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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.74.2020.tde-12052021-123703
Document
Author
Full name
Marzieh Kadivar
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Pirassununga, 2020
Supervisor
Committee
Savastano Junior, Holmer (President)
Krause, Andreas
Toledo Filho, Romildo Dias
Tommasiello Filho, Mario
Xiao, Yan
Title in English
Development of high performance materials based on bamboo through densification process
Keywords in English
Bamboo
Dendrocalamus asper
Densification
Microstructure
Physical and mechanical characterization
TM process
Abstract in English
Due to its sustainability, reliability, excellent physical and mechanical properties, and ease of access, bamboo has become an attractive material for engineering applications. However, several problems, such as heterogeneous properties and durability issues, still hinder the widespread use of bamboo as a building material. Therefore, bamboo undergoes special treatments and processes to solve these difficulties. Densification processes can be applied to decrease the heterogeneity of bamboo culms, enhance its mechanical performance, and consequently help using bamboo more efficiently as an industrial material in modern constructions. Reviewing the literature on bamboo densification suggests that initial moisture content, densification degree, temperature, and compression rate are the main effective parameters of the process. Therefore, the experimental studies in this thesis have been oriented to achieve optimal parameters for the densification process. First, the influence of initial moisture content on thermo-mechanical (TM) densification of bamboo was investigated through mechanical, chemical, and physical characterizations. The results of this step showed that the densification process increases density and all related bending properties (modulus of rupture (MOR), modulus of elasticity (MOE), the limit of proportionality (LOP), and specific energy (SE)) of bamboo. The densified samples with 10% initial moisture content presented the best bending properties, with an average MOR, MOE, and dynamic MOE of 318 MPa, 72.2 GPa, and 34.1 GPa respectively, with an increase of 56% for MOR and 41% for MOE in comparison with un-densified counterparts. SEM analysis of bamboo cross-sections showed the rearrangement of fibers, dense compaction of vascular bundles, and partial closure of cavities as results of densification. Physical characterization analyses revealed that the densification process was detrimental to the dimensional stability of bamboo. Therefore, in a second study, TM modification parameters (temperature, compression rate, and pressing time) were optimized to achieve the best dimensional stability through spring back (change of thickness with time after densification), water absorption, and thickness swelling measurements. According to the results of this step, the maximum achievable DD in which no shear failure and no lateral deformation occurs is about 43.6%, which can be obtained by densifying bamboo at 200 °C with a compression rate of 2 mm/min. X-ray densitometry analysis confirmed that the highest value of density, 1.30 g.cm-3, is achieved with a DD of around 50%. The lowest values of spring back, water absorption, and thickness swelling, i.e., 4.72%, 23.80%, and 17.70% respectively, for densified bamboo, are obtained when the densification process is conducted at 200 °C with a compression rate of 6.73 mm/min. Lastly, two examples of application for densified bamboo were suggested; flattened-densified bamboo and bamboo sandwich panel. In conclusion, significant gains in bamboo performance could be obtained with the densification process.
Title in Portuguese
Desenvolvimento de materiais de alto desempenho a base de bambu através de processo de densificação
Keywords in Portuguese
Bambu
Caracterização física e mecânica
Dendrocalamus asper
Densificação
Microestrutura
Processo TM
Abstract in Portuguese
O bambu se tornou um material atraente para aplicações de engenharia em vista de aspectos relacionados a sua sustentabilidade, confiabilidade, excelentes propriedades físicas e mecânicas e facilidade de acesso. No entanto, vários problemas, como propriedades heterogêneas e questões de durabilidade, ainda impedem o uso generalizado do bambu como material de construção. Portanto, o bambu passa por tratamentos e processos especiais para resolver essas dificuldades. Os processos de densificação podem ser aplicados para diminuir a heterogeneidade dos colmos de bambu, melhorar seu desempenho mecânico e, consequentemente, auxiliar no uso mais eficiente do bambu como material industrial nas construções modernas. A revisão da literatura sobre densificação de bambu sugere que o teor de umidade inicial, o grau de densificação, a temperatura e a taxa de compressão são os principais parâmetros para a eficiência do processo. Os estudos experimentais nesta tese foram orientados para alcançar parâmetros ótimos para o processo de densificação. Primeiramente, a influência do teor de umidade inicial na densificação termo-mecânica (TM) do bambu foi investigada por meio de caracterizações mecânicas, químicas e físicas. Os resultados desta etapa mostraram que o processo de densificação aumenta a densidade e melhora o comportamento frente a solicitações de tração na flexão, a saber: módulo de ruptura (MOR), módulo de elasticidade (MOE), limite de proporcionalidade (LOP) e energia específica (SE) do bambu. As amostras densificadas com 10% de umidade inicial apresentaram as melhores propriedades de flexão, com um MOR médio, MOE e MOE dinâmico de 318 MPa, 27,7 GPa e 34,1 GPa respectivamente, com um aumento de 56% para MOR e 41% para MOE em comparação com as referencias não densificadas. A análise por microscopia eletronica de varedura (MEV) de cortes transversais de bambu mostrou o rearranjo das fibras, compactação densa dos feixes vasculares e fechamento parcial das cavidades como resultados da densificação. Análises de caracterização física revelaram que o processo de densificação foi prejudicial para a estabilidade dimensional do bambu. Portanto, em um segundo estudo, os parâmetros de modificação de TM (temperatura, taxa de compressão e tempo de prensagem) foram otimizados para alcançar a melhor estabilidade dimensional por meio de spring back (recuperação da espessura com o tempo após a densificação), absorção de água e medições de inchamento. De acordo com os resultados desta etapa, a o grau de densificação (DD) máxima alcançável em que nenhuma ruptura por cisalhamento e nenhuma deformação lateral ocorre é de cerca de 43,6%, que pode ser obtida densificando o bambu a 200°C com uma taxa de compressão de 2 mm/min. A análise de densitometria de raios X confirmou que o maior valor de densidade, 1,30 g/cm3, é obtido com um DD em torno de 50%. Os menores valores de spring back, absorção de água e inchamento em espessura, ou seja, 4,72%, 23,80% e 17,70% respectivamente, para o bambu densificado, são obtidos quando o processo de densificação é conduzido a 200°C com uma taxa de compressão de 6,73 mm/min. Por último, foram sugeridos dois exemplos de aplicação para bambu densificado; bambu planificado-densificado e painel sanduíche de bambu. Em conclusão, ganhos significativos na desempenho físico e mecânico do bambu podem ser obtidos com o processo de densificação.
 
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Publishing Date
2021-05-12
 
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