל נפיחות ונפיחות שרשרת.

עומס ומדינת מתח

ביופוחיות הן לעתים קרובות רגישות לשיעור: שיעורי טעינה גבוהים נוטים לגרום שברים מלוחים כי רשתות פולימר יש פחות זמן כדי לסדר מחדש.המעבר מ ductile להתנהגות שברירי נשלט על ידי לוח הזמנים של התכת מטושטשת מול פירוק שרשרת.תחת מצבים של לחץ רב-אקאלי (למשל, מתיחה מובעת בסרטי) אנרגיה יכולה להיות נמוכה משמעותית מאשר לחץ על רקע לחץ ביולוגי פעיל.

יישומים והשלכות להנדסת בר-קיימא

התובנות המתקבלות מניתוח שבר חלות ישירות על עיצוב של מוצרים בר קיימא אשר חייבים לעמוד בעומסים מכניים במהלך הייצור, השימוש, ותחומי היישום המרכזיים כוללים:

  • (FLT:0) אריזות האריזה ברגרד 1 (FLT:1), סרטים ומכלים עבור מזון ומוצרי צרכנים חייבים לעמוד בפני punctures, דמעות, והשפעה במהלך התחבורה.
  • (FLT:0) סרטי מטבול חקלאיים 1FLT:1 - סרטים אלה נחשפים לחות אדמה, אור השמש, ולחצים לטיפול.הבנת לחץ סביבתי סדקים ושפל UV מסייע לבחור ניסוחים שמירה על שלמות לתקופה היבול הרצוי לפני פיזור מבוקר.
  • (FLT:0 השתלות ומערכות משלוח תרופות) ; נפיחות ספוגה, מכשירי תיקון העצם (למשל, מברגי PLA), ונטיות מניעת סמים דורשות התנהגות שבר מבוקר.
  • (FLT:0) מנוע ואלקטרוניקה לצרכנים FLT:1אנדרה - סיבים טבעיים מוחזקים ביופומרימר משמשים בלוחות פנים ודיור. Crashworthness והתנגדות השפעה הם קריטיים; ניתוח שבר תומך בתכנון עם שולי בטיחות.
  • (FLT:0) 3D הדפסה filamentsFLT:1 - PLA הוא ה filament הביו-פומרי הנפוץ ביותר.הבנת שבר חד-משמעי ותכונות אנזוטרופיות חיוני לקידוד אוריינטציה הדפסה ופוסט-מעבד לחלקים פונקציונליים.

יתר על כן, ניתוח שבר מדריך את הפיתוח של מערכות ביופומריות חדשניות, כגון חומרי הפחתת עצמי המשלבים מיקרו-capsulesules עם סוכני ריפוי, ופולימרים עמידים שיכולים לתקן סדקים כאשר מופעלים על ידי חום או אור. חומרים מתקדמים אלה מבטיחים להאריך את חיי השירות של רכיבים הנדסיים בר קיימא.

קווי עתיד וגבולות מחקר

למרות התקדמות משמעותית, כמה אתגרים נותרו בניתוח השבעה של חומרים המבוססים על ביו-פוימר.

  • (FLT:0) Multiscale Modeling FLT:1 - סימולציות אטום (דינמיקה מולקולרית, DFT) עם מכניקת שבר מתמשך לחזות יזום והפצת מבנים כימיים להתנהגות מאקרוסקופית.
  • (FLT:0) In-situ and Opndo CharacterizationFLT:1) - סינכרן מתקדם X-ray microtomography ו-Raman spectroscopy מאפשר הדמיה של עיוות סדקים ושינויים כימיים בזמן אמת, מתן הבנה מכניסטית.
  • (FLT:0) למידה של חישוב חיזוי השבעה של 1R) - גישות מונעות נתונים יכולות למפות פרמטרים, הרכב ותנאים סביבתיים כדי לשבור קשיחות, המאפשרות בדיקות מהירות של מועמדים ביו-פומרימר.
  • (FLT:0) דוקטרילי-לבריטל מיפוי מיפוי: 1 - מחקרים שיטתיים על פני טמפרטורות, שיעורי מתח, ותוכן לחות נדרשים כדי לבנות מפות כשל עבור ביופוחיות נפוצות, בדומה לאלה המשמשים מתכות ופלסטיקים הנדסיים.
  • (FLT:0 מנגנוני שבר שבורים Nanocomposite מנגנונים השבורים (FLT:1 ), התפקיד של גודל חלקיקים, צורה ופיזור על מנגנונים קשיחים (התחר, השתקפות, גודל שטח פלסטיק) עדיין מתגלה.מחקר מתפתח על חומרים דו-ממדיים (למשל, גרפן תחמוצת, oxided מתפורר) בהבטחות ביו-אפומטריות.
  • (FLT:0) סטונדורדיזציה של פרוטוקולי בדיקה 1 (FalveLT:1) - רבים ביופוחיות אינם מכוסים כראוי על ידי תקני בדיקות שבר קיימים בשל האופי הגדלים והנוקליסטי שלהם.

המטרה הסופית היא ליצור בסיס ידע חזק המאפשר למהנדסים לבחור, עיצוב וייצור רכיבים ביופומריים עם התנהגות שבר צפויה, ובכך להאיץ את המעבר לכלכלה מעגלית, מבוססת ביולוגית.

[קרא] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]] [ה]]]] [ה]]]] ב[[1948]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ב[[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]] ב[[1924]]]]]] ב[[1924]] ב[[1924]] ב[[1924]], [[1924]], [[1924]] ב[[1924]] ב[[1924]]]]]]]] ב[[1924]]]]]],