De voortdurende groei van de toepassing van hout kunststof composietmaterialen is een onvermijdelijke trend

De voortdurende groei van de toepassing van hout kunststof composiet materialen is een onvermijdelijke trend

De vraag naar hout neemt toe door de sociale ontwikkeling en de snelheid waarmee de bossen groeien kan niet langer aan de vraag voldoen, waardoor de houtindustrie gedwongen wordt om te innoveren en te verkennen.

Onlangs heeft het biogebaseerde polymeerteam van het Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering van de Chinese Academy of Sciences (hierna het Ningbo Institute of Materials genoemd) houtachtige composieten gemaakt met plantenstro en andere vezelcomposieten. Teamleider en onderzoeker aan het Ningbo Institute of Materials, Zhu Jin, vertelde aan China Science Daily: "We hebben samengewerkt met bedrijven om een proces te ontwikkelen dat niet alleen het probleem van grootschalige verbranding van stro op het platteland oplost, maar ook hoopt om land- en bosbouwafval om te zetten in schatten."

Op zoek naar alternatieven voor hout

Tegenwoordig wordt de hoeveelheid rondhout verkregen door ontbossing steeds kleiner, wat leidt tot de opkomst van kunstmatige platen in de houtindustrie. De zogenaamde kunstmatige plank wordt gemaakt van snelgroeiende bomen zoals populier, eucalyptus en andere bomen met een korte groeicyclus, die worden gezaagd tot houtfineer of gemaakt tot houtvezels van gebroken hout als grondstof. Vervolgens worden ze met kleefstoffen tot platen verlijmd.

De productiemethode van kunstmatige platen is flexibel en kosteneffectief, en kan bijna voldoen aan de dagelijkse behoeften van mensen. Volgens de statistieken van het informatiecentrum van de China Wood and Wood Products Distribution Association produceerde China in 2017 jaarlijks meer dan 300 miljoen kubieke meter kunstmatige platen.

Bij kunstmatige platen komt echter vaak formaldehyde vrij door de aanwezigheid van organische lijm. Momenteel is formaldehydevervuiling een belangrijk punt van maatschappelijke zorg geworden.

"Hoewel kunstplaat een grotere verwerkingsflexibiliteit heeft dan rondhout, is het vormproces beperkt tot het produceren van eenvoudige onderdelen en kan het geen complexe onderdelen produceren zoals plastic." Zhu Jin ontdekte dat polymeerwetenschappers eerder een nieuw soort houtplastic composietmateriaal hadden gemaakt door plastic te vullen met houtpoeder. In de afgelopen 20 jaar hebben houtplastic composietmaterialen zich snel ontwikkeld vanwege hun voordelen in kunststofverwerking en de schoonheid van hout.

Er zijn ook nieuwe problemen opgedoken. "Houtkunststof composietmaterialen zijn gevuld met houtpoeder, met een vulhoeveelheid die meestal minder is dan 60%. Hun mechanische eigenschappen voldoen niet aan de eisen van hout en zijn vatbaar voor ernstige problemen zoals kromtrekken en vervorming." Zhu Jin zei dat houtplastic composietmaterialen niet echt aan de behoeften van hout kunnen voldoen en het doel om hout te vervangen niet kunnen bereiken.

Structureel gezien is de microstructuur van hout een soort vezelcomposietmateriaal. De geschiedenis van vezelcomposietmaterialen in ons land gaat zelfs terug tot de oudheid. De mensen in de oudheid gebruikten rijst- of tarwestro om klei te versterken voor het maken van huizen, wat een gebruik is van vezelcomposietmaterialen. Zhu Jin zei: "Rijst- of tarwestro is moeilijk te verzamelen en te behandelen, is gevoelig voor bederf, verbranding en waterabsorptie, dus het is moeilijk om hun aanwezigheid terug te zien in moderne composietmaterialen."

"Kunnen we op basis van de textuurstructuur van hout een nieuw soort houtachtig composietmateriaal ontwikkelen dat hout echt kan vervangen?" Zhu Jin leidde een team van biogebaseerde polymeren om een nieuwe poging te starten.

Uitdagingen op het gebied van materiaaltechnologie overwinnen

Zowel kunstmatig karton als hout kunststof composiet hout nodig hebben als grondstof. "In 2017 was China voor meer dan 60% afhankelijk van de invoer van hout." Het team van Zhu Jin kwam met het idee om eenjarige kruidachtige plantenvezels, zoals hennepvezels, bamboevezels, etc., als vezelstructuren te combineren met kunststoffen om houtachtige composietmaterialen met vezelstructuren te maken. "Dit zal de afhankelijkheid van de mensheid van hout volledig oplossen."

"Door de lagere prijzen van verschillende plantenvezels in vergelijking met polymeerharsen, zullen de kosten van deze composietmaterialen ook lager zijn dan die van de huidige kunststofharsen. Uit het onderzoek van Zhu Jin is echter gebleken dat om plantaardige vezelmaterialen op grote schaal te ontwikkelen en te gebruiken, het noodzakelijk is om de laag voor laag uitdagingen van de materiaaltechnologie te overwinnen.".

Door de sterke hydrofiliciteit van plantenvezels is hun compatibiliteit met hydrofobe polymeerharsen slecht, wat resulteert in een composietmateriaal met een aanzienlijke brosheid.

Het reactieplan van het biogebaseerde polymeerteam is om compatibele additieven te gebruiken. Ze kunnen de compatibiliteit tussen hydrofiele plantenvezels en hydrofobe polymeerharsen effectief verbeteren door compatibele additieven te selecteren en uiteindelijk met plantenvezels versterkte polymeercomposieten met hoge sterkte en hoge modulus te maken.

Naarmate het gehalte aan plantaardige vezels toeneemt, ontstaan er echter gemakkelijk verschillende defecten aan het oppervlak van composieten van plantaardige vezelpolymeren. Als de vloeibaarheid bijvoorbeeld slecht is bij de extrusieproductie, kunnen er problemen ontstaan zoals het onvermogen om continu te extruderen en een onstabiele vorm na extrusie. De oplossing van het team van Zhu Jin is het gebruik van een samengesteld smeersysteem van "interne smering" en "externe smering" om auto-onderdelen te maken met een complex uiterlijk en bijzonder hoge eisen aan de vloeibaarheid, en ook met succes continue extrusie van plaatmetaal te bereiken.

Bovendien zijn zowel plantenvezels als gewone kunststoffen brandbare materialen en is het huidige vlamvertragende probleem van composietmaterialen van plantenvezels ook een grote uitdaging.

"Andere onderzoeksteams hebben vlamvertraging bereikt door vezels te behandelen met organische oplosmiddelen of alkalische oplossingen. Deze weg is echter niet alleen tijdrovend en arbeidsintensief in termen van milieubehandeling, maar brengt ook veel extra kosten met zich mee." Zhu Jin introduceerde het stapsgewijze vlamvertragende schema van hun biogebaseerde polymeerteam waarbij gebruik wordt gemaakt van plantenvezels en een harsmatrix: de vlamvertragende behandeling wordt voor beide afzonderlijk uitgevoerd. Door wetenschappelijke vlamvertragende evaluatie heeft het composietmateriaal met een hoge vulling van plantenvezels vlamvertragend vermogen op V0-niveau bereikt.

Verwerking en voorbereiding van houtachtige materialen

De huidige voorbereiding en verwerking van plantenvezels kent ook drie uitdagingen, namelijk hoe ze centraal te verzamelen, hoe ze efficiënt te pletten en hoe ze gelijkmatig te mengen met de harsmatrix. Als we stro als voorbeeld nemen, zegt Zhu Jin dat de inzamelingskosten van stro hoog zijn, dat er veel onzuiverheden zijn en dat het uiteindelijke uitgebreide gebruik ook relatief moeilijk is. Landbouwmachines en -apparatuur kunnen dit soort stro in eerste instantie vermalen, maar de delicatesse is nog ver verwijderd van de bereiding van composietmaterialen.

Het team onder leiding van Zhu Jin ontdekte door onderzoek dat voor het oplossen van de bovenstaande problemen ten eerste geminiaturiseerde apparatuur nodig is, die op meerdere locaties binnen een bepaald geografisch bereik kan worden geproduceerd om vezelverwerking en zelfs de bereiding van composietmaterialen mogelijk te maken; ten tweede moet er een efficiënte vezelplettermethode zijn om de microvezels in stro of hennepvezels door het pletproces te scheiden van de hoofdstengel; ten slotte vereist de apparatuur een zeer sterk meng- en roerkoppel om plantenvezels met een hoog gehalte volledig te mengen met plastic harsen.

Daarom heeft het Ningbo Materials Institute samengewerkt met Weifang Yunding New Materials Technology Co., Ltd. om een high-speed menginstallatie te ontwikkelen die de bovenstaande problemen in één processtap kan oplossen. Zhu Jin zei: "Deze apparatuur kan met succes thermoplastische composietmaterialen maken met een vulgehalte tot 80% aan plantenvezels. De composietmateriaaldeeltjes die gevormd worden door grondstoffen te mengen en automatisch te snijden, kunnen geproduceerd worden via conventionele kunststof spuitgietprocessen."

Het hoge gehalte aan plantenvezels zorgt voor de hoge sterkte van composietmaterialen, die vergelijkbaar is met hout. Daarom worden polymeermaterialen met een hoog gehalte aan plantenvezels ook wel houtachtige composietmaterialen genoemd. Dit soort houtachtig composietmateriaal heeft betere uitgebreide prestaties dan hout, kunstplaat, enkelvoudig plastic en traditioneel houtplastic.

Zhu Jin verklaarde dat met de verdieping van onderzoek en marketing, imitatiehoutproducten binnenkort op de markt zullen komen en duizenden huishoudens zullen bereiken. Op deze manier heeft de ontwikkeling van hout een tijdperk bereikt van boomstammen tot kunstmatige planken en vervolgens tot eenjarige kruidachtige planten die hout imiteren, waardoor de mensheid niet langer afhankelijk is van hout en een duurzame ontwikkeling van hout wordt bereikt.