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生物基復合材料大規模生產關鍵技術獲得突破

來源:中國紡織信息網??????2018/3/8 15:37:36??????點擊:

最近,德國開姆尼斯工業大學的研究人員突破了能夠大規模生產的生物基復合材料的關鍵技術,使生物基復合材料作為玻纖和碳纖維增強復合材料的替代品又進一步。

生物基復合材料大規模生產有何意義?

由于人類過度開發導致石油資源逐漸枯竭,如今人類已面臨著嚴重的能源危機。同時石化產品在自然環境中無法分解,造成嚴重的垃圾問題,垃圾焚燒處理會釋放出大量的溫室氣體導致溫室效應,填埋處理又會破壞土壤環境。如由塑料和高性能纖維制成的復合材料廣泛應用于輕量化結構設計,但玻璃纖維、碳纖維等高性能纖維增強復合材料的廢棄處理仍是全球性難題。生物基材料來源于自然界中動、植物以及微生物資源,它們是取之不盡、用之不竭的可再生資源,已成為最有希望大規模替代石油資源,實現資源可持續性利用的新興材料之一。生物基復合材料用量的增加有助于降低對石油類不可再生資源持續增長的需求,能夠實現環境和資源的可持續發展。預計2020年全球對于生物基復合材料的需求有望達到300萬t。






生物基復合材料的定義和分類

生物基復合材料是相對于化石基復合材料而言,是指利用可再生資源(動物、植物和微生物)為原料,通過生物、化學以及物理等方法,或者與其他材料復合,在宏觀上組成具有新性能的材料。




按可再生資源的利用方式,生物基復合材料可分為天然高分子生物基復合材料和合成高分子生物基復合材料。

天然高分子生物基復合材料

直接利用可再生資源的高分子材料,即生物基材料與生物基材料、生物基材料與廢舊高分子材料等制造的復合材料,以及生物基材料與硅酸鹽材料和玻璃纖維等無機物質制造的復合材料,如木塑復合材料和木基陶瓷復合材料等。




合成高分子生物基復合材料

間接利用可再生資源,通過化學、生物化學的方法將可再生資源轉化為低分子量的化合物單體,并進一步加工成可降解高分子材料、功能高分子材料、生物基膠黏劑等,如蛋白類膠黏劑、聚乳酸和生物聚乙烯等。




生物基復合材料大規模制造技術的難點

作為生物基復合材料原料的天然纖維,其成分包括各類纖維素、半纖維素、丹寧等天然多糖,表面是親水的,而生物基復合材料另外一大類原料為有機合成高分子樹脂,是表面疏水的。兩者的表面性能差異巨大,由于界面相互作用力弱、易產生缺陷,對形成復合材料不利。用這兩類原料生產復合材料,可以通過對纖維和樹脂進行改性,提高界面之間的相互作用力的方法改善復合材料的性能。但復合材料界面性能有所改善后,沖擊等性能有所下降,而且并沒有在多種改性處理方法中找到最好的解決辦法。




德國大規模生物復合材料生產技術特點

德國開姆尼斯工業大學生物基復合材料大規模生產技術采用比玻璃輕、比碳纖維便宜的亞麻連續長絲代替玻璃或碳纖維,使復合材料在纖維的取向方向上具有高度剛性的特點,非常堅硬,且塑料基質采用可再生資源制成的生物聚合物。




其大規模生產技術的要點是開發出制備纖維基塑料半成品的連續生產工藝。目前,常用的方法是薄膜堆疊技術,即將單層材料(如塑料薄膜或非卷曲織物加上塑料薄膜)一層一層地堆疊在熱壓機中,在壓力下使其熔融,并進一步在另一臺機器中將其加工成板材。在大規模連續生產過程中,需針對天然纖維容易吸濕的特點,在加工之前對其進行連續的干燥,以保障最終復合材料的性能。為此,研究人員開發了一臺新的Omega壓光機,包含一臺與壓光機緊密相連的干燥機,使干燥后的纖維幾乎不會與潮濕的環境有任何接觸。




據介紹,Omega壓光機由幾個圓筒組成,亞麻纖維和塑料薄膜理論上可以連續地被引導、加熱并壓在一起。制備好的纖維基質半成品可以卷起,并且能夠以各種方式進行進一步加工,制備出剛性板。目前,該生產程序仍是間歇性的,在連續生產預浸料半成品后會停止一段時間,關于大規模連續生產的研究仍在進行。