La croissance continue de l'application des matériaux composites bois-plastique est une tendance inévitable.

La croissance continue de l'application des bois composite les matériaux sont une tendance inévitable

La demande de bois augmente en raison du développement social, et la vitesse de croissance des forêts ne peut plus répondre à la demande, ce qui oblige l'industrie du bois à innover et à explorer.

Récemment, l'équipe chargée des polymères biologiques de l'Institut de technologie et d'ingénierie des matériaux de l'Académie chinoise des sciences de Ningbo (ci-après dénommé l'Institut des matériaux de Ningbo) a préparé des composites semblables au bois en utilisant de la paille végétale et d'autres composites à base de fibres. Zhu Jin, chef d'équipe et chercheur à l'Institut des matériaux de Ningbo, a déclaré au China Science Daily : "Nous avons collaboré avec des entreprises pour mettre au point un processus qui non seulement résout le problème de l'incinération à grande échelle de la paille rurale, mais espère également transformer les déchets agricoles et forestiers en trésors."

Recherche d'alternatives au bois

De nos jours, la quantité de bois rond obtenu par la déforestation diminue, ce qui a conduit à l'émergence de panneaux artificiels dans l'industrie du bois. Les panneaux artificiels sont fabriqués à partir d'arbres à croissance rapide tels que le peuplier, l'eucalyptus et d'autres arbres à cycle de croissance court, qui sont découpés en placage de bois ou transformés en fibres de bois à partir de bois cassé comme matière première. Elles sont ensuite assemblées en panneaux à l'aide d'adhésifs.

La méthode de fabrication du panneau artificiel est flexible et rentable, ce qui peut presque répondre aux besoins quotidiens des gens. Selon les statistiques du Centre d'information de l'Association chinoise de distribution du bois et des produits du bois, en 2017, la Chine a produit plus de 300 millions de mètres cubes de panneaux artificiels par an.

Cependant, les panneaux artificiels libèrent souvent du formaldéhyde en raison de la présence d'adhésifs organiques. Actuellement, la pollution par le formaldéhyde est devenue un sujet de préoccupation sociale.

"Bien que le panneau artificiel offre une plus grande souplesse de traitement que le bois rond, son processus de moulage est limité à la production de composants simples et ne permet pas de produire des composants complexes comme le plastique". Zhu Jin a découvert que les scientifiques spécialistes des polymères avaient déjà obtenu un nouveau type de matériau composite bois-plastique en remplissant du plastique avec de la poudre de bois. Au cours des 20 dernières années, les matériaux composites bois-plastique ont connu un développement rapide en raison de leurs avantages en matière de traitement du plastique et de la beauté du bois.

De nouveaux problèmes sont également apparus. "Les matériaux composites bois-plastique sont remplis de poudre de bois, avec une quantité de remplissage généralement inférieure à 60%. Leurs propriétés mécaniques ne répondent pas aux exigences du bois et sont sujettes à de graves problèmes tels que le gauchissement et la déformation". Zhu Jin a déclaré que les matériaux composites bois-plastique ne peuvent pas vraiment répondre aux besoins du bois et atteindre l'objectif de remplacer le bois.

D'un point de vue structurel, la microstructure du bois est un type de matériau composite à base de fibres. L'histoire des matériaux composites à base de fibres dans notre pays remonte même à l'Antiquité. Les anciens utilisaient la paille de riz ou de blé pour renforcer l'argile afin de construire des maisons, ce qui constitue une utilisation des matériaux composites à base de fibres. Zhu Jin a déclaré : "La paille de riz ou de blé est difficile à collecter et à traiter, elle est sujette à la détérioration, à la combustion et à l'absorption d'eau, il est donc difficile de la retrouver dans les matériaux composites modernes".

"Sur la base de la structure du bois, pouvons-nous développer un nouveau type de matériau composite semblable au bois qui puisse réellement le remplacer ? Zhu Jin a dirigé une équipe de polymères biologiques pour lancer une nouvelle tentative.

Relever les défis de la technologie des matériaux

Les panneaux artificiels et les bois composite ont besoin du bois comme matière première. "En 2017, la dépendance de la Chine à l'égard des importations de bois a atteint plus de 60%." L'équipe de Zhu Jin a eu l'idée d'utiliser des fibres de plantes herbacées annuelles, telles que les fibres de chanvre, de bambou, etc., comme structures de fibres à combiner avec des plastiques pour créer des matériaux composites à structure de fibres semblables au bois. "Cela résoudra complètement la dépendance de l'humanité à l'égard du bois.

"En raison des prix inférieurs des différentes fibres végétales par rapport aux résines polymères, le coût de ces matériaux composites sera également inférieur à celui des résines plastiques actuelles. Cependant, les recherches de Zhu Jin ont montré que pour développer et utiliser des matériaux à base de fibres végétales à grande échelle, il est nécessaire de surmonter les défis de la technologie des matériaux, couche par couche".

En raison de la forte hydrophilie des fibres végétales, leur compatibilité avec les résines polymères hydrophobes est médiocre, ce qui se traduit par une fragilité importante du matériau composite final.

Le plan de réponse de l'équipe chargée des polymères d'origine végétale consiste à utiliser des additifs compatibles. Ils peuvent améliorer efficacement la compatibilité entre les fibres végétales hydrophiles et les résines polymères hydrophobes en sélectionnant des additifs compatibles, et finalement préparer des composites polymères renforcés par des fibres végétales avec une résistance et un module élevés.

Cependant, avec l'augmentation de la teneur en fibres végétales, divers défauts se forment facilement à la surface des composites polymères à base de fibres végétales. Par exemple, dans la production par extrusion, si la fluidité est mauvaise, des problèmes tels que l'incapacité à extruder en continu et une forme instable après l'extrusion peuvent survenir. La solution de l'équipe de Zhu Jin consiste à utiliser un système de lubrifiant composé de "lubrification interne" et de "lubrification externe" pour préparer des pièces automobiles à l'aspect complexe et aux exigences de fluidité particulièrement élevées, et à réussir l'extrusion en continu de la tôle.

En outre, les fibres végétales et les plastiques courants sont des matériaux inflammables, et le problème actuel de l'ignifugation des matériaux composites à base de fibres végétales constitue également un défi majeur.

"D'autres équipes de recherche ont obtenu des propriétés ignifuges en traitant les fibres avec des solvants organiques ou des solutions alcalines. Cependant, cette méthode est non seulement longue et laborieuse en termes de traitement environnemental, mais elle engendre également de nombreux coûts supplémentaires." Zhu Jin a présenté le schéma d'ignifugation étape par étape de son équipe de polymères biologiques utilisant des fibres végétales et une matrice de résine : le traitement ignifuge est effectué séparément pour les deux. Grâce à une évaluation scientifique des propriétés ignifuges, le matériau composite à forte teneur en fibres végétales a atteint le niveau V0 de capacité ignifuge.

Transformation et préparation des matériaux dérivés du bois

La préparation et le traitement actuels des fibres végétales sont également confrontés à trois défis : comment les collecter de manière centralisée, comment les broyer efficacement et comment les mélanger de manière homogène avec la matrice de résine. Prenant l'exemple de la paille, Zhu Jin a déclaré que le coût de collecte de la paille est élevé, qu'il y a beaucoup d'impuretés et que l'utilisation finale complète est également relativement difficile. Les machines et équipements agricoles peuvent broyer ce type de paille de manière préliminaire, mais sa finesse est encore loin de la préparation de matériaux composites.

L'équipe dirigée par Zhu Jin a découvert, grâce à ses recherches, que pour résoudre les problèmes susmentionnés, il faut tout d'abord disposer d'un équipement miniaturisé pouvant être produit en plusieurs endroits dans un certain rayon géographique afin de traiter les fibres et même de préparer des matériaux composites ; ensuite, il faut disposer d'une méthode efficace de broyage des fibres afin de séparer les microfibres de la paille ou les fibres de chanvre de la tige principale grâce au processus de broyage ; enfin, l'équipement nécessite un couple de mélange et d'agitation très puissant afin de mélanger complètement les fibres végétales à haute teneur avec les résines plastiques.

À cette fin, l'Institut des matériaux de Ningbo a collaboré avec Weifang Yunding New Materials Technology Co. Ltd. pour mettre au point un équipement de mélange à grande vitesse capable de résoudre les problèmes susmentionnés en une seule étape. Zhu Jin a déclaré : "Cet équipement peut préparer avec succès des matériaux composites thermoplastiques avec un taux de remplissage allant jusqu'à 80% de fibres végétales. Les particules de matériaux composites formées par le mélange de matières premières et la découpe automatique peuvent être produites par des procédés de moulage en plastique conventionnels."

La teneur élevée en fibres végétales garantit la grande résistance des matériaux composites, qui est similaire à celle du bois. C'est pourquoi les matériaux polymères à forte teneur en fibres végétales sont également connus sous le nom de matériaux composites similaires au bois. Ce type de matériau composite similaire au bois présente de meilleures performances globales que le bois, les panneaux artificiels, le plastique simple et le plastique de bois traditionnel.

Zhu Jin a déclaré qu'avec l'approfondissement de la recherche et de la commercialisation, les produits d'imitation du bois entreront bientôt sur le marché et dans des milliers de foyers. Ainsi, le développement du bois a franchi une étape, passant des grumes aux panneaux artificiels, puis aux plantes herbacées annuelles imitant le bois, libérant ainsi l'humanité de sa dépendance à l'égard du bois et réalisant un développement durable du bois.