De kunst van het bouwen van een gebouwschil

De gebouwschil is een essentieel onderdeel van een gebouwstructuur die de bewoners beschermt tegen externe milieueffecten, zoals zon, regen, sneeuw, wind en vervuiling. Dit meerlaagse passieve element is belangrijk voor de energie-efficiëntie en voor het behoud van de gezondheid en het comfort van de bewoners in het gebouw. Het proces van luchtlekkage, warmteoverdracht en vochtdiffusie kan een aanzienlijk effect hebben op de gebouwschil. In koude klimaten is de massaconcentratie van waterdamp aan de binnenkant van het gebouw bijvoorbeeld hoger dan aan de buitenkant, waardoor de migratie van vocht door de muren van het gebouw ontstaat.

Als gevolg hiervan kan diffuus vocht de schimmelgroei bevorderen, waardoor de effectiviteit van de isolatie en de achteruitgang van de materialen van de bouwschil worden verminderd. Momenteel zijn er verschillende barrièremembranen in gebruik in de bouwsector, waaronder plastic zeilen en hardschuimisolatie. Onder deze materialen worden polymeren steeds vaker gebruikt om omhulsels te bouwen. Materiaalwetenschappers gebruiken geëxtrudeerde polyethyleenplaten als een prominent dampremmend membraan; het overmatig gebruik ervan is echter schadelijk voor het milieu.

De materiaalsamenstelling

Omdat polyhydroxyalkanoaat en polymelkzuur belangrijke biopolymeren zijn in de plasticindustrie, heeft recent onderzoek het gebruik van hernieuwbare, op cellulose gebaseerde vulstoffen als polymeercomposieten gezien. In dit werk ontwikkelden Chomachayi en collega's daarom een ​​nieuw sandwichgestructureerd barrièremembraan van biogebaseerde materialen, waarbij ze polyhydroxyalkanoaat aan de oppervlaktelagen van membranen toevoegden vanwege de uitstekende dampremmende eigenschappen en vervolgens polymelkzuur als tussenlaag toevoegden, naast cellulosemicrovezels. voor ecologische en economische voordelen.

De wetenschappers karakteriseerden de bereide sandwichcomposieten op basis van hun morfologie, thermische stabiliteit, mechanische eigenschappen en dampremmende eigenschappen. Vervolgens voerden ze een duurzaamheidstest uit om het effect van versnelde veroudering op de mechanische en barrière-eigenschappen van de materialen te onderzoeken.

De onderzoekers onderzochten de oppervlaktemorfologie van cellulosemicrovezels vóór en na modificatie en onderzochten de uitkomsten met scanning-elektronenmicroscopie. Om de cellulosevezels ruwer te maken, verwerkte het team bolvormige silica-nanodeeltjes met een diameter op nanoschaal, waarbij ze de nanodeeltjes afleidden door hydrolyse en kernvorming van de tetraethylorthosilicaatvoorloper op de cellulosevezels.

Met behulp van Fourier-transformatie-infraroodanalyse bepaalden Chomachayi en collega's de chemische structuur van de cellulosemicrovezels vóór en na de sol-gel-modificatie. De wetenschappers karakteriseerden de bereide sandwichcomposieten op basis van hun morfologie, thermische stabiliteit en mechanische eigenschappen.

Actiemechanisme

In zijn werkingsmechanisme mengde het team tijdens de sol-gel-modificatie van cellulosemicrovezels met tetraethylorthosilicaat en hexadecyltrimethoxysilaan de gecombineerde materialen in een dispenser en bracht siliciumdioxide-nanodeeltjes op het materiaaloppervlak aan. Na de reactie centrifugeerden ze het mengsel en verkregen hydrofiele cellulosemicrovezels, die ze twee dagen vriesdroogden en vermalen om een ​​cellulosepoeder te verkrijgen. Om de membranen met sandwichstructuur te bereiden, creëerden ze polymelkzuur/cellulose-microvezel-tussenlaagcomposieten door middel van oplosmiddelgieten en droogden ze de PHA-pellets een nacht lang vacuüm om vocht te verwijderen.

De wetenschappers ontwikkelden vervolgens de sandwichgestructureerde composieten via compressiegieten en karakteriseerden ze via een reeks methoden, waaronder scanning-elektronenmicroscopie, contacthoekmetingen, thermogravimetrische analyses en differentiële scanning-calorimetrie.

Om de impact van sol-gel-modificatie op de hydrofobiciteit van cellulosemicrovezels te beoordelen, bestudeerden ze de resultaten met behulp van contacthoekmetingen. De contacthoekwaarden van gecombineerde cellulosemicrovezels en hexadecyltrimethoxysilaan waren bijvoorbeeld hoger dan de onbehandelde oppervlakken. Het team voerde een reeks experimenten uit om de samenstelling van het materiaaloppervlak, de chemie van de constructies en hun mechanische eigenschappen te karakteriseren.

Omdat het concept van materiaalduurzaamheid bijvoorbeeld in Canada veel aandacht heeft gekregen, probeerde het team de levensduur van polyethyleenplaten te beoordelen voor langdurig gebruik bij toepassingen met dampremmende membranen.

Vooruitzichten

Op deze manier ontwikkelden Masoud Dadras Chomachayi en zijn team een ​​membraan met sandwichstructuur met behulp van biogebaseerde materialen, waaronder polyhydroxyalkanoaat, polymelkzuur en cellulosemicrovezels. De barrièremembranen regelden de migratie van waterdamp door de muren om vochtophoping en langdurige stabiliteit van de bouwmaterialen te voorkomen. Het onderzoeksteam ontwikkelde meerlaagse composieten met behulp van polyhydroxyalkanoaatplaten en vezels versterkt met polymelkzuurcomposieten om gemodificeerde cellulosemicrovezels te creëren die zijn ingelegd met bolvormige silica-nanodeeltjes op de oppervlakken.

De hydrofiliciteit en thermische stabiliteit van de cellulosemicrovezels werden ook verbeterd na het sol-gel-modificatieproces. De resultaten lieten zien hoe de Young-modulus van de materialen toenam door twee belangrijke materialen in de composieten op te nemen. De succesvolle resultaten symboliseren het potentieel van biopolymeren als bruikbare alternatieven voor conventionele op aardolie gebaseerde materialen tijdens bouwtoepassingen. Verdere studies zijn gericht op het vergroten van de flexibiliteit van de composieten voor bredere toepassingen.

Meer informatie: Dadras Chomachayi et al., Ontwikkeling van een nieuw sandwichgestructureerd composiet van biopolymeren en cellulosemicrovezels voor toepassingen in gebouwschillen, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-49273-0

Journaalinformatie: Wetenschappelijke rapporten

© 2023 Science X Netwerk