Постоянный рост применения древесно-полимерных композиционных материалов - неизбежная тенденция.

Постоянный рост применения древесно-пластиковый композит материалы - это неизбежная тенденция

Спрос на древесину растет в связи с развитием общества, а скорость роста лесов уже не может удовлетворить спрос, что заставляет деревообрабатывающую промышленность внедрять инновации и проводить исследования.

Недавно группа специалистов по биополимерам из Института технологии и инженерии материалов Нинбо Китайской академии наук (далее - Институт материалов Нинбо) подготовила композиты, напоминающие дерево, используя солому растений и другие волокнистые композиты. Руководитель группы и научный сотрудник Института материалов Нинбо Чжу Цзинь рассказал China Science Daily: "Мы сотрудничали с предприятиями, чтобы разработать процесс, который не только решает проблему масштабного сжигания сельской соломы, но и надеется превратить отходы сельского и лесного хозяйства в сокровища".

Поиск альтернатив дереву

В настоящее время количество круглого леса, получаемого в результате вырубки лесов, сокращается, что привело к появлению искусственных плит в деревообрабатывающей промышленности. Так называемые искусственные плиты изготавливаются из быстрорастущих деревьев, таких как тополь, эвкалипт и другие деревья с коротким циклом роста, которые в качестве сырья разрезаются на шпон или превращаются в древесные волокна из сломанной древесины. Затем они соединяются в плиты с помощью клея.

Метод производства искусственной доски является гибким и экономически эффективным, что может практически удовлетворить повседневные потребности людей. Согласно статистике Информационного центра Китайской ассоциации по распространению древесины и изделий из нее, в 2017 году в Китае ежегодно производилось более 300 миллионов кубометров искусственных плит.

Однако искусственные плиты часто выделяют формальдегид из-за наличия органических клеев. В настоящее время загрязнение формальдегидом стало предметом озабоченности общества.

"Хотя искусственная плита обладает повышенной гибкостью обработки по сравнению с круглой древесиной, процесс ее формовки ограничен производством простых компонентов и не может создавать сложные компоненты, как пластик." Чжу Цзинь обнаружил, что ученые-полимерщики ранее получили новый тип древесно-полимерного композитного материала, наполнив пластик древесной мукой. За последние 20 лет древесно-полимерные композитные материалы быстро развивались благодаря своим преимуществам в переработке пластика и красоте дерева.

Появились и новые проблемы. "Древесно-полимерные композиционные материалы наполнены древесной мукой, причем количество наполнителя обычно меньше, чем 60%. Их механические свойства не соответствуют требованиям древесины и подвержены таким серьезным проблемам, как коробление и деформация". Чжу Цзинь считает, что древесно-полимерные композитные материалы не могут по-настоящему удовлетворить потребности древесины и достичь цели замены дерева.

С точки зрения структуры, микроструктура древесины представляет собой разновидность волокнистого композитного материала. История применения волокнистых композитных материалов в нашей стране уходит корнями в глубокую древность. Древние люди использовали рисовую или пшеничную солому для укрепления глины при строительстве домов, что является применением волокнистых композитных материалов. Чжу Цзинь сказал: "Рисовую или пшеничную солому трудно собирать и обрабатывать, она подвержена порче, горению и поглощению воды, поэтому трудно увидеть их повторное присутствие в современных композитных материалах".

"Основываясь на текстурной структуре древесины, можем ли мы разработать новый тип древесного композитного материала, который действительно сможет заменить дерево?" Чжу Цзинь возглавил группу специалистов по биополимерам, чтобы начать новую попытку.

Преодоление трудностей, связанных с технологией производства материалов

Как искусственная доска, так и древесно-пластиковый композит требуют древесины в качестве сырья. "В 2017 году зависимость Китая от импорта древесины достигла более 60%". Команда Чжу Цзиня выдвинула идею использовать волокна однолетних травянистых растений, таких как конопля, бамбук и т. д., в качестве волокнистых структур для соединения с пластмассами, чтобы создать древесные композитные материалы с волокнистыми структурами. "Это позволит полностью решить проблему зависимости человечества от древесины".

"Благодаря более низким ценам на различные растительные волокна по сравнению с полимерными смолами, стоимость этих композитных материалов также будет ниже, чем у нынешних пластиковых смол. Однако исследование Чжу Цзиня показало, что для разработки и широкомасштабного использования материалов из растительных волокон необходимо преодолеть послойные трудности технологии производства материалов".

Из-за сильной гидрофильности растительных волокон их совместимость с гидрофобными полимерными смолами оставляет желать лучшего, в результате чего конечный композитный материал приобретает значительную хрупкость.

План действий команды разработчиков полимеров на биооснове заключается в использовании совместимых добавок. Они могут эффективно улучшить совместимость между гидрофильными растительными волокнами и гидрофобными полимерными смолами, выбрав совместимые добавки, и в конечном итоге получить полимерные композиты, армированные растительными волокнами, с высокой прочностью и высоким модулем упругости.

Однако с увеличением содержания растительных волокон на поверхности полимерных композитов из растительных волокон легко образуются различные дефекты. Например, при экструзионном производстве, если текучесть плохая, могут возникнуть такие проблемы, как невозможность непрерывного экструдирования и нестабильная форма после экструзии. Решение команды Чжу Цзиня заключается в использовании комбинированной системы смазки "внутренняя смазка" и "внешняя смазка" для подготовки автомобильных деталей со сложным внешним видом и особенно высокими требованиями к текучести, а также успешного достижения непрерывной экструзии листового металла.

Кроме того, растительные волокна и обычные пластмассы являются легковоспламеняющимися материалами, поэтому проблема огнезащиты композитных материалов из растительных волокон также является серьезной проблемой.

"Другие исследовательские группы добивались огнестойкости путем обработки волокон органическими растворителями или щелочными растворами. Однако этот путь не только отнимает много времени и сил с точки зрения экологической обработки, но и влечет за собой множество дополнительных расходов". Чжу Цзинь представил пошаговую схему огнезащиты биополимеров с использованием растительных волокон и смоляной матрицы: огнезащитная обработка проводится отдельно для обоих компонентов. Благодаря научной оценке огнестойкости композитный материал с высоким содержанием растительных волокон достиг уровня огнестойкости V0.

Обработка и подготовка древесных материалов

В настоящее время подготовка и переработка растительных волокон также сталкивается с тремя проблемами: как собрать их в центре, как эффективно измельчить их и как равномерно смешать их со смоляной матрицей. На примере соломы Чжу Цзинь отметил, что стоимость сбора соломы высока, в ней много примесей, а конечная комплексная утилизация также относительно сложна. Сельскохозяйственные машины и оборудование могут предварительно измельчить этот вид соломы, но ее деликатность все еще далека от подготовки композитных материалов.

Команда под руководством Чжу Цзиня в ходе исследований пришла к выводу, что для решения вышеперечисленных проблем необходимо, во-первых, миниатюрное оборудование, которое можно производить в нескольких местах в определенном географическом диапазоне для переработки волокон и даже подготовки композитных материалов; во-вторых, должен быть эффективный метод дробления волокон, чтобы отделить микроволокна в соломе или конопле от основного стебля в процессе дробления; наконец, оборудование требует очень сильного момента смешивания и перемешивания для полного смешивания растительных волокон с высоким содержанием пластиковых смол.

С этой целью Институт материалов Нинбо в сотрудничестве с компанией Weifang Yunding New Materials Technology Co., Ltd. разработал высокоскоростное оборудование для смешивания, которое позволяет решить все вышеперечисленные проблемы за один технологический этап. Чжу Цзинь сказал: "Это оборудование может успешно готовить термопластичные композиционные материалы с содержанием растительных волокон до 80%. Частицы композитного материала, сформированные путем смешивания сырья и автоматической резки, могут быть произведены с помощью обычных процессов литья пластмасс".

Высокое содержание растительных волокон обеспечивает высокую прочность композитных материалов, которая напоминает древесину. Поэтому полимерные материалы с высоким содержанием растительных волокон также известны как деревоподобные композитные материалы. Этот вид древесно-подобного композитного материала обладает лучшими комплексными характеристиками, чем дерево, искусственная доска, отдельный пластик и традиционный древесный пластик.

Чжу Цзинь заявил, что с углублением исследований и маркетинга продукты, имитирующие древесину, скоро выйдут на рынок и войдут в тысячи домохозяйств. Таким образом, развитие древесины достигло эры от бревен к искусственным доскам, а затем к однолетним травянистым растениям, имитирующим древесину, освобождая человечество от зависимости от древесины и достигая устойчивого развития древесины.