Pertumbuhan berkelanjutan dari aplikasi material komposit plastik kayu adalah tren yang tak terelakkan

Pertumbuhan berkelanjutan dari penerapan komposit plastik kayu bahan adalah tren yang tak terelakkan

Permintaan akan kayu semakin meningkat karena perkembangan sosial, dan kecepatan pertumbuhan hutan tidak dapat lagi memenuhi permintaan tersebut, yang memaksa industri kayu untuk berinovasi dan bereksplorasi.

Baru-baru ini, tim polimer berbasis bio dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok Institut Teknologi dan Rekayasa Bahan Ningbo (selanjutnya disebut sebagai Institut Bahan Ningbo) telah membuat komposit seperti kayu dengan menggunakan jerami tanaman dan komposit serat lainnya. Ketua tim dan peneliti di Ningbo Institute of Materials, Zhu Jin, mengatakan kepada China Science Daily, "Kami telah berkolaborasi dengan perusahaan untuk mengembangkan proses yang tidak hanya memecahkan masalah pembakaran jerami pedesaan dalam skala besar, tetapi juga berharap dapat mengubah limbah pertanian dan kehutanan menjadi harta karun."

Mencari alternatif pengganti kayu

Saat ini, jumlah kayu bulat yang diperoleh dari penebangan hutan semakin berkurang, yang menyebabkan munculnya papan buatan dalam industri kayu. Papan buatan ini terbuat dari pohon yang tumbuh cepat seperti poplar, eukaliptus, dan pohon lain dengan siklus pertumbuhan yang pendek, yang dipotong menjadi veneer kayu atau dibuat menjadi serat kayu dari kayu yang dipatahkan sebagai bahan baku. Serat-serat tersebut kemudian diikat menjadi papan dengan menggunakan perekat.

Metode pembuatan papan buatan fleksibel dan hemat biaya, yang hampir dapat memenuhi kebutuhan sehari-hari masyarakat. Menurut statistik dari Pusat Informasi Asosiasi Distribusi Kayu dan Produk Kayu China, pada tahun 2017, China memproduksi lebih dari 300 juta meter kubik papan buatan setiap tahunnya.

Namun, papan buatan sering kali melepaskan formaldehida karena adanya perekat organik. Saat ini, polusi formaldehida telah menjadi titik fokus perhatian sosial.

"Meskipun papan buatan telah meningkatkan fleksibilitas pemrosesan dibandingkan dengan kayu bulat, proses pencetakannya terbatas untuk menghasilkan komponen sederhana dan tidak dapat menghasilkan komponen yang kompleks seperti plastik." Zhu Jin menemukan bahwa para ilmuwan polimer sebelumnya telah mendapatkan jenis baru bahan komposit plastik kayu dengan mengisi plastik dengan serbuk kayu. Dalam 20 tahun terakhir, material komposit plastik kayu telah berkembang pesat karena keunggulannya dalam pemrosesan plastik dan keindahan kayu.

Masalah baru juga muncul. "Material komposit plastik kayu diisi dengan serbuk kayu, dengan jumlah pengisian umumnya kurang dari 60%. Sifat mekaniknya tidak memenuhi persyaratan kayu dan rentan terhadap masalah serius seperti lengkungan dan deformasi." Zhu Jin mengatakan bahwa bahan komposit plastik kayu tidak dapat benar-benar memenuhi kebutuhan kayu dan mencapai tujuan menggantikan kayu.

Secara struktural, struktur mikro kayu adalah jenis material komposit serat. Sejarah material komposit serat di negara kita bahkan dapat ditelusuri kembali ke zaman kuno. Orang-orang kuno menggunakan jerami padi atau jerami gandum untuk memperkuat tanah liat untuk membuat rumah, yang merupakan pemanfaatan bahan komposit serat. Zhu Jin berkata, "Jerami padi atau jerami gandum sulit untuk dikumpulkan dan diolah, rentan terhadap pembusukan, pembakaran, dan penyerapan air, sehingga sulit untuk melihat keberadaannya lagi dalam material komposit modern."

"Berdasarkan struktur tekstur kayu, bisakah kita mengembangkan jenis kayu baru seperti material komposit yang benar-benar dapat menggantikan kayu?" Zhu Jin memimpin tim polimer berbasis bio untuk memulai upaya baru.

Mengatasi tantangan teknologi material

Baik papan buatan maupun komposit plastik kayu membutuhkan kayu sebagai bahan bakunya. "Pada tahun 2017, ketergantungan Tiongkok terhadap impor kayu telah mencapai lebih dari 60%." Tim Zhu Jin memiliki ide untuk menggunakan serat tanaman herba tahunan, seperti serat rami, serat bambu, dll., sebagai struktur serat yang akan digabungkan dengan plastik untuk membuat bahan komposit seperti kayu dengan struktur serat. "Ini benar-benar akan mengatasi ketergantungan manusia pada kayu."

"Karena harga berbagai serat tanaman yang lebih rendah dibandingkan dengan resin polimer, biaya bahan komposit ini juga akan lebih rendah daripada resin plastik saat ini. Namun, penelitian Zhu Jin telah menemukan bahwa untuk mengembangkan dan memanfaatkan bahan serat tanaman dalam skala besar, perlu untuk mengatasi tantangan lapisan demi lapisan teknologi material.".

Karena sifat hidrofilisitas yang kuat dari serat tanaman, kompatibilitasnya dengan resin polimer hidrofobik menjadi buruk, sehingga menghasilkan material komposit akhir yang menunjukkan kerapuhan yang signifikan.

Rencana tanggapan dari tim polimer berbasis bio adalah menggunakan aditif yang kompatibel. Mereka dapat secara efektif meningkatkan kompatibilitas antara serat tanaman hidrofilik dan resin polimer hidrofobik dengan memilih aditif yang kompatibel, dan pada akhirnya menyiapkan komposit polimer yang diperkuat serat tanaman dengan kekuatan tinggi dan modulus tinggi.

Namun, dengan meningkatnya kandungan serat tanaman, berbagai cacat mudah terbentuk pada permukaan komposit polimer serat tanaman. Misalnya, dalam produksi ekstrusi, jika fluiditasnya buruk, masalah seperti ketidakmampuan untuk terus menerus mengekstrusi dan bentuk yang tidak stabil setelah ekstrusi dapat terjadi. Solusi dari tim Zhu Jin adalah dengan menggunakan sistem pelumas majemuk "pelumasan internal" dan "pelumasan eksternal" untuk menyiapkan suku cadang otomotif dengan tampilan yang rumit dan persyaratan fluiditas yang sangat tinggi, dan juga berhasil mencapai ekstrusi lembaran logam secara terus menerus.

Selain itu, baik serat tanaman maupun plastik biasa merupakan bahan yang mudah terbakar, dan masalah tahan api saat ini dari bahan komposit serat tanaman juga menjadi tantangan utama.

"Tim peneliti lain telah mencapai ketahanan api dengan memperlakukan serat dengan pelarut organik atau larutan alkali. Namun, cara ini tidak hanya memakan waktu dan tenaga kerja dalam hal perawatan lingkungan, tetapi juga menambah banyak biaya tambahan." Zhu Jin memperkenalkan skema penghambat api langkah demi langkah dari tim polimer berbasis bio mereka yang menggunakan serat tanaman dan matriks resin: perawatan penghambat api dilakukan secara terpisah untuk keduanya. Melalui evaluasi tahan api ilmiah, material komposit serat tanaman dengan pengisian tinggi telah mencapai kemampuan tahan api tingkat V0.

Memproses dan menyiapkan bahan seperti kayu

Persiapan dan pemrosesan serat tanaman saat ini juga menghadapi tiga tantangan, yaitu cara mengumpulkannya secara terpusat, cara menghancurkannya secara efisien, dan cara mencampurnya secara merata dengan matriks resin. Mengambil contoh jerami, Zhu Jin mengatakan bahwa biaya pengumpulan jerami tinggi, ada banyak kotoran, dan pemanfaatan akhir yang komprehensif juga relatif sulit. Mesin dan peralatan pertanian pada awalnya dapat menghancurkan jerami jenis ini, tetapi kehalusannya masih jauh dari persiapan bahan komposit.

Tim yang dipimpin oleh Zhu Jin menemukan melalui penelitian bahwa untuk mengatasi masalah di atas, pertama-tama diperlukan peralatan miniatur, yang dapat diproduksi di berbagai lokasi dalam jangkauan geografis tertentu untuk mencapai pemrosesan serat dan bahkan persiapan bahan komposit; Kedua, harus ada metode penghancuran serat yang efisien untuk memisahkan serat mikro pada jerami atau serat rami dari batang utama melalui proses penghancuran; Terakhir, peralatan tersebut membutuhkan torsi pencampuran dan pengadukan yang sangat kuat untuk mencampur serat tanaman berkadar tinggi dengan resin plastik.

Untuk tujuan ini, Ningbo Materials Institute telah berkolaborasi dengan Weifang Yunding New Materials Technology Co, Ltd untuk mengembangkan peralatan pencampuran berkecepatan tinggi yang dapat menyelesaikan masalah di atas dalam satu langkah proses. Zhu Jin berkata, "Peralatan ini berhasil menyiapkan bahan komposit termoplastik dengan kandungan serat tanaman hingga 80%. Partikel material komposit yang dibentuk dengan mencampurkan bahan baku dan pemotongan otomatis dapat diproduksi melalui proses pencetakan plastik konvensional."

Kandungan serat tanaman yang tinggi memastikan kekuatan material komposit yang tinggi, yang mirip dengan kayu. Oleh karena itu, bahan polimer serat tanaman dengan kandungan tinggi juga dikenal sebagai bahan komposit seperti kayu. Jenis bahan komposit seperti kayu ini memiliki kinerja komprehensif yang lebih baik daripada kayu, papan buatan, plastik tunggal, dan plastik kayu tradisional.

Zhu Jin menyatakan bahwa dengan pendalaman riset dan pemasaran, produk kayu imitasi akan segera memasuki pasar dan masuk ke ribuan rumah tangga. Dengan cara ini, pengembangan kayu telah mencapai era dari kayu gelondongan menjadi papan buatan, dan kemudian menjadi tanaman herba tahunan yang meniru kayu, membebaskan manusia dari ketergantungan pada kayu dan mencapai pengembangan kayu yang berkelanjutan.