Гибридные композитные материалы, армированные несколькими типами волокон, в последние годы привлекают значительное внимание строителей благодаря своей способности сочетать полезные свойства разных волокон, что приводит к синергетическому эффекту, подходящему для различных конструкционных применений. Гибридизация предлагает ряд преимуществ, включая лёгкость конструкции, экономичность, повышенную долговечность и возможность настройки физико-механических характеристик. Более того, гибридные композиты могут быть изготовлены путём сочетания натуральных волокон с синтетическими.
В последние годы строительные материалы основе натуральных компонентов имеют широкий потенциал применения в различных секторах, включая автомобильную промышленность, бытовую технику, спорт и развлечения, гражданское строительство, здравоохранение и морскую промышленность. В ряде стран стараются использовать такие стройматериалы при возведении дата-центров в качестве компенсационного возмещения от общего ущерба экологии, которые проявляются во время эксплуатации. Исследователи также изучают их использование в высокоэффективных областях, таких как аэрокосмическая промышленность, электроника, авиастроительные технологии и ветроэнергетика.
Среди натуральных волокон джут и койра широко распространены в различных локациях по всему миру. Джутовые волокна, как правило, обладают лучшими прочностными свойствами по сравнению с койрой, а та, в свою очередь, менее чувствительна к влаге. Оба растения широко используются в коммерческих продуктах, таких как верёвки, мешки, сумки, текстиль и геотекстиль. Теперь они привлекли промышленный интерес для производства композитных строительных материалов. Некоторые фирмы стали изготавливать гибридные композиты из полиэстера, армированные джутом и стекловолокном, с различными последовательностями укладки или слоёв. Опытные полевые исследования показали, что добавление этого волокна в гибридные структуры значительно улучшило механические свойства по сравнению с чистым композитом.
Оптимизированные утеплители также показали заметное увеличение модуля упругости при хранении и коэффициента демпфирования. Кроме того, они продемонстрировали улучшенную водостойкость, как в дистиллированной воде, так и в солёной. В большинстве случаев механическое поведение сильно зависело от содержания стекловолокна, а поэтому на опытном производстве попробовали использовать три различных полимерных матрицы, включая два термореактивных полимера и термопластик. По сравнению с чистыми льняными композитами, гибридные продемонстрировали улучшение всех показателей. Наивысшие прочностные характеристики при растяжении и изгибе наблюдались при соотношении 65:35 для необработанных волокон, при этом прочность на растяжение и на изгиб увеличились на 23 % и 27% соответственно.
Натуральные волокна также хорошо подходят для теплоизоляции благодаря своей низкой теплопроводности — в утеплителях из полиуретана, армированных джутовым ворсом, значения теплопроводности составляли 0,123 Вт/м.кв. Использование коротких отходов натуральных волокон в конструкциях способствует устойчивому развитию и повышению эффективности использования ресурсов. Натуральные волокна являются экологически чистой альтернативой синтетическим, что делает их привлекательными для применения в экологичном строительстве. Помимо прочего, их использование предлагает практическое решение проблемы утилизации отходов, одновременно повышая их ценность за счёт использования в полуконструкционных функциях, таких как изоляционные материалы для зданий и автомобильных компонентов.
Как правило, сырые натуральные волокна начинают разлагаться при температуре около 200–250 °C из-за распада гемицеллюлозы и целлюлозы. Однако при включении в эпоксидную матрицу начало разложения смещается в более высокий диапазон, приблизительно 280–320 °C, что указывает на улучшенную термическую стабильность. Эпоксидная смола — это термореактивный полимер, который подвергается сшиванию во время отверждения, образуя трёхмерную сеть, которая ограничивает молекулярную подвижность и повышает устойчивость к термической деградации. Кроме того, полимер инкапсулирует волокна, замедляя выделение летучих продуктов при нагревании. Таким образом, класс горючести этого утеплителя значительно улучшается. Гибридный композит выигрывает от сочетания термических свойств кокосовых и джутовых волокон, а также защитного эффекта эпоксидной матрицы.
Теплостойкость гибридных композитов из джута, кокосового волокна и эпоксидной смолы может быть обусловлена теплобарьерными свойствами составляющих материалов, в частности, пористой или полой морфологией растительных лигноцеллюлозных волокон и их химическим составом, включающим целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Однако влияние пористости на тепловое сопротивление может быть, как полезным, так и вредным, в зависимости от размера, распределения и объёмной доли пустот. Воздух, захваченный внутри пустот, имеет низкую теплопроводность, что замедляет теплопередачу и повышает теплоизоляционные характеристики. Пористые структуры нарушают непрерывные проводящие пути в областях, богатых волокнами, замедляя локальную термическую деградацию за счёт препятствования тепловому потоку. Микропустоты также могут поглощать и рассеивать тепловую энергию, снижая риск локального перегрева. Тем не менее, чрезмерная пористость может поставить под угрозу структурную целостность. Опытным путём было определено, что оптимальное соотношение натурального материала к полимеру должно составлять от 20 до 35% по весу. Тесты на водопоглощение показали, что контрольные образцы демонстрировали незначительное водопоглощение из-за гидрофобной природы основного связующего материала.
Гибридные композиты, армированные джутовым волокном, обладают рядом преимуществ, например, низкой удельной плотностью, повышенной прочностью на растяжение и сжатие, модулем упругости и улучшенной усталостной прочностью. Сейчас исследователи разработали полимерные композиты на основе полиэстера методом компрессионного формования с различной последовательностью укладки базальтовой и джутовой ткани в универсальную полиэфирную матрицу. Результаты показали, что комбинация чистого базальтового волокна сохранила более высокие значения при испытаниях на изгиб и растяжение. Однако при ударном испытании базальтовое волокно показало значительно худшие результаты, чем композиты, армированные джутом.
В настоящее время производство многих биоразлагаемых пластмасс продемонстрировано в демонстрационном и пилотном масштабах, а некоторые из них уже получили широкое коммерческое применение. Часть продукции частично состоит из биоматериалов (например, полиамиды, полиолы, биоразлагаемый полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) или полиэтилентерефталат (ПЭТ), а часть представляет собой совершенно новые пластмассы (например, термопластичный крахмал (ТПС), полигидроксибутират (ПГБ), полигидроксиалканоаты (ПГА) или полимолочная кислота (ПЛА). Частично биоразлагаемые пластмассы требуют использования нефтехимических мономеров, которые невозможно заменить биоматериалами, по крайней мере, по приемлемой цене. А сравнительно низкая стоимость является основными решающим фактором их привлекательности для широкого применения.
Современные биоразлагаемые пластмассы — это сложные материалы, которые технически могут заменить около 90% используемых сегодня пластиков. Гибридные композиты, армированные натуральными волокнами, превосходят те, которые созданы только на основе продуктов нефтепереработки, поскольку обладают более высоким соотношением прочности к весу, низкой себестоимостью производства, простоте технологических процессов и являются экологически выгодными. В результате они имеют множество преимуществ в коммерческом, промышленном и инженерном применении. С другой стороны, натуральные волокна обладают меньшей прочностью, чем синтетические композиты, но в сочетании с ними (или биосинтетическими композитами), они обеспечивают высокую прочность при меньшем воздействии на окружающую среду.
Самое читаемое:
Помогла ли вам статья?
