La continua crescita dell'applicazione dei materiali compositi in legno e plastica è una tendenza inevitabile.

La continua crescita dell'applicazione di composito di legno e plastica i materiali sono una tendenza inevitabile

La domanda di legno è in aumento a causa dello sviluppo sociale e la velocità di crescita delle foreste non è più in grado di soddisfare la domanda, il che costringe l'industria del legno a innovare ed esplorare.

Recentemente, il team di biopolimeri dell'Istituto di Tecnologia e Ingegneria dei Materiali dell'Accademia Cinese delle Scienze di Ningbo (di seguito denominato Istituto dei Materiali di Ningbo) ha preparato dei compositi simili al legno utilizzando paglia di piante e altre fibre composite. Il leader del team e ricercatore dell'Istituto dei Materiali di Ningbo, Zhu Jin, ha dichiarato al China Science Daily: "Abbiamo collaborato con le imprese per sviluppare un processo che non solo risolve il problema della combustione su larga scala della paglia rurale, ma spera anche di trasformare i rifiuti agricoli e forestali in un tesoro".

Ricerca di alternative al legno

Al giorno d'oggi, la quantità di legno tondo ottenuto attraverso la deforestazione sta diminuendo, portando alla nascita di pannelli artificiali nell'industria del legno. I cosiddetti pannelli artificiali sono realizzati con alberi a crescita rapida come il pioppo, l'eucalipto e altri alberi con cicli di crescita brevi, che vengono tagliati in impiallacciature di legno o trasformati in fibre di legno da legno spezzato come materie prime. Vengono poi incollati in pannelli con l'ausilio di adesivi.

Il metodo di produzione del pannello artificiale è flessibile ed economico, in grado di soddisfare quasi tutte le esigenze quotidiane delle persone. Secondo le statistiche del Centro informazioni dell'Associazione cinese per la distribuzione del legno e dei prodotti in legno, nel 2017 la Cina ha prodotto oltre 300 milioni di metri cubi di pannelli artificiali all'anno.

Tuttavia, i pannelli artificiali spesso rilasciano formaldeide a causa della presenza di adesivi organici. Attualmente, l'inquinamento da formaldeide è diventato un punto focale di preoccupazione sociale.

"Sebbene il cartone artificiale abbia una maggiore flessibilità di lavorazione rispetto al legno tondo, il suo processo di stampaggio è limitato alla produzione di componenti semplici e non può produrre componenti complessi come la plastica". Zhu Jin ha scoperto che gli scienziati dei polimeri avevano precedentemente ottenuto un nuovo tipo di materiale composito legno-plastica riempiendo la plastica con polvere di legno. Negli ultimi 20 anni, i materiali compositi legno-plastica si sono sviluppati rapidamente grazie ai loro vantaggi nella lavorazione della plastica e alla bellezza del legno.

Sono emersi anche nuovi problemi. "I materiali compositi legno-plastica sono riempiti con polvere di legno, con una quantità di riempimento generalmente inferiore a 60%. Le loro proprietà meccaniche non soddisfano i requisiti del legno e sono soggette a gravi problemi, come deformazioni e incrinature". Zhu Jin ha affermato che i materiali compositi legno-plastica non possono realmente soddisfare le esigenze del legno e raggiungere l'obiettivo di sostituirlo.

Dal punto di vista strutturale, la microstruttura del legno è un tipo di materiale composito in fibra. La storia dei materiali compositi in fibra nel nostro Paese può essere fatta risalire addirittura ai tempi antichi. Gli antichi usavano la paglia di riso o di grano per rinforzare l'argilla e costruire case, il che rappresenta un utilizzo dei materiali compositi in fibra. Zhu Jin ha dichiarato: "La paglia di riso o di grano è difficile da raccogliere e da trattare, è soggetta a deterioramento, combustione e assorbimento d'acqua, quindi è difficile rivederne la presenza nei moderni materiali compositi".

"Basandoci sulla struttura del legno, possiamo sviluppare un nuovo tipo di materiale composito simile al legno che possa davvero sostituirlo?". Zhu Jin ha guidato un team di polimeri biologici per avviare un nuovo tentativo.

Superare le sfide della tecnologia dei materiali

Sia la tavola artificiale che composito di legno e plastica richiedono il legno come materia prima. "Nel 2017, la dipendenza della Cina dalle importazioni di legno ha superato le 60%". Il team di Zhu Jin ha avuto l'idea di utilizzare le fibre di piante erbacee annuali, come le fibre di canapa, bambù, ecc. come strutture di fibre da combinare con la plastica per creare materiali compositi simili al legno con strutture di fibre. "Questo risolverà completamente la dipendenza dell'umanità dal legno".

"Grazie ai prezzi più bassi di varie fibre vegetali rispetto alle resine polimeriche, anche il costo di questi materiali compositi sarà inferiore a quello delle attuali resine plastiche. Tuttavia, la ricerca di Zhu Jin ha rilevato che per sviluppare e utilizzare i materiali in fibra vegetale su larga scala, è necessario superare le sfide della tecnologia dei materiali strato per strato".

A causa della forte idrofilia delle fibre vegetali, la loro compatibilità con le resine polimeriche idrofobiche è scarsa, con il risultato che il materiale composito finale presenta una notevole fragilità.

Il piano di risposta del team di biopolimeri consiste nell'utilizzare additivi compatibili. Possono migliorare efficacemente la compatibilità tra le fibre vegetali idrofile e le resine polimeriche idrofobe selezionando additivi compatibili e, infine, preparare compositi polimerici rinforzati con fibre vegetali ad alta resistenza e alto modulo.

Tuttavia, con l'aumento del contenuto di fibre vegetali, sulla superficie dei compositi polimerici di fibre vegetali si formano facilmente vari difetti. Ad esempio, nella produzione per estrusione, se la fluidità è scarsa, possono verificarsi problemi come l'impossibilità di estrudere in modo continuo e l'instabilità della forma dopo l'estrusione. La soluzione del team di Zhu Jin consiste nell'utilizzare un sistema di lubrificazione composto di "lubrificazione interna" e "lubrificazione esterna" per preparare parti automobilistiche dall'aspetto complesso e con requisiti di fluidità particolarmente elevati, nonché per ottenere con successo l'estrusione continua di lamiere.

Inoltre, sia le fibre vegetali che le plastiche comuni sono materiali infiammabili e l'attuale problema del ritardante di fiamma dei materiali compositi in fibra vegetale rappresenta una sfida importante.

"Altri gruppi di ricerca hanno ottenuto il ritardo di fiamma trattando le fibre con solventi organici o soluzioni alcaline. Tuttavia, questo percorso non solo richiede tempo e lavoro in termini di trattamento ambientale, ma aggiunge anche molti costi aggiuntivi". Zhu Jin ha presentato lo schema di ritardante di fiamma del team di biopolimeri che utilizza fibre vegetali e matrice di resina: il trattamento ritardante di fiamma viene effettuato separatamente per entrambi. Grazie alla valutazione scientifica dei ritardanti di fiamma, il materiale composito in fibra vegetale ad alto riempimento ha raggiunto la capacità di ritardare la fiamma di livello V0.

Lavorazione e preparazione di materiali simili al legno

L'attuale preparazione e lavorazione delle fibre vegetali deve affrontare tre sfide: come raccoglierle centralmente, come frantumarle in modo efficiente e come mescolarle in modo uniforme con la matrice di resina. Prendendo come esempio la paglia, Zhu Jin ha detto che il costo di raccolta della paglia è alto, ci sono molte impurità e anche l'utilizzo finale completo è relativamente difficile. Le macchine e le attrezzature agricole sono in grado di frantumare preliminarmente questo tipo di paglia, ma la sua delicatezza è ancora lontana dalla preparazione di materiali compositi.

Il team guidato da Zhu Jin ha scoperto, attraverso la ricerca, che per risolvere i problemi di cui sopra è necessaria innanzitutto un'apparecchiatura miniaturizzata, che possa essere prodotta in più luoghi entro un certo raggio geografico per ottenere la lavorazione delle fibre e persino la preparazione di materiali compositi; in secondo luogo, è necessario un metodo efficiente di frantumazione delle fibre per separare le microfibre di paglia o di canapa dallo stelo principale attraverso il processo di frantumazione; infine, l'apparecchiatura richiede una coppia di miscelazione e agitazione molto forte per miscelare completamente le fibre vegetali ad alto contenuto con le resine plastiche.

A tal fine, l'Istituto dei Materiali di Ningbo ha collaborato con la Weifang Yunding New Materials Technology Co., Ltd. per sviluppare un'apparecchiatura di miscelazione ad alta velocità in grado di risolvere i problemi di cui sopra in un'unica fase del processo. Zhu Jin ha dichiarato: "Questa apparecchiatura può preparare con successo materiali compositi termoplastici con un contenuto di fibre vegetali fino a 80%. Le particelle di materiale composito formate dalla miscelazione delle materie prime e dal taglio automatico possono essere prodotte attraverso i processi convenzionali di stampaggio della plastica".

L'elevato contenuto di fibre vegetali garantisce un'elevata resistenza dei materiali compositi, simile a quella del legno. Pertanto, i materiali polimerici ad alto contenuto di fibre vegetali sono noti anche come materiali compositi simili al legno. Questo tipo di materiale composito simile al legno ha prestazioni globali migliori rispetto al legno, al pannello artificiale, alla plastica singola e alla plastica tradizionale del legno.

Zhu Jin ha dichiarato che con l'approfondimento della ricerca e del marketing, i prodotti di imitazione del legno entreranno presto nel mercato e in migliaia di famiglie. In questo modo, lo sviluppo del legno ha raggiunto un'era che va dai tronchi alle tavole artificiali, e poi alle piante erbacee annuali che imitano il legno, liberando l'umanità dalla dipendenza dal legno e raggiungendo uno sviluppo sostenibile del legno.