DE102019106307A1 - Strategic nanoparticle reinforcement of natural fibers for polymeric composites - Google Patents

Abstract

Diese Offenbarung stellt strategische Nanopartikelverstärkung von Naturfasern für polymere Verbundwerkstoffe bereit. Es ist ein Verbundwerkstoffmaterial bereitgestellt, das eine Polymermatrix und Faserverstärkungen innerhalb der Polymermatrix beinhaltet, wobei die Faserverstärkungen Naturfasern beinhalten, die innerhalb einer Naturfaserstruktur Nanopartikel akkumuliert haben. Ein Verfahren zum Ausbilden des Verbundwerkstoffmaterials ist ebenfalls bereitgestellt, wobei dieses das Akkumulieren von Nanopartikeln in der Naturfaserstruktur, um akkumulierte Naturfasern zu erzeugen, das Trocknen der akkumulierten Naturfasern und das Vermischen der akkumulierten Naturfasern innerhalb der Polymermatrix beinhaltet.This disclosure provides strategic nanoparticle reinforcement of natural fibers for polymeric composites. A composite material is provided that includes a polymer matrix and fiber reinforcements within the polymer matrix, wherein the fiber reinforcements include natural fibers that have nanoparticles accumulated within a natural fiber structure. A method of forming the composite material is also provided, including accumulating nanoparticles in the natural fiber structure to produce accumulated natural fibers, drying the accumulated natural fibers, and mixing the accumulated natural fibers within the polymer matrix.

Description

GEBIETTERRITORY

Die vorliegende Offenbarung betrifft Verbundwerkstoffmaterialien und insbesondere Verbundwerkstoffmaterialien, die mit Naturfasern und Nanopartikeln verstärkt sind.The present disclosure relates to composite materials, and more particularly to composite materials reinforced with natural fibers and nanoparticles.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL PRIOR ART

Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Informationen zum allgemeinen Stand der Technik in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und stellen unter Umständen nicht den Stand der Technik dar.The statements in this section merely provide background information with respect to the present disclosure and may not represent prior art.

Naturfasern wurden aufgrund ihrer niedrigen Dichte, geringeren Kosten und niedrigeren Abriebeigenschaften im Vergleich zu anderen synthetischen Faserverstärkungen, wie etwa Glas oder Kohlenstoff, hinsichtlich der Verwendung als Verstärkungen in Polymermatrix-Verbundwerkstoffen untersucht. Ihre Stärke, ihr Modul und ihre Zersetzungstemperaturen sind jedoch geringer als die von synthetischen Fasern und Naturfasern neigen zudem dazu, Feuchtigkeit zu absorbieren. Geringere mechanische Eigenschaften sowie schlechte Grenzflächenanbindung zwischen den Fasern und der Matrix haben im Allgemeinen aufgrund gegensätzlicher Polaritäten einen nicht strukturellen Verbundwerkstoff zur Folge.Natural fibers have been evaluated for use as reinforcements in polymer matrix composites because of their low density, lower cost, and lower abrasion properties compared to other synthetic fiber reinforcements, such as glass or carbon. However, their strength, modulus and decomposition temperatures are lower than those of synthetic fibers, and natural fibers also tend to absorb moisture. Lower mechanical properties, as well as poor interfacial bonding between the fibers and the matrix, generally result in a non-structural composite due to opposite polarities.

Mit Nanopartikeln verstärkte Polymere waren in den letzten Jahren ebenfalls von Interesse und zwar aufgrund der Eigenschaft, dass eine sehr kleine Menge Füller/Verstärkung signifikante Verbesserungen der Eigenschaften zur Folge haben. Nanopartikel tendieren jedoch dazu, während der Verarbeitung zu aggregieren, was zu einer schlechten Dispersion innerhalb der Verbundwerkstoffmatrix führt. Darüber hinaus sind Nanopartikel im Allgemeinen als Gefahrenstoffe klassifiziert, die während des Verarbeitens einer besonderen Behandlung bedürfen.Nanoparticle-reinforced polymers have also been of interest in recent years due to the property that a very small amount of filler / reinforcement results in significant improvements in properties. However, nanoparticles tend to aggregate during processing, resulting in poor dispersion within the composite matrix. In addition, nanoparticles are generally classified as hazardous materials that require special treatment during processing.

Diese Herausforderungen in Bezug auf Naturfasern und mit Nanopartikeln verstärkte Verbundwerkstoffe werden durch die vorliegende Offenbarung angegangen.These challenges with respect to natural fibers and nanoparticle reinforced composites are addressed by the present disclosure.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

In einer Form der vorliegenden Offenbarung ist ein Verbundwerkstoffmaterial bereitgestellt, das eine Polymermatrix und Faserverstärkungen innerhalb der Polymermatrix umfasst. Vorteilhafterweise umfassen die Faserverstärkungen Naturfasern, die innerhalb einer Naturfaserstruktur Nanopartikel akkumuliert haben, wodurch die Stärke des Verbundwerkstoffmaterials mit einer Naturfaser verstärkt wird, wobei diese nachhaltiger ist und Toxizitätsbedenken in Bezug auf nanoverstärkte Polymermatrix-Verbundwerkstoffe reduziert.In one form of the present disclosure, a composite material is provided that includes a polymer matrix and fiber reinforcements within the polymer matrix. Advantageously, the fiber reinforcements comprise natural fibers that have accumulated nanoparticles within a natural fiber structure, thereby enhancing the strength of the composite material with a natural fiber, which is more sustainable and reduces toxicity concerns with respect to nanostructured polymer matrix composites.

Die Faserverstärkungen können kontinuierlich oder diskontinuierlich sein und bei den Nanopartikeln kann es sich um eine Vielfalt von Arten handeln, einschließlich unter anderem kohlenstoffbasierte Nanopartikel, Metalle und/oder Metalloxid-Nanopartikel, Polymer-Nanopartikel, anorganische Nanopartikel, funktionalisierte Nanopartikel, mit Kohlenstoff beschichtete Metall-Nanopartikel und Kombinationen daraus. Die Polymermatrix kann ein beliebiges duroplastisches oder thermoplastisches Harzsystem sein, das mit den akkumulierten Naturfasern und nachfolgenden Ausbildungsschritten, wie im Folgenden detaillierter beschrieben, kompatibel ist. In einer Form ist das zweiteilige duroplastische Harz zusätzlich zu den Nanopartikeln ebenso in der Naturfaserstruktur akkumuliert, um unter anderem die Fasereigenschaften, wie etwa Biegemodul, Biegefestigkeit, Zugmodul, Zugfestigkeit, Bruchdehnung, Speichermodul, Verlustmodul, Schlagfestigkeit, Feuerbeständigkeit, Feuchtigkeitsabsorption, und thermische Eigenschaften, wie etwa Glasübergangstemperatur, Zersetzungstemperaturen und Wärmeformbeständigkeitstemperaturen, zu verbessern.The fiber reinforcements may be continuous or discontinuous, and the nanoparticles may be of a variety of types, including, but not limited to, carbon-based nanoparticles, metals and / or metal oxide nanoparticles, polymer nanoparticles, inorganic nanoparticles, functionalized nanoparticles, carbon-coated metal nanoparticles. Nanoparticles and combinations thereof. The polymer matrix may be any thermosetting or thermoplastic resin system that is compatible with the accumulated natural fibers and subsequent formation steps, as described in more detail below. In one form, in addition to the nanoparticles, the two-part thermoset resin is also accumulated in the natural fiber structure to provide inter alia fiber properties such as flexural modulus, flexural strength, tensile modulus, tensile strength, elongation at break, storage modulus, loss modulus, impact resistance, fire resistance, moisture absorption, and thermal properties. such as glass transition temperature, decomposition temperatures and heat deflection temperatures.

In einer Form stammen die Naturfasern von einer Pflanze. Beispielhafterweise kann es sich bei der Pflanze um Folgende handeln: Zucchini, Mais, Tomate, Sojabohne, Bittermelone, Raps, Radieschen, Weidelgras, Salat, Gurke, Kohl, roten Spinat, Puffbohne, Arabidopsis, Möhre, Zwiebel, Gerste, Reis, Rutenhirse, Tabak, Weizen, Gartenkresse, Sorghum, Senf, Alfalfa, Onobrychis, Pumpkin-Kürbis, Gartenerbse, Lauch, Paprikaschoten, Flachs, Weidelgras, Gerste, Agave, Rohrkolben, Mungbohne, Baumwolle, Algen, bucklige Wasserlinse, echten Koriander, Squash-Kürbis, Bohne, Gräser, punktierte Wasserlinse, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa, Bambus, Schilfrohr, Nelke, Dikotylenen, Lilie, Zuckerrohr, Monokotyledonen und Rübsaat.In one form, the natural fibers come from a plant. By way of example, the plant may be: zucchini, corn, tomato, soybean, bitter melon, rape, radish, ryegrass, lettuce, cucumber, cabbage, red spinach, broad bean, Arabidopsis, carrot, onion, barley, rice, barley, Tobacco, wheat, garden cress, sorghum, mustard, alfalfa, onobrychis, pumpkin squash, garden pea, leek, peppers, flax, ryegrass, barley, agave, cattail, mung bean, cotton, algae, humped duckweed, coconut coriander, squash squash, Bean, grasses, dotted duckweed, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa, bamboo, reed, carnation, dicotylens, lily, sugar cane, monocotyledons and turnip seed.

Im Allgemeinen umfasst die Naturfaserstruktur eine äußere primäre Zellwand, innere Sekundärwände, die aus einer amorphen Region bestehen, und ein zentrales Lumen. Die Nanopartikel werden durch die Naturfaserstruktur akkumuliert und dispergiert, und in einer Form sind die Nanopartikel ausgerichtet und innerhalb des Lumens dispergiert, um eine größere Stärke, z. B. Zugfestigkeit, der akkumulierten Naturfaser bereitzustellen. In einer anderen Form sind die Nanopartikel in einer äußeren primären Zellwand dispergiert, um den Gesamtmodul der akkumulierten Naturfaser heraufzusetzen. In general, the natural fiber structure comprises an outer primary cell wall, inner secondary walls consisting of an amorphous region, and a central lumen. The nanoparticles are accumulated and dispersed by the natural fiber structure, and in one form, the nanoparticles are aligned and dispersed within the lumen to provide greater strength, e.g. Tensile strength, of the accumulated natural fiber. In another form, the nanoparticles are dispersed in an outer primary cell wall to increase the overall modulus of the accumulated natural fiber.

Die vorliegende Offenbarung beinhaltet ebenso Teile, die aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffmaterial ausgebildet sind, sowie Fahrzeuge (z. B. Kraftfahrzeuge), die derartige Teile aufweisen. Diese Teile können durch eine beliebige Anzahl von Verbundwerkstoffmaterial-Herstellungstechniken gebildet werden, wie etwa beispielsweise unter anderem Handlaminierung, Fiber Placement, Resin Transfer Molding (RTM), Formpressen, Spritzgießen und Blasformen.The present disclosure also includes parts formed of the composite material of the invention and vehicles (eg, motor vehicles) having such parts. These parts may be formed by any number of composite material fabrication techniques such as, but not limited to, hand lamination, fiber placement, resin transfer molding (RTM), compression molding, injection molding, and blow molding.

In einer anderen Form ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundwerkstoffmaterials bereitgestellt, das Akkumulieren von Nanopartikeln in einer Struktur der Naturfasern, um akkumulierte Naturfasern zu erzeugen, das Trocknen der akkumulierten Naturfasern und das Vermischen der akkumulierten Naturfasern innerhalb einer Polymermatrix beinhaltet. In einer Form sind die Nanopartikel zur Akkumulation in der Naturfaserstruktur in einer Lösung dispergiert. Wie vorstehend erläutert, können die Naturfasern von einer Pflanze stammen und ist die Lösung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Alkohol, Agar, Erde, benetzten Medien, Murashige-Skoog-Medium, Klärschlamm, Sand, Hoagland, einem wässrigen Medium, mineralischen Nährstofflösungen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und Glasperlen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und einem aus Perlit bestehenden Substrat in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel und Kombinationen daraus. Wenn die Naturfasern darüber hinaus von einer Pflanze stammen, kann die Nanopartikellösung durch zumindest eines der Folgenden auf die Pflanze aufgetragen werden: eine Wurzelspitze, eine Pflanzenwunde, Spaltöffnungen der Blätter, Samen, ein externes Spray, eine Injektion, Inkubationsphiolen und eine Kultur. Die Akkumulation wird zusätzlich durch zumindest eines von Heißwasser-Kaltwasserschock, Temperaturwechselbeanspruchung, weißem Neonlicht und Hydrokultur beschleunigt.In another form, there is provided a method of forming a composite material, accumulating nanoparticles in a structure of natural fibers to produce accumulated natural fibers, drying the accumulated natural fibers, and mixing the accumulated natural fibers within a polymer matrix. In one form, the nanoparticles are dispersed in a solution for accumulation in the natural fiber structure. As discussed above, the natural fibers can be derived from a plant and the solution is selected from the group consisting of water, alcohol, agar, soil, wetted media, Murashige-Skoog medium, sewage sludge, sand, Hoagland, an aqueous medium, mineral nutrient solutions in a solvent containing water, mineral nutrient solutions and glass beads in a solvent containing water, mineral nutrient solutions and a perlite substrate in a water-containing solvent, and combinations thereof. In addition, when the natural fibers are derived from a plant, the nanoparticle solution may be applied to the plant by at least one of the following: a root tip, a plant wound, leaf stomata, seeds, an external spray, an injection, incubation vials, and a culture. The accumulation is additionally accelerated by at least one of hot water cold shock, thermal cycling, white neon light and hydroponics.

Der Schritt des Trocknens der akkumulierten Naturfasern kann über einen vorbestimmten Zeitraum und gemäß einem vorbestimmten Temperaturprofil durchgeführt werden, um die Verteilung der akkumulierten Nanopartikel zu steuern. Das Verfahren kann ferner einen zusätzlichen Schritt des Nachverarbeitens der getrockneten akkumulierten Naturfasern vor dem Vermischen mit der Polymermatrix beinhalten. Dieses Nachverarbeiten kann unter anderem beispielsweise Zerkleinern, Wickeln, chemische Behandlung (z. B. Alkalibehandlung), Wärmebehandlung, Waschen, Strahlenbehandlung (z. B. UV, Plasma, Corona) und Dampfexplosion beinhalten.The step of drying the accumulated natural fibers may be performed over a predetermined period of time and according to a predetermined temperature profile to control the distribution of the accumulated nanoparticles. The method may further include an additional step of postprocessing the dried accumulated natural fibers prior to blending with the polymer matrix. This post-processing may include, for example, crushing, winding, chemical treatment (eg, alkali treatment), heat treatment, washing, radiation treatment (eg, UV, plasma, corona), and steam explosion.

Figurenlistelist of figures

Damit die Offenbarung richtig verstanden werden kann, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verschiedene beispielhafte Formen davon beschrieben, wobei:

• 1 eine fotomikrografische Aufnahme eines mit Nanopartikeln verstärktem Verbundwerkstoffmaterials nach dem Stand der Technik ist;
• 2 eine schematische Darstellung einer Pflanze und des allgemeinen Prinzips der Aufnahme nach dem Stand der Technik ist;
• 3 eine perspektivische Ansicht einer Naturfaserstruktur nach dem Stand der Technik ist;
• 4 eine vergrößerte schematische Ansicht eines beispielhaften Verbundwerkstoffmaterials mit einer Polymermatrix und Faserverstärkungen innerhalb der Polymermatrix ist, wobei die Faserverstärkungen Naturfasern mit Nanopartikeln umfassen, welche innerhalb einer Naturfaserstruktur akkumuliert sind, nach den Lehren der vorliegenden Offenbarung;
• 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Ausbilden eines Verbundwerkstoffmaterials gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ist;
• 6 eine Seitenansicht einer beispielhaften Pflanze in einer wässrigen Nanopartikellösung im Querschnitt gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ist;
• 7 eine Seitenansicht eines Bereichs der Probe aus 6 im Querschnitt gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ist;
• 8 ein beispielhaftes Hysterese-Diagramm des magnetischen Moments (emu) in Abhängigkeit von dem Magnetfeld (Oe) für verschiedene Materialien gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung ist;
• 9 eine vergrößerte Ansicht des Hysterese-Diagramms aus 8 ist, welches das ferromagnetische Verhalten der Lilienstiele 3-1, 3-2 gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
• 10 ein beispielhaftes Hysterese-Diagramm von Hanfstielen ist, die mit Nanopartikeln gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung imprägniert sind.

In order that the disclosure may be properly understood, various exemplary forms thereof are described below with reference to the accompanying drawings, in which:

• 1 FIG. 4 is a photomicrograph of a nanoparticle reinforced composite material of the prior art; FIG.
• 2 is a schematic representation of a plant and the general principle of the recording of the prior art;
• 3 Figure 4 is a perspective view of a natural fiber structure of the prior art;
• 4 an enlarged schematic view of an exemplary composite material having a polymer matrix and fiber reinforcements within the polymer matrix, the fiber reinforcements comprising nanoparticle-containing natural fibers accumulated within a natural fiber structure according to the teachings of the present disclosure;
• 5 FIG. 3 is a flowchart of an exemplary method of forming a composite material according to the teachings of the present disclosure; FIG.
• 6 Figure 10 is a side view of an exemplary plant in an aqueous nanoparticle solution in cross-section according to the teachings of the present disclosure;
• 7 a side view of a portion of the sample 6 in cross-section according to the teachings of the present disclosure;
• 8th an exemplary hysteresis diagram of the magnetic moment (emu) versus magnetic field (Oe) for various materials according to the teachings of the present disclosure;
• 9 an enlarged view of the hysteresis diagram 8th is what the ferromagnetic behavior of the lily stems 3-1 . 3-2 in accordance with the teachings of the present disclosure; and
• 10 is an exemplary hysteresis diagram of hemp stems impregnated with nanoparticles according to the teachings of the present disclosure.

Die in dieser Schrift beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.The drawings described herein are for illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure in any way.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass über alle Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, application, or uses. It is understood that throughout all drawings, corresponding reference numerals indicate like or corresponding parts and features.

Die vorliegende Offenbarung stellt ein innovatives Verbundwerkstoffmaterial bereit, das aus Naturfasern ausgebildet ist, die akkumulierte Nanopartikel aufweisen, wobei die Naturfasern aufgrund des Vorhandenseins der Nanopartikel verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen. Die akkumulieren Naturfasern werden mit einer Polymermatrix kombiniert, um das Verbundwerkstoffmaterial auszubilden, das auf unterschiedliche Weise verarbeitet werden kann, um leichtgewichtige, starke und nachhaltige Teile insbesondere für die Verwendung in Kraftfahrzeugen zu erzeugen.The present disclosure provides an innovative composite material formed from natural fibers having accumulated nanoparticles wherein the natural fibers have improved mechanical properties due to the presence of the nanoparticles. The accumulated natural fibers are combined with a polymer matrix to form the composite material which can be processed in various ways to produce lightweight, strong and sustainable parts, especially for automotive use.

Unter Bezugnahme auf 1 sind die Nanopartikel 10 im Allgemeinen Partikel mit einer Größe zwischen 1 und 100 Nanometern (nm) mit einer umgebenden Grenzflächenschicht 12, wobei die Grenzflächenschicht Ionen, anorganische und organische Moleküle beinhaltet. Nanopartikel sind aufgrund der Fähigkeit, dass eine sehr kleine Anzahl von Nanopartikeln signifikante Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften bewirkt, als Verstärkung in Verbundwerkstoffmaterialien vorteilhaft.With reference to 1 are the nanoparticles 10 generally particles between 1 and 100 nanometers (nm) in size with a surrounding interface layer 12 wherein the interfacial layer includes ions, inorganic and organic molecules. Nanoparticles are advantageous as reinforcement in composite materials due to the ability of a very small number of nanoparticles to produce significant improvements in mechanical properties.

Nun unter Bezugnahme auf 2 ist eine schematische Darstellung einer Pflanze 14 und des allgemeinen Prinzips von Aufnahme, Transport und Akkumulation von Nanopartikelmasse durch die Pflanze 14 gezeigt. Wie dargestellt, werden die Nanopartikel 10 aus 1 über primäre Wurzeln A2 oder laterale Wurzeln (A1 und dann B) absorbiert. Die Nanopartikel 10 werden dann von der Wurzel C durch den Stiel (D und I) zum Blatt (E, F, G, H) transportiert. Ferner können die Nanopartikel 10 ebenfalls auf der Oberfläche der Wurzeln absorbiert werden. Die Prinzipien von Aufnahme, Transport und Akkumulation werden in den folgenden Literaturverweisen, die in diese Schrift durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind, detaillierter beschrieben: (1) US-Patentanmeldung Nr. 2005/0009170 ; (2) US-Patentanmeldung Nr. 2005/0079977 ; (3) Uptake, translocation and accumulation of manufactured iron oxide nanoparticles by pumpkin plants, Zhu et al., J. Environ. Monit. (2008) 10, S. 713-717; (3) Uptake, translocation and transmission of carbon nanomaterials in rice plants, Lin et al., Small (2009), S. 1128-1132 ; (4) Toxicity and bioavailability of copper nanoparticles to the terrestrial plants mung beans (Phaseolus radiatus) and wheat (Triticum awstivum): plant uptake for water insoluble nanoparticles, Lee et al., Environ. Toxicol. Chem. (2008) 29(9), S. 1915-19231; (5) Interactions between engineered nanoparticles (ENPs) and plants: phytotoxicity, uptake and accumulation, Ma et al., Science of the Total Environment (2010), 408.16, S. 3053-3061 ; (6) In-vivo imaging of the uptake of conversion nanoparticles by plant roots, Hischemoller et al., J. Biomed. Nanotechnol. (2009) 5, S. 278-284.Now referring to 2 is a schematic representation of a plant 14 and the general principle of uptake, transport and accumulation of nanoparticle mass by the plant 14 shown. As shown, the nanoparticles become 10 out 1 about primary roots A2 or lateral roots ( A1 and then B). The nanoparticles 10 then be from the root C through the stem ( D and I ) to the sheet ( e . F . G . H ). Furthermore, the nanoparticles can 10 also be absorbed on the surface of the roots. The principles of acquisition, transport, and accumulation are described in more detail in the following references, which are incorporated by reference in their entireties: (1) U.S. Patent Application No. 2005/0009170 ; (2) U.S. Patent Application No. 2005/0079977 ; (3) Uptake, translocation and accumulation of manufactured iron oxide nanoparticles by pumpkin plants; Zhu et al., J. Environ. Monit. (2008) 10, p. 713-717; (3) Uptake, translocation and transmission of carbon nanomaterials in rice plants, Lin et al., Small (2009), pp. 1128-1132 ; (4) Toxicity and bioavailability of copper nanoparticles to the terrestrial plants mung bean (Phaseolus radiatus) and wheat (Triticum awstivum): plant uptake for water insoluble nanoparticles, Lee et al., Environ. Toxicol. Chem. (2008) 29 (9), p. 1915-19231; (5) Interactions between engineered nanoparticles (ENPs) and plants: phytotoxicity, uptake and accumulation, Ma et al., Science of the Total Environment (2010), 408.16, pp. 3053-3061 ; (6) In vivo imaging of the uptake of conversion nanoparticles by plant roots, Hischemoller et al., J. Biomed. Nanotechnol. (2009) 5, pp. 278-284.

Unter Bezugnahme auf 3 ist die Struktur einer Naturfaser 16, bei der es sich in einer Form um eine Pflanze handeln kann, detaillierter gezeigt. Die Struktur beinhaltet eine äußere primäre Zellwand 18, innere Sekundärwände, die aus einer amorphen Region 20 bestehen, und ein zentrales Lumen 22. Wie im Nachfolgenden näher erläutert, werden die Nanopartikel 10 in diesen Strukturen für angepasste mechanische Eigenschaften eines Verbundwerkstoffmaterials strategisch akkumuliert.With reference to 3 is the structure of a natural fiber 16 , which may be in a form of a plant, shown in more detail. The structure includes an outer primary cell wall 18 , inner secondary walls made of an amorphous region 20 exist, and a central lumen 22 , As explained in more detail below, the nanoparticles 10 strategically accumulated in these structures for matched mechanical properties of a composite material.

Nun unter Bezugnahme auf 4 ist ein innovatives Verbundwerkstoffmaterial gezeigt und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 50 angegeben. Das Verbundwerkstoffmaterial 50 umfasst eine Polymermatrix 52 und Faserverstärkungen 54 innerhalb der Polymermatrix 52. Im Allgemeinen umfassen die Faserverstärkungen 54 Naturfasern, in deren Struktur Nanopartikel akkumuliert sind (3).Now referring to 4 An innovative composite material is shown and generally designated by the reference numeral 50 specified. The composite material 50 comprises a polymer matrix 52 and fiber reinforcements 54 within the polymer matrix 52 , In general, the fiber reinforcements include 54 Natural fibers in whose structure nanoparticles are accumulated ( 3 ).

Die Nanopartikel 10 sind zur Akkumulation in der Naturfaserstruktur 16 in einer Lösung dispergiert. In einer Form stammen die Naturfasern 16 von einer Pflanze 14 und ist die Lösung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Alkohol, Agar, Erde, benetzten Medien, Murashige-Skoog-Medium, Klärschlamm, Sand, Hoagland, einem wässrigen Medium, mineralischen Nährstofflösungen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und Glasperlen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und einem aus Perlit bestehenden Substrat in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel und Kombinationen daraus. In einer Form ist eine Konzentration der Nanopartikel 10 innerhalb der Naturfaserstruktur 16 größer als etwa 5 mg/l. In einer Variation ist ein zweiteiliges duroplastisches Harz ebenso in der Struktur der Naturfasern 16 akkumuliert. Diese Akkumulation wird im Allgemeinen über einen Zeitraum erreicht, der von der Pflanzenart, der Lösungsart, der Nanopartikelart und der Art des duroplastischen Harzes abhängt.The nanoparticles 10 are to accumulation in the natural fiber structure 16 dispersed in a solution. The natural fibers come in one form 16 from a plant 14 and the solution is selected from the A group consisting of water, alcohol, agar, soil, wetted media, Murashige-Skoog medium, sewage sludge, sand, hoagland, an aqueous medium, mineral nutrient solutions in a water-containing solvent, mineral nutrient solutions and glass beads in a water-containing solvent, mineral nutrient solutions and a perlite substrate in a water-containing solvent and combinations thereof. In one form is a concentration of nanoparticles 10 within the natural fiber structure 16 greater than about 5 mg / l. In a variation, a two-part thermosetting resin is also in the structure of natural fibers 16 accumulated. This accumulation is generally achieved over a period of time that depends on the plant species, the type of solution, the type of nanoparticle, and the type of thermosetting resin.

Ferner kann die Nanopartikellösung durch zumindest eines der Folgenden auf die Pflanze 14 aufgetragen werden: eine Wurzelspitze, eine Pflanzenwunde, Spaltöffnungen der Blätter, Samen, ein externes Spray, eine Injektion, Inkubationsphiolen und eine Kultur. Die Akkumulation kann zusätzlich durch zumindest eines von Heißwasser-Kaltwasserschock, Temperaturwechselbeanspruchung, weißem Neonlicht und Hydrokultur beschleunigt werden.Further, the nanoparticle solution may be applied to the plant by at least one of the following 14 a root tip, a plant wound, leaf stomata, seeds, an external spray, an injection, incubation vials, and a culture. Accumulation can be further accelerated by at least one of hot water cold shock, thermal cycling, white neon light and hydroponics.

Bei den Nanopartikeln 10 kann es sich um eine Vielfalt von Materialien handeln, einschließlich beispielsweise kohlenstoffbasierte Nanopartikel, Metalle und/oder Metalloxid-Nanopartikel, Polymer-Nanopartikel, anorganische Nanopartikel, funktionalisierte Nanopartikel, mit Kohlenstoff beschichtete Metall-Nanopartikel und Kombinationen daraus.For the nanoparticles 10 may be a variety of materials including, for example, carbon-based nanoparticles, metals and / or metal oxide nanoparticles, polymer nanoparticles, inorganic nanoparticles, functionalized nanoparticles, carbon-coated metal nanoparticles, and combinations thereof.

Bei der Pflanze 14 kann es sich um eine Vielfalt von Pflanzen handeln, einschließlich zum Beispiel: Zucchini, Mais, Tomate, Sojabohne, Bittermelone, Raps, Radieschen, Weidelgras, Salat, Gurke, Kohl, roten Spinat, Puffbohne, Arabidopsis, Möhre, Zwiebel, Gerste, Reis, Rutenhirse, Tabak, Weizen, Gartenkresse, Sorghum, Senf, Alfalfa, Onobrychis, Pumpkin-Kürbis, Gartenerbse, Lauch, Paprikaschoten, Flachs, Weidelgras, Gerste, Agave, Rohrkolben, Mungbohne, Baumwolle, Algen, bucklige Wasserlinse, echten Koriander, Squash-Kürbis, Bohne, Gräser, punktierte Wasserlinse, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa, Bambus, Schilfrohr, Nelke, Dikotylenen, Lilie, Zuckerrohr, Monokotyledonen und Rübsaat.At the plant 14 it can be a variety of plants, including for example: zucchini, corn, tomato, soybean, bitter melon, rapeseed, radish, ryegrass, lettuce, cucumber, cabbage, red spinach, broad bean, Arabidopsis, carrot, onion, barley, rice , Barley, tobacco, wheat, garden cress, sorghum, mustard, alfalfa, onobrychis, pumpkin squash, garden pea, leeks, peppers, flax, ryegrass, barley, agave, cattail, mung bean, cotton, algae, humpbacked duckweed, real coriander, squash Pumpkin, bean, grasses, dotted duckweed, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa, bamboo, reed, carnation, dicots, lily, sugar cane, monocots and turnip seeds.

Nachdem die Nanopartikel 10 (und, falls dies eingesetzt wurde, das zweiteilige duroplastische Harz) in der Struktur der Naturfasern 16 akkumuliert worden sind, werden die akkumulierten Naturfasern getrocknet und mit der Polymermatrix 52 vermischt. Die akkumulierten Naturfasern können in Abhängigkeit von der Anwendung diskontinuierlich oder kontinuierlich sein, die in einer Form Teile von Kraftfahrzeugen sind, wie etwa unter anderem Laubstopp-Vorrichtungen, Konsolensubstrate, Türverkleidungen, Motorraumkomponenten, wie etwa Ölwannen und Motorabdeckung, und Zierteile.After the nanoparticles 10 (and, if used, the two-part thermosetting resin) in the structure of natural fibers 16 accumulated, the accumulated natural fibers are dried and with the polymer matrix 52 mixed. The accumulated natural fibers may be discontinuous or continuous, depending on the application, which are in a mold parts of automobiles, such as, among others, leaf stop devices, console substrates, door panels, engine compartment components, such as oil pans and engine cover, and trim parts.

Der Schritt des Trocknens der akkumulierten Naturfasern wird über einen vorbestimmten Zeitraum und gemäß einem vorbestimmten Temperaturprofil durchgeführt, um die Verteilung der akkumulierten Nanopartikel zu steuern. Ferner kann ein Schritt des Nachverarbeitens der getrockneten akkumulierten Naturfasern vor dem Vermischen der akkumulierten Naturfasern mit der Polymermatrix durchgeführt werden. Zum Beispiel kann ein derartiges Nachverarbeiten Zerkleinern, Wickeln, chemische Behandlung (z. B. Alkalibehandlung), Wärmebehandlung, Waschen, Strahlenbehandlung (z. B. UV, Plasma, Corona) und Dampfexplosion beinhalten.The step of drying the accumulated natural fibers is performed over a predetermined period of time and according to a predetermined temperature profile to control the distribution of the accumulated nanoparticles. Further, a step of postprocessing the dried accumulated natural fibers may be performed prior to blending the accumulated natural fibers with the polymer matrix. For example, such post-processing may include crushing, winding, chemical treatment (eg, alkali treatment), heat treatment, washing, radiation treatment (eg, UV, plasma, corona), and steam explosion.

Nun unter Bezugnahme auf 5 ist ein allgemeines Verfahren 60 zum Ausbilden eines Verbundwerkstoffmaterials gezeigt, das das Akkumulieren von Nanopartikeln in einer Naturfaserstruktur umfasst, um bei Schritt 62 akkumulierte Naturfasern zu erzeugen. Die Naturfasern mit den akkumulierten Nanopartikeln werden bei Schritt 64 getrocknet und bei Schritt 66 innerhalb einer Polymermatrix vermischt, um bei Schritt 68 ein Verbundwerkstoffmaterial bereitzustellen.Now referring to 5 is a general procedure 60 for forming a composite material comprising accumulating nanoparticles in a natural fiber structure to provide in step 62 to produce accumulated natural fibers. The natural fibers with the accumulated nanoparticles are at step 64 dried and at step 66 mixed within a polymer matrix to give in step 68 to provide a composite material.

BEISPIELEEXAMPLES

Nun unter Bezugnahme auf 6 sind eine Pflanze 70 und eine Aufnahmevorrichtung 80 zum Akkumulieren von Nanopartikeln innerhalb der Pflanze 70 schematisch dargestellt. Die Pflanze umfasst einen Stiel 71 und die Aufnahmevorrichtung 80 umfasst einen Behälter 81 (z. B. Phiole), einen Deckel 82, einen Magnet 83 und eine ferrofluide Magnetit-Nanopartikellösung 84 (in dieser Schrift einfach als „Nanopartikellösung“ bezeichnet). Es versteht sich, dass die Nanopartikellösung 84 Pflanzennährstoffe zur Förderung des Wachstums der Pflanze 70 enthalten kann oder nicht. Der Stiel 71 ist innerhalb des Deckels 82 und des Magneten 83 derart positioniert, dass sich ein Magnetfeld (nicht dargestellt) des Magneten 83 in den Stiel 71 erstreckt. Die Nanopartikellösung wird in den Behälter 81 platziert (geschüttet), ein unterer Teil (-y-Richtung) des Stiels 71 wird in die Nanopartikellösung 84 platziert, der Deckel 82 wird an dem Behälter 81 angebracht und die Pflanze 70 (d. h. der Stiel 71) wird für neun (9) Tage in der Nanopartikellösung gehalten. Der Deckel 82 reduziert Nanopartikellösungskontamination und -abfall und der Magnet 83 (d. h. das Magnetfeld) wird dazu verwendet, beim Ziehen von Nanopartikeln in den Stiel 71 und beim Positionieren der Nanopartikel in der Nähe der Position des Magneten 83 behilflich zu sein.Now referring to 6 are a plant 70 and a cradle 80 for accumulating nanoparticles within the plant 70 shown schematically. The plant includes a stalk 71 and the cradle 80 includes a container 81 (eg vial), a lid 82 , a magnet 83 and a ferrofluid magnetite nanoparticle solution 84 (simply referred to in this document as "nanoparticle solution"). It is understood that the nanoparticle solution 84 Plant nutrients to promote the growth of the plant 70 may or may not contain. The stem 71 is inside the lid 82 and the magnet 83 positioned such that a magnetic field (not shown) of the magnet 83 in the stalk 71 extends. The nanoparticle solution is placed in the container 81 placed (poured), a lower part ( -y Direction) of the stem 71 becomes the nanoparticle solution 84 placed, the lid 82 will be on the container 81 attached and the plant 70 (ie the stem 71 ) will be used for nine ( 9 ) Days in the nanoparticle solution. The lid 82 reduces nanoparticle solution contamination and waste and the magnet 83 (ie the magnetic field) is used when pulling nanoparticles into the stem 71 and positioning the nanoparticles near the position of the magnet 83 to be helpful.

Unter Bezugnahme auf 7 sind der Magnet 83 und ein von dem Stiel 72 in 6 abgeschnittener Stielabschnitt 73 gezeigt. Der Stielabschnitt 73 ist unterhalb (-y-Richtung) und oberhalb (+y-Richtung) der Position des Magneten 83 aus 6 abgeschnitten. Der Stielabschnitt 73 und der Magnet 83 werden in ein Magnetometer mit vibrierender Probe (vibrating sample magnetometer - VSM) platziert, um die magnetischen Eigenschaften des Stielabschnitts 73 zu bestimmen.With reference to 7 are the magnet 83 and one of the stalk 72 in 6 cut stem section 73 shown. The stem section 73 is below ( -y Direction) and above ( + y Direction) of the position of the magnet 83 out 6 cut off. The stem section 73 and the magnet 83 are placed in a vibrating sample magnetometer (VSM) to determine the magnetic properties of the stem section 73 to determine.

Nun unter Bezugnahme auf 8 sind die Testergebnisse von vier Lilienstielabschnitten (Lilienstielabschnitte 2-1, 2-2, 3-1, 3-2), die unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Nanopartikellösungen (Ferrofluid 1 und Ferrofluid 2) für 9 Tage in Aufnahmevorrichtungen 80 gehalten wurden, grafisch dargestellt. Insbesondere sind in 8 die Hysterese-Kurven des magnetischen Moments im Vergleich zum Magnetfeld für die zwei Nanopartikellösungen und vier Lilienstielabschnitte gezeigt. Die Ferrofluide zeigten die größte Veränderung des magnetischen Moments in Abhängigkeit von einem Verändern des Magnetfelds auf, gefolgt von den Lilienstielen 2-1 und 2-2 und dann den Lilienstielen 3-1 und 3-2. Obgleich die Veränderung des magnetischen Moments in Abhängigkeit von einem Verändern des Magnetfelds in 8 minimal (flach) erscheint, veranschaulicht 9 grafisch, dass die Lilienstiele 3-1 und 3-2 einen Anstieg des magnetischen Moments mit einer Erhöhung des Magnetfeldes aufwiesen.Now referring to 8th are the test results of four Lilienstielabschnitten (Lilienstielabschnitte 2 - 1 . 2 - 2 . 3 - 1 . 3 - 2 ) using two different nanoparticle solutions (ferrofluid 1 and ferrofluid 2 ) for 9 days in cradles 80 held graphically. In particular, in 8th the hysteresis curves of the magnetic moment compared to the magnetic field for the two nanoparticle solutions and four lilies segments shown. The ferrofluids exhibited the largest change in magnetic moment as a function of changing the magnetic field, followed by the lily posts 2 - 1 and 2 - 2 and then the Lilienstielen 3 - 1 and 3 - 2 , Although the change in the magnetic moment in response to a change in the magnetic field in 8th minimal (flat) appears, illustrated 9 graphically, that the lily stems 3 - 1 and 3 - 2 had an increase of the magnetic moment with an increase of the magnetic field.

Nun unter Bezugnahme auf 10 ist eine Hysterese-Kurve für einen Hanfstielabschnitt, der der gleichen Behandlung wie die Lilienstiele ausgesetzt ist, grafisch dargestellt.Now referring to 10 is a hysteresis curve for a hemp stem section exposed to the same treatment as the lily stalks plotted.

In Bezug auf einen Anstieg eines Youngschen Moduls für Fasern, die von den Lilienstielabschnitten 2-1 und 2-2 erhalten wurden (im Nachfolgenden als „L2-Lilienstiel“ oder lediglich „L2“ bezeichnet), wurden die folgende Analyse und Berechnungen durchgeführt.In terms of an increase in a Young's modulus for fibers coming from the lilientiel sections 2 - 1 and 2 - 2 (hereinafter referred to as " L2 -Lilitary goal "or merely" L2 "), The following analysis and calculations were performed.

Das Durchschnittsgewicht der L2-Lilienstielabschnitte betrug 0,14 Gramm (g) und die Sättigungsmagnetisierung betrug 0,018 emu (9). Für den durchschnittlichen Wassergehalt (Fraktion) der L2-Lilienstielabschnitte wurde angenommen, dass dieser 0,57 beträgt, wobei die Dichte der Magnetitpartikel in den Nanopartikellösungen 5,15 g/cm³ und die Magnetit-Sättigung pro Einheitsvolumen 400 emu/cm³ betrug.The average weight of L2 Helium segments was 0.14 grams (g) and the saturation magnetization was 0.018 emu ( 9 ). For the average water content (fraction) of L2 -Lilienstielabschnitte was assumed that this is 0.57, wherein the density of the magnetite particles in the nanoparticle solutions 5.15 g / cm ³ and the magnetite saturation per unit volume 400 emu / cm ³ .

Das Trockengewicht der L2-Lilienstiele wurde von folgendem Ausdruck berechnet: $$Frischgewicht-\left(Frischgewicht\ast FraktionvonH2\right)$$

was Folgendem entsprach: 0,14 g - (0,14 g × 0,57) = 0,06 g. Der Magnetit-Gehalt in den L2-Lilienstielen wurde von folgendem Ausdruck berechnet: $$Sättigungsmagnetisierung*\left(Volumen/Sättigung\right)*Dichte$$

was (0,018 emu/400 emu/cm³)* 5,15 g/cm³ = 2,37 × 10^-4 g entsprach. Der entsprechende Prozentsatz von Magnetit in den L2-Lilienstielen wurde von folgendem Ausdruck berechnet: $$\left(Magnetit\text{-}GehaltinL2\right)/\left(L2\text{-}Trockengewicht\right)$$

was 2,37 × 10^-4 g/0,6 g = 0,4 Gew.-% entsprach. Frühere Studien haben gezeigt, dass 1 Gew.-% in einem Pflanzenstiel akkumulierte Magnetit-Nanopartikel einen Anstieg des Youngschen Moduls der Pflanzenstielfasern in Höhe von 36 % zur Folge hat. Demgemäß extrapolieren 0,4 Gew.-% der in den L2-Lilienstielabschnitten akkumulierten Magnetit-Nanopartikel linear auf einen Anstieg des Youngschen Moduls um etwa 15 %. Eine Zusammenfassung der Analyse und eine Schätzung des Anstiegs des Youngschen Moduls in den L2-Lilienstielabschnitten ist nachstehend in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1 Lilie 2 (L2) Probengewicht - Frisch 0,14 g L2 Sättigungsmagnetisierung 0,018 emu Durchschnittlicher Wassergehalt der Pflanzenmasse 0,57 Fraktion Dichte von Magnetit 5,15 g/cm³ Magnetitsättigung/Volumen 400 emu/cm³ Anzahl der Nanopartikel 10¹² L2 Trockengewicht = Frischgewicht - (Frischgewicht * Fraktion von H20) = 0,14 g - (0,14 g* 0,57) = 0,06 g Magnetitgehalt in L2 $$\begin{array}{l}=\text{Sättigungsmagnetisierung}\ast \frac{\text{Volumen}}{\text{Sättigung}}\ast \text{Dichte}\\ =\frac{\text{0}\text{,018 emu}}{400\frac{\text{emu}}{{\text{cm}}^3}}\ast \mathrm{5,15}\frac{\text{g}}{{\text{cm}}^3}\\ =\mathrm{2,37}\times {10}^{-4}\text{g}\end{array}$$

Prozent Magnetit in L2 $$\begin{array}{l}=\frac{\text{Magnetitgehalt in L2}}{\text{L2 Gewicht}-\text{Trocken}}\\ =\frac{\mathrm{2,37}\text{E}-04\text{ g}}{\mathrm{0,6}\text{ g}}\\ =\mathrm{0,4}\text{ Gew}\text{.-\%}\sim \text{15\% Verbesserung Elastizitätsmodul}\end{array}$$

The dry weight of L2 Slide stems was calculated from the following expression: $$FriscHGewicHt-\left(FriscHGewicHt*FraktiOnvOnH2\right)$$

which corresponded to: 0.14 g - (0.14 g x 0.57) = 0.06 g. The magnetite content in the L2 lil yards was calculated from the following expression: $$SättiGunGsmaGnetisierunG*\left(VOlumen/SättiGunG\right)*DicHte$$

which corresponded to (0.018 emu / 400 emu / cm ³ ) * 5.15 g / cm ³ = 2.37 × 10 ^-4 g. The corresponding percentage of magnetite in the L2 -Lilitary tarpaulins were calculated from the following expression: $$\left(MaGnetit\text{-}GeHaltinL2\right)/\left(L2\text{-}TrOckenGewicHt\right)$$

which was 2.37 x 10 ^-4 g / 0.6 g = 0.4 wt%. Previous studies have shown that 1 wt% magnetite nanoparticles accumulated in a plant stem results in a 36% increase in the Young's modulus of the plant stem fibers. Accordingly, 0.4 wt.% Of the magnetite nanoparticles accumulated in the L2 lille period sections linearly extrapolates an increase in Young's modulus of about 15%. A summary of the analysis and an estimate of the increase in Young's modulus in the L2 Lilienstiel sections is given below in Table 1 shown. Table 1 Lily 2 (L2) Sample Weight - Fresh 0.14 G L2 saturation magnetization 0,018 emu Average water content of the plant mass 0.57 fraction Density of magnetite 5.15 g / cm ³ Magnetitsättigung / volume 400 emu / cm ³ Number of nanoparticles 10 ¹² L2 dry weight = Fresh weight - (fresh weight fraction of H20) = 0.14 g - (0.14 g * 0.57) = 0.06 g Magnetite content in L2 $$\begin{array}{l}=\text{saturation magnetization}*\frac{\text{volume}}{\text{saturation}}*\text{density}\\ =\frac{\text{0}\text{, 018 <figure-callout id="400" label="emu" filenames="DE102019106307A1\_0014.png" state="{{state}}">emu</figure-callout>}}{400\frac{\text{emu}}{{\text{cm}}^3}}*5.15\frac{\text{G}}{{\text{cm}}^3}\\ =2.37\times {10}^{-4}\text{G}\end{array}$$

Percent magnetite in L2 $$\begin{array}{l}=\frac{\text{Magnetite content in L2}}{\text{L2 weight}-\text{Dry}}\\ =\frac{2.37\text{e}-04\text{G}}{0.6\text{G}}\\ =0.4\text{weight}\text{.-\%}~\text{15\% improvement in modulus of elasticity}\end{array}$$

Sofern in dieser Schrift nicht anderweitig angegeben, werden alle numerischen Werte, die mechanische/thermische Eigenschaften angeben, Zusammensetzungsprozentsätze, Abmessungen und/oder Toleranzen oder andere Eigenschaften so verstanden, dass sie in der Beschreibung des Umfangs der vorliegenden Offenbarung durch das Wort „etwa“ oder „ungefähr“ modifiziert werden. Diese Modifikation ist aus verschiedenen Gründen, einschließlich industrielle Praxis, Fertigungstechnologie und Prüfkapazitäten, gewünscht.Unless otherwise specified in this document, all numerical values indicating mechanical / thermal properties, composition percentages, dimensions and / or tolerances or other properties are understood to be included in the description of the scope of the present disclosure by the word "about" or "About" to be modified. This modification is desired for various reasons, including industrial practice, manufacturing technology, and testing capabilities.

Die Beschreibung der Offenbarung ist rein beispielhafter Natur und somit ist beabsichtigt, dass Varianten, die nicht vom Inhalt der Offenbarung abweichen, innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen. Derartige Varianten sind nicht als Abweichung vom Geist und Umfang der Offenbarung zu betrachten.The description of the disclosure is merely exemplary in nature, and thus, it is intended that variations that do not depart from the scope of the disclosure fall within the scope of the disclosure. Such variants are not to be regarded as a departure from the spirit and scope of the disclosure.

Wie in dieser Schrift verwendet, sollte die Formulierung zumindest eines von A, B und C so ausgelegt werden, dass sie ein logisches (A ODER B ODER C) unter Verwendung eines nicht ausschließlichen logischen ODERs bedeutet, und sollte nicht als „zumindest eines von A, zumindest eines von B und zumindest eines von C“ ausgelegt werden.As used in this document, the wording should be at least one of A . B and C be designed to be a logical ( A OR B OR C ) using a non-exclusive logical OR and should not be considered "at least one of A , at least one of B and at least one of C Be interpreted.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundwerkstoffmaterial bereitgestellt, das eine Polymermatrix; und Faserverstärkungen innerhalb der Polymermatrix beinhaltet, wobei die Faserverstärkungen Naturfasern beinhalten, die innerhalb einer Naturfaserstruktur Nanopartikel akkumuliert haben.According to the present invention, there is provided a composite material comprising a polymer matrix; and fiber reinforcements within the polymer matrix, wherein the fiber reinforcements include natural fibers that have nanoparticles accumulated within a natural fiber structure.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Faserverstärkungen diskontinuierlich.In one embodiment, the fiber reinforcements are discontinuous.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Nanopartikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffbasierten Nanopartikeln, Metallen und/oder Metalloxid-Nanopartikeln, Polymer-Nanopartikeln, anorganischen Nanopartikeln, funktionalisierten Nanopartikeln, mit Kohlenstoff beschichteten Metall-Nanopartikeln und Kombinationen daraus.According to one embodiment, the nanoparticles are selected from the group consisting of carbon-based nanoparticles, metals and / or metal oxide nanoparticles, polymer nanoparticles, inorganic nanoparticles, functionalized nanoparticles, carbon-coated metal nanoparticles and combinations thereof.

Gemäß einer Ausführungsform stammen die Naturfasern von einer Pflanze. In one embodiment, the natural fibers are derived from a plant.

Gemäß einer Ausführungsform ist Pflanze ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zucchini, Mais, Tomate, Sojabohne, Bittermelone, Raps, Radieschen, Weidelgras, Salat, Gurke, Kohl, rotem Spinat, Puffbohne, Arabidopsis, Möhre, Zwiebel, Gerste, Reis, Rutenhirse, Tabak, Weizen, Gartenkresse, Sorghum, Senf, Alfalfa, Onobrychis, Pumpkin-Kürbis, Gartenerbse, Lauch, Paprikaschoten, Flachs, Weidelgras, Gerste, Agave, Rohrkolben, Mungbohne, Baumwolle, Algen, buckliger Wasserlinse, echtem Koriander, Pumpkin-Kürbis, Bohne, Gräsern, punktierter Wasserlinse, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa und Rübsaat.According to one embodiment, plant is selected from the group consisting of zucchini, corn, tomato, soybean, bitter melon, rapeseed, radish, ryegrass, lettuce, cucumber, cabbage, red spinach, broad bean, Arabidopsis, carrot, onion, barley, rice, barley, Tobacco, Wheat, Garden cress, Sorghum, Mustard, Alfalfa, Onobrychis, Pumpkin squash, Garden pea, Leeks, Peppers, Flax, Ryegrass, Barley, Agave, Cattail, Mung bean, Cotton, Algae, Humpbacked duckweed, Real cilantro, Pumpkin squash, Bean, grasses, dotted duckweed, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa and turnip seed.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Naturfaserstruktur eine äußere primäre Zellwand, innere Sekundärwände, bestehend aus einer amorphen Region, und ein zentrales Lumen, wobei die Nanopartikel durch die gesamte Naturfaserstruktur dispergiert sind.According to one embodiment, the natural fiber structure comprises an outer primary cell wall, inner secondary walls consisting of an amorphous region, and a central lumen, wherein the nanoparticles are dispersed throughout the natural fiber structure.

Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner gekennzeichnet durch ein zweiteiliges duroplastisches Harz, das in der Naturfaserstruktur akkumuliert ist.In one embodiment, the above invention is further characterized by a two-part thermosetting resin accumulated in the natural fiber structure.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Konzentration der Nanopartikel innerhalb der Naturfaserstruktur größer als etwa 5 mg/l.In one embodiment, a concentration of the nanoparticles within the natural fiber structure is greater than about 5 mg / L.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Teil bereitgestellt, das aus dem vorstehend beschriebenen Verbundwerkstoffmaterial ausgebildet ist.According to the present invention, there is provided a part formed of the above-described composite material.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fahrzeug bereitgestellt, das zumindest ein vorstehend beschriebenes Teil aufweist.According to the present invention, there is provided a vehicle having at least a part as described above.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundwerkstoffmaterials das Akkumulieren von Nanopartikeln in einer Struktur der Naturfasern, um akkumulierte Naturfasern zu erzeugen; das Trocknen der akkumulierten Naturfasern; und das Vermischen der akkumulierten Naturfasern innerhalb einer Polymermatrix.According to the present invention, a method of forming a composite material includes accumulating nanoparticles in a structure of the natural fibers to produce accumulated natural fibers; drying the accumulated natural fibers; and mixing the accumulated natural fibers within a polymer matrix.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Nanopartikel zur Akkumulation in der Naturfaserstruktur in einer Lösung dispergiert.In one embodiment, the nanoparticles are dispersed in a solution for accumulation in the natural fiber structure.

Gemäß einer Ausführungsform stammen die Naturfasern von einer Pflanze und ist die Lösung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Alkohol, Agar, Erde, benetzten Medien, Murashige-Skoog-Medium, Klärschlamm, Sand, Hoagland, einem wässrigen Medium, mineralischen Nährstofflösungen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und Glasperlen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und einem aus Perlit bestehenden Substrat in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel und Kombinationen daraus.According to one embodiment, the natural fibers are derived from a plant and the solution is selected from the group consisting of water, alcohol, agar, soil, wetted media, Murashige-Skoog medium, sewage sludge, sand, Hoagland, an aqueous medium, mineral nutrient solutions in one Water-containing solvents, mineral nutrient solutions and glass beads in a solvent containing water, mineral nutrient solutions and a perlite substrate in a water-containing solvent and combinations thereof.

Gemäß einer Ausführungsform stammen die Naturfasern von einer Pflanze und wird die Nanopartikellösung durch zumindest eines der Folgenden auf die Pflanze aufgetragen: eine Wurzelspitze, eine Pflanzenwunde, Spaltöffnungen der Blätter, Samen, ein externes Spray, eine Injektion, Inkubationsphiolen und eine Kultur.In one embodiment, the natural fibers are derived from a plant and the nanoparticle solution is applied to the plant by at least one of the following: a root tip, a plant wound, leaf stomata, seeds, an external spray, an injection, incubation vials, and a culture.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Akkumulation durch zumindest eines von Heißwasser-Kaltwasserschock, Temperaturwechselbeanspruchung, weißem Neonlicht und Hydrokultur beschleunigt.According to one embodiment, the accumulation is accelerated by at least one of hot water cold shock, thermal cycling, white neon light and hydroponics.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Schritt des Trocknens der akkumulierten Naturfasern über einen vorbestimmten Zeitraum und gemäß einem vorbestimmten Temperaturprofil durchgeführt, um die Verteilung der akkumulierten Nanopartikel zu steuern.In one embodiment, the step of drying the accumulated natural fibers is performed over a predetermined time period and according to a predetermined temperature profile to control the distribution of the accumulated nanoparticles.

Gemäß einer Ausführungsform ist die vorstehende Erfindung ferner gekennzeichnet durch einen Schritt des Nachverarbeitens der getrockneten akkumulierten Naturfasern vor dem Vermischen mit der Polymermatrix.In one embodiment, the above invention is further characterized by a step of postprocessing the dried accumulated natural fibers prior to blending with the polymer matrix.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Nachverarbeiten unter anderem Folgendes: Zerkleinern, Wickeln, chemische Behandlung (z. B. Alkalibehandlung), Wärmebehandlung, Waschen, Strahlenbehandlung (z. B. UV, Plasma, Corona) und Dampfexplosion.According to one embodiment, post-processing includes but is not limited to: crushing, winding, chemical treatment (eg, alkali treatment), heat treatment, washing, radiation treatment (eg, UV, plasma, corona), and steam explosion.

Gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundwerkstoffmaterials Folgendes: Pflanzenzüchtung in einer wässrigen Lösung, die Nanopartikel umfasst, derart, dass zumindest ein Teil der Nanopartikel in einer Struktur aus Naturfasern innerhalb der Pflanze akkumuliert wird, um akkumulierte Naturfasern zu erzeugen; Entfernen der Pflanzen aus der wässrigen Lösung; Trocknen der Pflanzen, sodass die akkumulierten Naturfasern getrocknet werden; und Vermischen der akkumulierten Naturfasern innerhalb einer Polymermatrix. According to the present invention, a method of forming a composite material includes: plant breeding in an aqueous solution comprising nanoparticles such that at least a portion of the nanoparticles are accumulated in a structure of natural fibers within the plant to produce accumulated natural fibers; Removing the plants from the aqueous solution; Drying the plants so that the accumulated natural fibers are dried; and mixing the accumulated natural fibers within a polymer matrix.

Gemäß einer Ausführungsform wird die Akkumulation der Nanopartikel in der Struktur aus Naturfasern innerhalb der Pflanze durch zumindest eines von Heißwasser-Kaltwasserschock, Temperaturwechselbeanspruchung, weißem Neonlicht und Hydrokultur beschleunigt.According to one embodiment, the accumulation of nanoparticles in the natural fiber structure within the plant is accelerated by at least one of hot water cold shock, thermal cycling, white neon light and hydroponics.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• US 2005/0009170 [0018]US 2005/0009170 [0018]
• US 2005/0079977 [0018]US 2005/0079977 [0018]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Zhu et al., J. Environ. Monit. (2008) 10, S. 713-717; (3) Uptake, translocation and transmission of carbon nanomaterials in rice plants, Lin et al., Small (2009), S. 1128-1132 [0018]Zhu et al., J. Environ. Monit. (2008) 10, p. 713-717; (3) Uptake, translocation and transmission of carbon nanomaterials in rice plants, Lin et al., Small (2009), pp. 1128-1132 [0018]
• Ma et al., Science of the Total Environment (2010), 408.16, S. 3053-3061 [0018]Ma et al., Science of the Total Environment (2010), 408.16, pp. 3053-3061 [0018]

Claims (15)

Verbundwerkstoffmaterial, umfassend: eine Polymermatrix; und Faserverstärkungen innerhalb der Polymermatrix, wobei die Faserverstärkungen Naturfasern umfassen, die innerhalb einer Naturfaserstruktur Nanopartikel akkumuliert haben.Composite material comprising: a polymer matrix; and Fiber reinforcements within the polymer matrix, wherein the fiber reinforcements comprise natural fibers that have accumulated nanoparticles within a natural fiber structure. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Faserverstärkungen diskontinuierlich sind.Composite material after Claim 1 wherein the fiber reinforcements are discontinuous. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Nanopartikel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus kohlenstoffbasierten Nanopartikeln, Metallen und/oder Metalloxid-Nanopartikeln, Polymer-Nanopartikeln, anorganischen Nanopartikeln, funktionalisierten Nanopartikeln, mit Kohlenstoff beschichteten Metall-Nanopartikeln und Kombinationen daraus.Composite material after Claim 1 wherein the nanoparticles are selected from the group consisting of carbon-based nanoparticles, metals and / or metal oxide nanoparticles, polymer nanoparticles, inorganic nanoparticles, functionalized nanoparticles, carbon-coated metal nanoparticles, and combinations thereof. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Naturfasern von einer Pflanze stammen.Composite material after Claim 1 , wherein the natural fibers come from a plant. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 4, wobei die Pflanze ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zucchini, Mais, Tomate, Sojabohne, Bittermelone, Raps, Radieschen, Weidelgras, Salat, Gurke, Kohl, rotem Spinat, Puffbohne, Arabidopsis, Möhre, Zwiebel, Gerste, Reis, Rutenhirse, Tabak, Weizen, Gartenkresse, Sorghum, Senf, Alfalfa, Onobrychis, Pumpkin-Kürbis, Gartenerbse, Lauch, Paprikaschoten, Flachs, Weidelgras, Gerste, Agave, Rohrkolben, Mungbohne, Baumwolle, Algen, buckliger Wasserlinse, echtem Koriander, Squash-Kürbis, Bohne, Gräsern, punktierter Wasserlinse, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa, Bambus, Schilfrohr, Nelke, Dikotylenen, Lilie, Zuckerrohr, Monokotyledonen und Rübsaat.Composite material after Claim 4 , wherein the plant is selected from the group consisting of zucchini, corn, tomato, soybean, bitter melon, rapeseed, radish, ryegrass, lettuce, cucumber, cabbage, red spinach, broad bean, Arabidopsis, carrot, onion, barley, rice, barley, Tobacco, Wheat, Garden cress, Sorghum, Mustard, Alfalfa, Onobrychis, Pumpkin squash, Garden pea, Leeks, Peppers, Flax, Ryegrass, Barley, Agave, Cattail, Mung bean, Cotton, Algae, Hunchback Duck, Real coriander, Squash squash, Bean, grasses, dotted duckweed, Elsholtzia splendens, Microcystis aeruginosa, Elodea densa, bamboo, reed, carnation, dicots, lily, sugarcane, monocots and turnip seeds. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1, wobei die Naturfaserstruktur eine äußere primäre Zellwand, innere Sekundärwände, bestehend aus einer amorphen Region, und ein zentrales Lumen umfasst, wobei die Nanopartikel durch die gesamte Naturfaserstruktur dispergiert sind.Composite material after Claim 1 wherein the natural fiber structure comprises an outer primary cell wall, inner secondary walls consisting of an amorphous region, and a central lumen, wherein the nanoparticles are dispersed throughout the natural fiber structure. Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zweiteiliges duroplastisches Harz, das in der Naturfaserstruktur akkumuliert ist.Composite material after Claim 1 , further comprising a two-part thermosetting resin accumulated in the natural fiber structure. Verbundwerkstoffmaterial nach einem der Ansprüche 1-7, wobei eine Konzentration der Nanopartikel innerhalb der Naturfaserstruktur größer als etwa 5 mg/l ist.Composite material according to one of Claims 1 - 7 wherein a concentration of the nanoparticles within the natural fiber structure is greater than about 5 mg / L. Teil, geformt aus dem Verbundwerkstoffmaterial nach Anspruch 1.Part molded from the composite material according to Claim 1 , Fahrzeug, das zumindest ein Teil nach Anspruch 9 aufweist.Vehicle that is at least part after Claim 9 having. Verfahren zum Ausbilden eines Verbundwerkstoffmaterials nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Verfahren Folgendes umfassend: Akkumulieren von Nanopartikeln in einer Struktur aus Naturfasern zum Erzeugen akkumulierter Naturfasern; Trocknen der akkumulierten Naturfasern; und Vermischen der akkumulierten Naturfasern innerhalb der Polymermatrix.A method of forming a composite material according to any one of Claims 1 - 7 the method comprising: accumulating nanoparticles in a structure of natural fibers to produce accumulated natural fibers; Drying the accumulated natural fibers; and mixing the accumulated natural fibers within the polymer matrix. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Nanopartikel zur Akkumulation in der Naturfaserstruktur in einer Lösung dispergiert sind.Method according to Claim 11 wherein the nanoparticles are dispersed in a solution for accumulation in the natural fiber structure. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Lösung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Alkohol, Agar, Erde, benetzten Medien, Murashige-Skoog-Medium, Klärschlamm, Sand, Hoagland, einem wässrigen Medium, mineralischen Nährstofflösungen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und Glasperlen in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel, mineralischen Nährstofflösungen und einem aus Perlit bestehenden Substrat in einem Wasser enthaltenden Lösungsmittel und Kombinationen daraus.Method according to Claim 12 wherein the solution is selected from the group consisting of water, alcohol, agar, soil, wetted media, Murashige-Skoog medium, sewage sludge, sand, hoagland, an aqueous medium, mineral nutrient solutions in a water-containing solvent, mineral nutrient solutions and glass beads in a solvent containing water, mineral nutrient solutions and a perlite substrate in a water-containing solvent, and combinations thereof. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Naturfasern von einer Pflanze stammen und die Nanopartikellösung auf die Pflanze durch zumindest eines der Folgenden aufgetragen wird: eine Wurzelspitze, eine Pflanzenwunde, Spaltöffnungen der Blätter, Samen, ein externes Spray, eine Injektion, Inkubationsphiolen und eine Kultur.Method according to Claim 11 wherein the natural fibers are derived from a plant and the nanoparticle solution is applied to the plant by at least one of: a root tip, a plant wound, leaves stomata, seeds, an external spray, an injection, incubation vials and a culture. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Akkumulation durch zumindest eines von Heißwasser-Kaltwasserschock, Temperaturwechselbeanspruchung, weißem Neonlicht und Hydrokultur beschleunigt wird. Method according to Claim 14 wherein the accumulation is accelerated by at least one of hot water cold shock, thermal cycling, white neon light, and hydroponics.

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