Biokompozyty – przegląd

Biokompozyty są uważane za materiały nowej generacji, ponieważ mogą być wytwarzane przy użyciu naturalnych/zielonych składników, zapewniając zrównoważony rozwój, ekoefektywność i zieloną chemię. Obecnie biokompozyty są wykorzystywane w wielu sektorach, takich jak motoryzacyjny, biomedyczny, energetyczny, zabawkarski, sportowy itd. 

Po nadzwyczajnym okresie wzrostu wykorzystania w różnych zastosowaniach żywic syntetycznych wzmocnionych włóknem w ciągu ostatnich 80 lat, w ciągu ostatnich kilku lat nastąpił ponowny wzrost zainteresowania kompozytami na bazie komponentów naturalnych. Na tendencję tę wpłynęło wiele czynników, w tym zwiększone obawy o środowisko i zdrowie, bardziej zrównoważone metody produkcji i zmniejszone zużycie energii, które sprzyjają dążeniu do uzyskania lżejszych konstrukcji. Materiały pochodzące z zasobów odnawialnych są poszukiwane w celu zastąpienia nie tylko fazy wzmacniającej, ale również osnowy materiałów kompozytowych, co rozwiązuje niektóre problemy ze stosowaniem materiałów syntetycznych w kompozytach.

Biokompozyty są materiałami kompozytowymi zawierającymi jedną lub więcej faz pochodzenia organicznego. Jeśli chodzi o wzmocnienie, mogą to być włókna roślinne, takie jak bawełna, len, konopie i tym podobne, lub włókna z drewna poddanego recyklingowi lub makulatury, a nawet produkty uboczne z upraw żywności. Definicja ta obejmuje również regenerowane włókna celulozowe, ponieważ one również pochodzą z zasobów odnawialnych, podobnie jak naturalne włókna celulozy i chityny. Osnową mogą być polimery, najlepiej pochodzącymi z zasobów odnawialnych, takich jak oleje roślinne lub skrobia. Alternatywą, a obecnie bardziej powszechną, jest przewaga polimerów syntetycznych pochodzenia kopalnego, które mogą być albo „pierwotnymi” lub poddanymi recyklingowi termoplastami, takimi jak polietylen, polipropylen, polistyren i polichlorek winylu, albo pierwotnymi termoutwardzalnymi tworzywami sztucznymi, takimi jak nienasycone poliestry, formaldehyd fenolowy, izocyjaniany i epoksydy.

Włókna

Wybór odpowiednich włókien jest uwarunkowany wymaganymi sztywności i wytrzymałości na rozciąganie kompozytu. Dalsze kryteria wyboru odpowiednich włókien wzmacniających to np. wydłużenie przy zerwaniu, stabilność termiczna, adhezja włókien i osnowy, zachowania dynamiczne i długotrwałe, cena i koszty przetwarzania. 

Rozważając potencjał włókien naturalnych w kompozytach i porównując wytrzymałość na rozciąganie, elastyczność i wydłużenie przy zerwaniu z włóknami syntetycznymi, staje się jasne, że włókna konopne i lniane mogą potencjalnie konkurować z włóknami szklanymi typu E, które służą jako punkt odniesienia ze względu na ich duże znaczenie w technologii wytwarzania kompozytów.

Osnowa

Osnowa w większości tradycyjnych kompozytów składa się z termoplastycznego lub termoutwardzalnego polimeru, przykładami są odpowiednio polietylen i nienasycony poliester. Wytwarzanie prawdziwych biokompozytów wymaga, aby matryca była wykonana głównie z surowców odnawialnych, chociaż obecny stan technologii biopolimerów sprawia, że w komercyjnej produkcji biokompozytów dominują syntetyczne termoplasty i termoutwardzalne tworzywa sztuczne. 

Tak więc polietylen i polipropylen znalazły szerokie zastosowanie w kompozytach drewno-plastik (WPC), szczególnej podgrupie biokompozytów, którym poświęca się obecnie dużo uwagi i które są szeroko rozpowszechnione w produkcji komercyjnej. 

Ze względu na ograniczenia tworzyw termoplastycznych istnieje potrzeba rozwoju termoutwardzalnych tworzyw sztucznych z surowców odnawialnych. Oleje roślinne są wykorzystywane jako budulec naturalnie otrzymywanych żywic termoutwardzalnych i zazwyczaj są modyfikowane w celu utworzenia cząsteczek dających wiązania krzyżowe, takich jak epoksydy, maleiniany, aldehydy lub izocyjaniany. Obecnie do usieciowania tych monomerów nadal potrzebne są odczynniki petrochemiczne. Wśród tych substancji preferowane są izocyjaniany, aminy, poliole, fenole i kwasy polikarboksylowe. Celem jest oczywiście maksymalizacja udziału wykorzystywanych zasobów odnawialnych przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnych właściwości materiału.

Epoksydowane oleje roślinne stanowią podstawę rodzącego się przemysłu biopolimerów termoutwardzalnych. Wykorzystanie epoksydowanych olejów roślinnych i ich kombinacji z akrylanami, izocyjanianami i bezwodnikami kwasów polikarboksylowych zostało opracowane i skomercjalizowane do zastosowań termoutwardzalnych.

Chociaż nie brakuje potencjalnych biopolimerów termoplastycznych dostępnych w naturze, na przykład skrobi, białek zbożowych, kwasu polimlekowego, polihydroksyalkanianów i kauczuku naturalnego, większość z nich jest obecnie na początkowym etapie rozwoju.

Interfejs włókno – matryca

Interfejs pomiędzy włóknami a osnową jest również kluczowy z punktu widzenia właściwości kompozytu i służy do przenoszenia obciążeń przyłożonych z zewnątrz na zbrojenie włókniste poprzez naprężenia ścinające. Jest oczywiste, że dobre połączenie jest niezbędne, jeśli naprężenia mają być odpowiednio przenoszone na włókna i w ten sposób zapewniają prawdziwą funkcję wzmacniającą. Inną ważną właściwością mechaniczną jest ciągliwość, czyli zdolność materiału konstrukcyjnego do opierania się propagacji pęknięć. Występuje ona w kompozytach ze względu na ich niejednorodną strukturę. 

Ze względu na ogólną niekompatybilność pomiędzy włóknami naturalnymi a większością polimerowych osnów, często potrzebne są metody wspierające adhezję.

Wytwarzanie biokompozytów

Techniki wytwarzania biokompozytów opierają się w dużej mierze na istniejących technikach przetwarzania tworzyw sztucznych lub materiałów kompozytowych. Należą do nich: formowanie przez prasowanie, układanie ręczne, nawijanie włókien, wytłaczanie, formowanie wtryskowe, formowanie przetłoczne, i przetłaczanie arkuszy, ale można chyba powiedzieć, że większość obecnych materiałów biokompozytowych opartych na polimerach termoplastycznych, takich jak polipropylen i polietylen, jest przetwarzana przez mieszanie i wytłaczanie.

Wytłaczanie polimerów termoplastycznych i włókien naturalnych

Podczas mieszania, termoplastyczny polimer musi zostać podgrzany, albo przez zewnętrzne źródło ciepła, albo w wyniku mechanicznego ścinania w wytłaczarce, tak aby się stopił. W tym stanie włókno drzewne, zwykle w postaci mączki, może być dodawane wraz z innymi dodatkami w celu poprawy właściwości otrzymanego materiału. Po dokładnym wymieszaniu składników, mieszanka może być albo bezpośrednio wytłaczana do produktu końcowego albo granulowana i pakowana jako prekursor do dalszych procesów. Potencjał formowania wtryskowego biokompozytów cieszy się dużym zainteresowaniem w przemyśle.

WPC, wytwarzane przy użyciu mączki drzewnej lub włókien drzewnych jako wzmocnienia polimerów takich jak polipropylen, polietylen i polichlorek winylu, znajdują obecnie znaczące zastosowanie komercyjne w sektorze budowlanym. Produkty wytworzone z WPC są powszechnie stosowane w zewnętrznych tarasach, ramach okiennych i drzwiowych, panelach samochodowych i meblach. Jednak ich zastosowanie jest ograniczone do zastosowań niekonstrukcyjnych, ponieważ ich właściwości mechaniczne są słabe. WPC stosowane w tarasach są na przykład wykorzystywane tylko jako struktury niskoobciążone. Niemniej jednak, rynek takich kompozytów w ciągu ostatnich kilku lat bardzo się rozwinął i zapowiada się jego dalszy wzrost.

Łączenie włókien termoplastycznych i naturalnych

W przemyśle motoryzacyjnym często stosowane są dłuższe włókna lnu, konopi, kenafu i bawełny. Są one zazwyczaj mieszane z włóknami termoplastycznego polimeru, który jest używany jako wzmocnienie, tworząc włókninę, która jest następnie prasowana na gorąco w celu stopienia włókna termoplastycznego, tworząc w ten sposób kompozyt. Zaletą tego podejścia jest to, że można stosować dłuższe włókna (o lepszym potencjale wzmacniającym).

W porównaniu ze włóknem szklanym, pusta w środku struktura rurowa włókien naturalnych zapewnia lepszą izolację od hałasu i ciepła w zastosowaniach motoryzacyjnych, takich jak panele drzwiowe/sufitowe oraz panele oddzielające silnik od przedziału pasażerskiego. Panele wykonane z długich włókien roślinnych, takich jak len, konopie, juta i kenaf, oraz z polipropylenu lub innych tworzyw termoplastycznych są już stosowane w wielu pojazdach. 

Połączenie włókna kenafu i konopi z włóknami polipropylenu i politereftalanu etylenu w celu wytworzenia kompozytów o różnych zastosowaniach, w tym paneli drzwi samochodowych i desek rozdzielczych, akustycznych płyt sufitowych i paneli ściennych.

W przemyśle opakowaniowym stosuje się obecnie materiały na bazie skrobi, a także produkty oparte na włóknach pochodzących z recyklingu, które są wykorzystywane do produkcji pudełek i innych sztywnych opakowań.

Przetwarzanie termoutwardzalnych kompozytów na osnowie polimerowej

Mimo że komercjalizacja biokompozytów na osnowie polimerów termoutwardzalnych jest znacznie mniejsza, zainteresowanie tą dziedziną jest nadal duże. Techniki wytwarzania zasadniczo odzwierciedlają te stosowane w „tradycyjnym” przemyśle kompozytowym. Barierą w stosowaniu większości obecnych biopolimerów termoutwardzalnych są wysokie temperatury utwardzania. W wielu przypadkach przekraczają one 150 ^◦C, co ogranicza dostępne komponenty i możliwości technologiczne. Ponadto większość włókien naturalnych nie jest w stanie wytrzymać przez dłuższy czas temperatury przetwórstwa wyższej niż 175 ^◦C, co ogranicza możliwość ich stosowania z niektórymi termoutwardzalnymi tworzywami wymagających utwardzania w wysokiej temperaturze.