Применение натуральных волокон при изготовлении полимерных композиционных материалов

Введение

Основой развития и совершенствования производства композиционных материалов является выпуск разнообразной и конкурентоспособной продукции в количествах, достаточных для обеспечения потребностей как внутреннего российского рынка, так и экспортных поставок. Выполнение этой задачи основано на разработке новых материалов и совершенствовании имеющихся технологий современного производства композиционных материалов [1–5]. При этом идет постоянный поиск передовых приемов переработки нового поколения материалов [6–15].

Одним из способов повышения эффективности производства полимерных композиционных материалов (ПКМ) является разработка ресурсосберегающих технологий, предусматривающих возможность использования продукции как растениеводства, так и деревообрабатывающей промышленности, что в свою очередь способствует снижению себестоимости продукции и рациональному расходованию природных ресурсов.

Объемы мирового производства и потребления натуральной древесины постоянно возрастают, но при этом возобновляемость лесных ресурсов не успевает за потреблением. В связи с этим возникает необходимость в новых источниках восполнения сырьевой базы. Кроме того, основная часть древесных ресурсов России располагается в восточной части страны, в то время как перерабатывающая промышленность в основном сосредоточена в центре, поэтому задача поиска доступного и дешевого сырья для производства композиционных материалов с использованием возобновляемого сырья стоит весьма остро. Ввиду этого широкое вовлечение в производство ПКМ недревесного сырья, например различных натуральных волокон, будет способствовать решению этой задачи. Для обеспечения внедрения «зеленых» технологий необходимо разработать систему технологических, технических, экологических, экономических и организационных мер, обеспечивающих экологически ориентированный рост экономики на основании применения эффективных инновационных технологий («зеленых» технологий, в том числе для разработки современных расплавных связующих и перспективных материалов на их основе с учетом их климатической устойчивости), а также заинтересованность в этом бизнес-сообщества [16–20].

Популярность натуральных волокон возрастает, в том числе в производстве композиционных материалов, – в частности, в наиболее технологически развитых отраслях промышленности, например в автомобильной. Натуральные растительные волокна обладают значительными экологическими преимуществами и имеют достаточно высокие физико-механические свойства. Такие волокна не содержат токсичных веществ, их можно быстро выращивать в необходимых количествах и они имеют приемлемую цену.

Материалы и методы

К сожалению, в отечественной промышленности при производстве ПКМ натуральные волокна не применяются, несмотря на их достаточно высокие физико-механические свойства. В настоящее время при производстве ПКМ в качестве наполнителей в основном используются стекло- и углеволокна. ПКМ на основе этих наполнителей необходимо использовать при воздействии высокой нагрузки, что часто происходит в авиации, космонавтике и специальном машиностроении. Однако существует множество областей применения ПКМ, где вполне достаточны более низкие свойства материала, а стоимость является принципиальным фактором, определяющим востребованность продукции на рынке. В таком случае применение биокомпозитоввполне оправдано и целесообразно. Приведенные в табл. 1 данные наглядно демонстрируют сопоставление основных свойств волокон, как традиционно используемых при производстве ПКМ, так и натуральных.

Таблица 1

Свойства волокон разных материалов [18]

Видно однозначное превосходство свойств стеклянного волокна, а тем более углеродного над натуральными волокнами, однако, если сопоставлять плотность материалов, а соответственно и массу изделия или удельную прочность, разница выглядит не такой существенной.

Результаты

В настоящее время в качестве материалов для отделки интерьеров железнодорожного состава используются металлы, термо- или реактопласты и их комбинации, а также (в меньшей степени) композиционные материалы на основе стекловолокна. В то же время во Франции, Финляндии, Испании ведутся разработки композиционных материалов, армированных натуральными волокнами (лен, конопля и др.), на основе как термореактивных, так и термопластичных связующих.

Весьма интересны данные, приводимые западноевропейской компанией NATEX, которая достигла немалых успехов в разработке и изготовлении ПКМ с использованием натуральных волокон как по препреговой, так и по инфузионной технологиям. В табл. 2 сравниваются свойства ПКМ на основе льняного и стеклянного волокон.

Таблица 2

Сопоставление свойств ПКМ, изготовленных на основе льняного и стеклянного волокон (по данным компании NATEX)

В табл. 2 приведена удельная прочность материалов и его модуль упругости.

Таким образом, в ряде случаев использование природных волокон при изготовлении ПКМ вполне оправдано, и такие крупные фирмы, как Audi, BMW, Opel, Peugeot, Renault, Seat, Volkswagen, Ford, Daimler, Chrysler, успешно используют эти материалы в производстве внутренней отделки автомобилей, различных панелей, сидений, бамперов (см. рисунок).

Применение натуральных волокон в автомобилестроении (данные компании BMW)

Применение волокон природного происхождения позволяет решить такие задачи, как использование возобновляемого ресурса, возможность более полной утилизации материала и, кроме того, снижение стоимости изделий, а в ряде случаев – возможная замена стекловолокна.

Рассмотрим влияние утилизации материалов из ПКМ на окружающую среду. Так, показательны результаты исследователей из Эйндховена [21], которые провели подробное исследование, как соотносятся эко-индикаторы материалов на основе льна и стекла. (Эко-индикаторы определяют по совокупности значительного числа параметров, которые включают в себя оценку влияния утилизации материала на озоновый слой Земли, зимний и летний смог, а также еще порядка 15 факторов.) Оказалось, что эко-индикатор для ПКМ на основе льняных волокон значительно ниже, чем эко-индикатор для ПКМ на основе стекловолокна. Такое существенное расхождение определяется возможностью гораздо более глубокой переработки и утилизации материала на основе природного волокна, а также значительно меньшим остаточным воздействием на окружающую среду.

Замена традиционных материалов, используемых для отделки интерьеров, на биокомпозитные должна приводить к снижению как массы изделий, так и себестоимости продукции ввиду значительно более низкой стоимости натуральных наполнителей (в 7–8 раз ниже по сравнению со стекловолокном) (табл. 3).

Таблица 3

Сопоставление стоимости различных наполнителей для изготовления ПКМ [19]

Кроме того, благодаря применению натурального возобновляемого сырья снижается экологическая нагрузка на окружающую среду (по данным финского Технического исследовательского центра (VTT), снижается потребление химического сырья на 25%, а углеродные выбросы – на 35%). Снижается также содержание формальдегида, который часто используется при изготовлении подобной продукции.

Наиболее широкое применение композиционные материалы, армированные растительными волокнами, нашли в автомобильной промышленности. Для армирования ПКМ в этом случае могут использоваться различные натуральные волокна: лен, пенька, джут, сизаль, кокос. В странах с развитым автомобилестроением эти материалы обычно импортируются. В автомобилях стали все больше использовать прочные, стойкие к коррозии, легкие полимерные композиции. В настоящее время в современных автомобилях таких материалов ˃10% (по массе), и их количество постоянно растет.

Первым стал применять пластики в автомобилестроении Генри Форд в 1941 году. В 1953 году фирма Chevrolet уже делала многие детали из полимерных материалов, армированных различными волокнами, что сократило массу автомашины на 85 кг. В 1991–1992 годах у фирмы ВМW около 149 кг от массы автомашины (или 10,1%) составляли пластики. Первый бампер из пластика был сделан в компании Ford в 1968 году, а фирма Renault в 1971 году делает бампер из полиэфира, армированного стекловолокном. Армированный натуральным растительным волокном полипропиленовый бампер делала фирма Fiat для своих автомобилей 126-й и 128-й моделей. Натуральные волокна также начал использовать концерн Mercedes-Benz, но при изготовлении топливного бака и ряда деталей применялись композиты со стекловолокном. Эффективно использование таких композитов, где армирующее волокно ориентировано в направлении приложения нагрузки, но встречается много случаев использования неориентированных материалов.

Армирование пластиков натуральными волокнами, в частности льном, позволяет существенно упростить (в сравнении с армированием стекловолокном) переработку деталей, выработавших свой срок [22, 23].

Обсуждение и заключения

1. Натуральные растительные волокна, такие как лен, пенька, джут, сизаль, кокос и др., являются прекрасным материалом для армирования полимерных композитов.
В качестве армирующих составляющих может использоваться ориентированное и спутанное, длинное и короткое льняное волокно, нетканые материалы, пряжа и ткань.

2. Натуральные растительные волокна – это материалы с достаточно высокими физико-механическими, химическими и экологическими свойствами, которые являются альтернативой синтетическим волокнам и стекловолокну.

3. Получать эти волокна можно в неограниченном количестве.

4. Увеличение производства полимерных материалов, армированных натуральными растительными волокнами:

– снижает цены на автомашины;

– стимулирует рост и развитие фермерских хозяйств;

– уменьшает загрязнение почв и улучшает состав воздуха.

5. Полимеры, армированные натуральными растительными волокнами, характеризуются меньшей массой, достаточно высокой прочностью, хорошей эластичностью и коррозионной устойчивостью.

6. Употребление натуральных волокон в таких полимерах, как крахмал, лигнин, гемицеллюлоза, дает продукцию, практически полностью подвергающуюся биоуничтожению.

7. Использование полимерных композитов, армированных натуральными растительными волокнами, такими, например, как лен, в автомобильной промышленности снижает массу большого числа деталей и всего автомобиля, что приводит к сокращению расхода топлива, снижению коррозии материалов и улучшению потребительских свойств автомашины.

8. Возможность полной вторичной переработки вышедших из строя деталей автомашин обеспечит сохранение окружающей среды и позволит регулировать потребление натуральных ресурсов, для Российской Федерации это касается в первую очередь льняного волокна. Замена стекловолокна волокнами из льна, конопли и сизаля в полипропиленовых элементах машин позволила снизить их массу на ~30–40% при сопоставимых механических свойствах.