Das kontinuierliche Wachstum der Anwendung von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen ist ein unvermeidlicher Trend

Die kontinuierliche Zunahme der Anwendung von Holz-Kunststoff-Verbundstoff Materialien ist ein unvermeidlicher Trend

Die Nachfrage nach Holz steigt aufgrund der gesellschaftlichen Entwicklung, und die Geschwindigkeit des Waldwachstums kann die Nachfrage nicht mehr befriedigen, was die Holzindustrie zu Innovation und Forschung zwingt.

Kürzlich hat das Team für biobasierte Polymere des Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (nachstehend "Ningbo Institute of Materials" genannt) holzähnliche Verbundstoffe aus Pflanzenstroh und anderen Faserverbundstoffen hergestellt. Der Leiter des Teams und Forscher am Ningbo Institute of Materials, Zhu Jin, sagte gegenüber China Science Daily: "Wir haben mit Unternehmen zusammengearbeitet, um ein Verfahren zu entwickeln, das nicht nur das Problem der großflächigen Verbrennung von ländlichem Stroh löst, sondern auch land- und forstwirtschaftliche Abfälle in Schätze verwandeln soll."

Auf der Suche nach Alternativen zu Holz

Heutzutage geht die Menge an Rundholz, das durch Abholzung gewonnen wird, zurück, was zum Aufkommen von Kunstholzplatten in der Holzindustrie geführt hat. Die so genannte künstliche Platte wird aus schnell wachsenden Bäumen wie Pappel, Eukalyptus und anderen Bäumen mit kurzen Wachstumszyklen hergestellt, die zu Holzfurnier geschnitten oder aus gebrochenem Holz als Rohstoff zu Holzfasern verarbeitet werden. Anschließend werden sie mit Klebstoffen zu Platten verklebt.

Die Herstellungsmethode von Kunstfaserplatten ist flexibel und kostengünstig und kann nahezu den täglichen Bedarf der Menschen decken. Laut Statistiken des Informationszentrums der China Wood and Wood Products Distribution Association wurden 2017 in China jährlich über 300 Millionen Kubikmeter Kunstfaserplatten hergestellt.

Künstliche Platten setzen jedoch aufgrund des Vorhandenseins von organischen Klebstoffen häufig Formaldehyd frei. Die Verschmutzung durch Formaldehyd ist zu einem Brennpunkt der sozialen Besorgnis geworden.

"Obwohl Kunstfaserplatten im Vergleich zu Rundholz eine höhere Verarbeitungsflexibilität aufweisen, ist ihr Formgebungsverfahren auf die Herstellung einfacher Bauteile beschränkt und kann keine komplexen Bauteile wie Kunststoff herstellen." Zhu Jin entdeckte, dass Polymerwissenschaftler zuvor eine neue Art von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoff hergestellt hatten, indem sie Kunststoff mit Holzpulver füllten. In den letzten 20 Jahren haben sich Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe aufgrund ihrer Vorteile bei der Kunststoffverarbeitung und der Schönheit des Holzes rasch entwickelt.

Es sind auch neue Probleme aufgetreten. "Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe sind mit Holzpulver gefüllt, wobei die Füllmenge im Allgemeinen unter 60% liegt. Ihre mechanischen Eigenschaften entsprechen nicht den Anforderungen von Holz und sind anfällig für ernsthafte Probleme wie Verziehen und Verformung." Zhu Jin sagte, dass Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe nicht wirklich die Bedürfnisse von Holz erfüllen und das Ziel erreichen können, Holz zu ersetzen.

Strukturell gesehen ist die Mikrostruktur von Holz eine Art Faserverbundwerkstoff. Die Geschichte der Faserverbundwerkstoffe in unserem Land kann sogar bis in die Antike zurückverfolgt werden. Die Menschen der Antike benutzten Reis- oder Weizenstroh zur Verstärkung von Lehm, um Häuser zu bauen, was eine Verwendung von Faserverbundwerkstoffen darstellt. Zhu Jin sagte: "Reis- oder Weizenstroh ist schwer zu sammeln und zu behandeln, es ist anfällig für Verderb, Verbrennung und Wasseraufnahme, so dass es schwierig ist, sie in modernen Verbundwerkstoffen wiederzufinden."

"Können wir auf der Grundlage der Struktur von Holz eine neue Art von holzähnlichem Verbundmaterial entwickeln, das Holz wirklich ersetzen kann?" Zhu Jin leitete ein Team für biobasierte Polymere, um einen neuen Versuch zu starten.

Überwindung materialtechnischer Herausforderungen

Sowohl Kunstfaserplatten als auch Holz-Kunststoff-Verbundstoff benötigen Holz als Rohmaterial. "Im Jahr 2017 lag die Abhängigkeit Chinas von Holzimporten bei über 60%." Das Team von Zhu Jin hatte die Idee, einjährige Pflanzenfasern wie Hanffasern, Bambusfasern usw. als Faserstrukturen zu verwenden, um sie mit Kunststoffen zu kombinieren und holzähnliche Verbundwerkstoffe mit Faserstrukturen herzustellen. "Dies wird die Abhängigkeit der Menschheit von Holz vollständig lösen."

"Aufgrund der niedrigeren Preise verschiedener Pflanzenfasern im Vergleich zu Polymerharzen werden auch die Kosten für diese Verbundwerkstoffe niedriger sein als die der derzeitigen Kunststoffharze. Die Forschungen von Zhu Jin haben jedoch ergeben, dass für die Entwicklung und den Einsatz von Pflanzenfasermaterialien in großem Maßstab die schichtweisen Herausforderungen der Materialtechnologie überwunden werden müssen."

Aufgrund der starken Hydrophilie von Pflanzenfasern ist ihre Kompatibilität mit hydrophoben Polymerharzen schlecht, was dazu führt, dass das endgültige Verbundmaterial eine erhebliche Sprödigkeit aufweist.

Der Reaktionsplan des Teams für biobasierte Polymere besteht in der Verwendung kompatibler Zusatzstoffe. Sie können die Kompatibilität zwischen hydrophilen Pflanzenfasern und hydrophoben Polymerharzen durch die Auswahl kompatibler Additive wirksam verbessern und schließlich pflanzenfaserverstärkte Polymerverbundstoffe mit hoher Festigkeit und hohem Modul herstellen.

Mit zunehmendem Anteil an Pflanzenfasern bilden sich jedoch leicht verschiedene Defekte auf der Oberfläche von Pflanzenfaser-Polymer-Verbundwerkstoffen. Wenn beispielsweise bei der Extrusionsproduktion die Fließfähigkeit schlecht ist, können Probleme wie die Unfähigkeit, kontinuierlich zu extrudieren, und eine instabile Form nach der Extrusion auftreten. Die Lösung des Teams von Zhu Jin besteht darin, ein zusammengesetztes Schmiermittelsystem aus "interner Schmierung" und "externer Schmierung" zu verwenden, um Automobilteile mit komplexem Aussehen und besonders hohen Anforderungen an die Fließfähigkeit herzustellen und außerdem erfolgreich eine kontinuierliche Extrusion von Blechen zu erreichen.

Außerdem sind sowohl Pflanzenfasern als auch herkömmliche Kunststoffe entflammbar, und das Problem der Schwerentflammbarkeit von Pflanzenfaserverbundwerkstoffen stellt ebenfalls eine große Herausforderung dar.

"Andere Forschungsteams haben die Flammhemmung durch die Behandlung der Fasern mit organischen Lösungsmitteln oder Laugen erreicht. Dieser Weg ist jedoch nicht nur zeit- und arbeitsaufwändig, was die Umweltbehandlung angeht, sondern auch mit hohen Zusatzkosten verbunden." Zhu Jin stellte das schrittweise Flammschutzverfahren des Teams für biobasierte Polymere vor, bei dem Pflanzenfasern und Harzmatrix verwendet werden: Die Flammschutzbehandlung wird für beide getrennt durchgeführt. Durch die wissenschaftliche Bewertung des Flammschutzes hat das hochfüllende Pflanzenfaserverbundmaterial die Flammschutzklasse V0 erreicht.

Verarbeitung und Aufbereitung von holzähnlichen Materialien

Die derzeitige Aufbereitung und Verarbeitung von Pflanzenfasern steht ebenfalls vor drei Herausforderungen, nämlich wie sie zentral gesammelt, effizient zerkleinert und gleichmäßig mit der Harzmatrix vermischt werden können. Am Beispiel von Stroh sagte Zhu Jin, dass die Kosten für die Sammlung von Stroh hoch sind, dass es viele Verunreinigungen gibt und dass die abschließende umfassende Verwertung ebenfalls relativ schwierig ist. Landwirtschaftliche Maschinen und Geräte können diese Art von Stroh zwar vorläufig zerkleinern, aber seine Feinheit ist noch weit von der Herstellung von Verbundwerkstoffen entfernt.

Das Team unter der Leitung von Zhu Jin fand durch Forschung heraus, dass zur Lösung der oben genannten Probleme zunächst miniaturisierte Anlagen benötigt werden, die an mehreren Standorten innerhalb eines bestimmten geografischen Bereichs hergestellt werden können, um die Faserverarbeitung und sogar die Herstellung von Verbundwerkstoffen zu ermöglichen; zweitens sollte es eine effiziente Methode zur Faserzerkleinerung geben, um die Mikrofasern in Stroh oder Hanffasern durch den Zerkleinerungsprozess vom Hauptstamm zu trennen; schließlich benötigt die Anlage ein sehr starkes Misch- und Rührdrehmoment, um Pflanzenfasern mit hohem Gehalt an Kunststoffharzen vollständig zu mischen.

Zu diesem Zweck hat das Ningbo Materials Institute in Zusammenarbeit mit Weifang Yunding New Materials Technology Co. Ltd. eine Hochgeschwindigkeits-Mischanlage entwickelt, die die oben genannten Probleme in einem Prozessschritt lösen kann. Zhu Jin sagte: "Mit dieser Anlage können thermoplastische Verbundwerkstoffe mit einem Füllgehalt von bis zu 80% an Pflanzenfasern erfolgreich hergestellt werden. Die durch Mischen von Rohstoffen und automatisches Schneiden gebildeten Verbundwerkstoffpartikel können durch herkömmliche Kunststoffformverfahren hergestellt werden."

Der hohe Anteil an Pflanzenfasern sorgt für eine hohe Festigkeit der Verbundwerkstoffe, die der von Holz ähnelt. Daher werden Polymerwerkstoffe mit hohem Pflanzenfaseranteil auch als holzähnliche Verbundwerkstoffe bezeichnet. Diese Art von holzähnlichen Verbundwerkstoffen hat eine bessere Gesamtleistung als Holz, Kunstfaserplatten, einfacher Kunststoff und traditioneller Holzkunststoff.

Zhu Jin erklärte, dass mit der Vertiefung von Forschung und Marketing bald Holzimitate auf den Markt kommen und Tausende von Haushalten erreichen werden. Auf diese Weise hat die Entwicklung von Holz eine Ära erreicht, die von Stämmen zu künstlichen Brettern und dann zu einjährigen Stauden, die Holz imitieren, führt und die Menschheit von der Abhängigkeit von Holz befreit und eine nachhaltige Entwicklung von Holz erreicht.