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天然纤维在复合材料中的增长潜力

   日期:2020-09-14     来源:复材模压网    浏览:253    
核心提示:人们对天然纤维增强聚合物化合物的兴趣日益浓厚,北欧组织在其中扮演着重要角色,这或许并不奇怪,因为他们拥有关键的自然资源,
人们对天然纤维增强聚合物化合物的兴趣日益浓厚,北欧组织在其中扮演着重要角色,这或许并不奇怪,因为他们拥有关键的自然资源,而且以注重可持续发展而著称。芬兰和挪威的商业公司与研究机构,在利用纤维素纤维来提高塑料化合物的可持续性和性能方面取得重大进展。同时,在森林资源丰富的北美也开展了一些有趣的工作。
 
挪威木质纤维素生物质研究所的科学家说:“对塑料垃圾的环境关注,正在推动可持续生物复合材料的发展。在这种复合材料中,木质纤维素纤维增强的生物基塑料是明显的选择。木材加工业已经意识到木质纤维素纤维作为塑料和生物塑料的替代品和增强材料的潜力。”
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天然纤维复合材料可替代玻璃钢部分,用于制作仪表板、门芯板及中控台。最大好处是零件的重量减少了 25%。
 
研究人员表示,木质纤维素纤维的好处,包括改善了化合物的机械性能和环境性能。最近的研究活动还表明,木纤维可以改善生物塑料在土壤中的生物降解能力,例如可用于一次性产品的聚羟基链烷酸酯。
 
来自农产品加工残留物的纤维也很有趣,因为它们的成本低且可用性高。在像巴西这样的国家尤其如此,那里的生物基乙醇和聚乙烯是由甘蔗生产的。甘蔗渣纤维作为支流产生,约占甘蔗生物量的三分之一。他说,结果将很快发表,证实蔗渣纤维可以促进生物复合产品机械性能的改善。
 
纤维的处理
 
在芬兰,研究机构对热塑性塑料中混合天然纤维的纤维处理方面进行了研究和开发。自然资源与环境解决方案高级科学家说:“例如,我们开发了一种独特的压缩设备,用于天然纤维在复合前的预处理,它还可以将长天然纤维引入热塑性塑料中。”
 
同时,加拿大的性能生物纤维(PBI)报告成功地提高了PP和PA,以及PLA生物复合材料的材料性能。该公司与美国核管理委员会的汽车和地面运输研究中心合作,使用了纳米纤维化纤维素(NFC)和无光泽硫酸盐浆的致密混合物。
 
PBI的商用干颗粒是专门为改善生物纤维的储存、处理和用量而开发的,适用范围广泛。相关人员说,在生物复合材料中可以观察到颗粒纤维的良好分散性以及纤维和聚合物基质之间的良好粘附性。
 
PP复合材料的拉伸强度提高了9-14%,PA复合材料的拉伸强度提高了3-14%,而纤维负载量在10%到30%之间的PLA复合材料的拉伸强度提高了19-31%。PP的拉伸模量增加了5-76%,PA增加了45-116%,PLA增加了41-97%。PP的弯曲强度提高了26-64%,PA达到了3-11%,PLA达到了40-45%。PP、PA和PLA的HDT分别提高了60%、37%和134%。
 
对相容剂的综合评估可以微调每种生物复合材料的机械性能。一项已经完成的可回收性研究表明,PA和PLA生物复合材料可以经受至少五次循环的成型、测试和研磨,同时保持拉伸强度和延伸性能。PP生物复合材料的拉伸和伸长率在7次循环后仅略有下降。
 
来自汽车行业的兴趣
 
由新西兰的研究公司开发的一种设计用于增强聚烯烃化合物的木块木纤维颗粒。相关人员表示,公司在欧洲看到了对试用订单的良好需求,几家复合公司计划在未来12个月内进行大规模商业生产,但具体应用尚未公开。
 
在南非的一家公司最近宣布,其生物复合纤维素纤维已被作为生物复合材料项目中开发轻质生物复合材料的原料。该项目旨在通过用生物纤维替代矿物填料来减少8%的汽车二氧化碳排放量。一项关键目标,是强调更可持续资源的潜在利用,并在工业规模上示范这些技术。
 
建筑的机会
 
斯图加特大学和弗劳恩霍夫WKI木材研究所的研究人员正在开发生物塑料型材,这种材料利用当地可用的植物残基,如麦秸作为填充材料。弗劳恩霍夫WKI木材研究所专注于复合和型材挤出,以及生物型材的特性化;斯图加特大学专注于建筑和建筑行业中开发材料的应用。
 
据介绍,由于挤压过程中良好的成形性,生物型材不仅可以用于窗户和外墙,还可以用于各种建筑应用。一个重要的方面是满足型材在阻燃性、紫外线稳定性、隔热性和耐久性方面的要求。为了达到高水平的防火性能,其采用共挤的方法将阻燃剂引入型材的外层。
 
可流动的木质素
 
位于美国一家的工作人员表示,该公司在塑料领域的主要产品是独特的可熔融木质素。这是一种生物添加剂,可为普通树脂系统带来无与伦比的成本节约和性能。
 
公司使用一种专有的提取工艺,据称可以从几乎任何形式的生物质中有效地分离木质素。一旦提取出来,木质素就可以与传统的树脂系统或新的生物塑料材料混合,以降低成品的成本,提高可持续性并保持性能。
 
到目前为止,木质素与聚烯烃,如HDPE和PP具有极佳的相容性,当混合浓度为15-25%时,与纯聚合物相比,成品的拉伸模量和冲击强度保持100%,拉伸强度保持90%。熔融流动材料注塑模具非常好,具有高光泽、均匀的表面,并且能够填充长流量零件和复杂的几何形状。
 
这种木质素还成功地与一系列其他聚合物偶联。有证据表明,与PMMA和其他丙烯酸类材料结合时,偶联性能优异。
 
木质素也是各种生物塑料的直观补充,其固有的100%生物基含量增加了目前提供的许多奇妙的解决方案,同时作为硬化剂和成本稀释剂。如果采用适当的偶联技术,木质素可以有效地与PLA、PBAT、PHA、PBS等一起工作。
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以生物基材料制作的吸管
 
ATIS正在开发一种完全基于生物的、100%木质素的碳纤维产品。相关人员兴奋地表示:“由于拉伸强度和模量值超过了现有文献中的任何基准,这项技术已经在现有的商用熔融挤出设备上得到了验证。结合使用这一突破性产品可能降低的材料和制造成本,我们预计,与目前运输市场上的低成本碳纤维相比,成品碳纤维的制造价格可以大幅降低。”
 
一家公司也看到了人们对木质素用于生物合成产品的兴趣。目前它正在与挪威和欧洲公司密切合作,采取各种持续的举措,正在研究用于3D打印和注塑产品的不同木质素。工作人员着重介绍了由生物塑料和木质纤维素成分(如热机械纸浆纤维)组成的复杂结构(如手矫形器)的3D打印。聚合物和化合物的3D打印正在迅速从原型技术发展到量身定制产品的生产。
 
颗粒生物复合材料
 
德国的Nova研究所负责生物和二氧化碳经济的研究和咨询,同量负责监测欧洲生物复合颗粒的生产商和供应商。据估计,整个非洲大陆至少有35家生产商,2018年生产和销售的颗粒数量接近14万吨。在冠状病毒爆发之前,Nova研究所预测未来几年的年增长率将达到两位数。
 
芬兰的一家公司开发了一种新的世界级生物复合材料,满足最高的可持续性要求。这种生物复合材料将经过认证的木材和纤维素纤维在解决方案中经过认证的可再生聚丙烯结合在一起,后者使用生物燃料生产的基于木材的原料。据称,与来自于石油的化工轻油相比,每吨化工轻油可以减少三吨的温室气体排放。
 
该公司表示,它可以顺利地取代石油能源解决方案,因为它在质量和性能上与不可再生的替代品完全相同。据说这种生物复合材料几乎100%基于可再生资源。
 
相关人员表示:“在试点成功之后,我们现在期待着开始向全球的业务伙伴提供我们的新型生物复合材料。典型的最终用途包括注射成型或挤压制造的食品接触产品、个人护理产品和消费品的包装。它被描述为温暖和柔滑的手感,可以生产不同的颜色,包括浅色和深色。
 
相关人员说,随着发展,公司现在正在开发一种浓缩液,它将含有90%或更多的纤维。这一产品现在正处于研发的阶段最后,希望在明年投入商用。这种浓缩物将使制药厂有可能以天然纤维为基础开发他们自己的产品,并相应地扩大其产品组合。复合公司有很多新机会向更可持续的产品扩展,并将其解决方案定位于汽车市场和消费市场。
 
匈牙利的公司也在这一领域开展工作。据介绍,该公司在天然填料和增强材料的产品开发方面有十多年的经验,目前可以提供三种产品选择。
 
第一种方法是用纤维素粉填充聚合物。这些是经典填料:使用这些填料可以增加材料的生物含量,降低密度。典型的应用领域是挤压式平板,但该公司也有注射式模具支架的项目。
 
第二种选择是木质纤维填充聚合物。使用这种纤维,可以提高材料的机械性能,比如弯曲模量,并降低密度。在这种情况下,纤维的含量是10-40%,当含量超过40%时,纤维会相互干扰,降低性能。由于其力学性能接近玻璃纤维填充级,因此在汽车工业中很受欢迎。
 
该公司的第三种产品是填充了农用工业残留物的特殊聚合物,例如坚果壳,杏子或杏仁壳。该公司开发了一种研磨工艺,并准备了一种特殊的制剂以进行复合材料的生产。公司可以用高达70%的填料填充热塑性塑料,不仅是现成的化合物,也包括母料。目前产品可用于注塑成型。其不仅适用于普通商品,还适用于聚乳酸(PLA)等特殊行业,从而得到100%的生物解决方案。这种填料也降低了化合物的价格。PLA的价格实在太高,并且现在的供应也有问题。
 
公司的合作伙伴目前开发的应用包括餐具、美容霜包装瓶罐、花盆、食物托盘和容器,以及一些特殊产品,如婴儿鼻吸器。
 
人们对注塑用天然纤维(NAFILean)系列麻填充化合物用于生产汽车结构件的兴趣持续增长。将天然麻质纤维与聚丙烯相结合,可加工为复杂形状及结构,同时实现减重。可借助传统注塑机及相关设备进行加工。该公司表示,这是一款可循环再利用的轻量化材料,其天然纤维(大麻)的含量达到了20%,具有非常好的热机械性能。可替代结构件注塑用的玻璃纤维,可被用于制作仪表板、门芯板及中控台。最大好处是零件的重量减少了25%。
 
天然麻纤维
 
去年,零部件应用在大约13种不同的车型上,总产量约为300万辆。预计2022年的汽车产量将达到700万辆(这一预测是在冠状病毒紧急事件对汽车生产造成影响之前做出的)。
 
此公司计划在今年年底左右推出新一代更为刚性的产品。这种材料是玻璃纤维增强聚丙烯(PP)的一种更轻的替代品,具有类似的3.5GPa的拉伸模量。
 
瑞典生物复合材料制造商去年在一家新工厂投入商业运营,主要生产聚丙烯基化合物,使用欧洲农场的大麻作为增强材料。该公司把这些化合物描述为“第二代”材料,公司解释说这意味着植物成分是用来提高性能的,而不是简单地用来大量生产塑料。
 
相关人员说:“考虑到成本、废物流的上升循环以及对二氧化碳排放量的影响,第一代生物复合材料在他们的时代非常棒。但是其配方极大地限制了它们的机械性能,部分原因是纤维素成分没有完美地与复合材料中的其他成分结合。因此研究了大麻纤维和聚合物分子之间的相互作用,并开发了优化这些键的极佳方法。”
 
该公司使用专有技术切割和加工大麻纤维,以优化其作为增强材料。它最近宣布了与另一家瑞典材料公司合作的项目,该项目旨在利用林业工业的木质素副产品形成塑料树脂。此公司说,该合作伙伴已经生产出了一种基于大麻的“第三代”生物复合材料原型,其所有主要成分均来自生物来源。
 
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