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生物基复合材料大规模生产关键技术获得突破

来源:慧聪网 日期: 2017年09月05日

 

    最近,德国开姆尼斯工业大学的研究人员突破了能够大规模生产的生物基复合材料的关键技术,使生物基复合材料作为玻纤和碳纤维增强复合材料的替代品又进一步。

    生物基复合材料大规模生产有何意义?

    由于人类过度开发导致石油资源逐渐枯竭,如今人类已面临着严重的能源危机。同时石化产品在自然环境中无法分解,造成严重的垃圾问题,垃圾焚烧处理会释放出大量的温室气体导致温室效应,填埋处理又会破坏土壤环境。如由塑料和高性能纤维制成的复合材料广泛应用于轻量化结构设计,但玻璃纤维、碳纤维等高性能纤维增强复合材料的废弃处理仍是全球性难题。生物基材料来源于自然界中动、植物以及微生物资源,它们是取之不尽、用之不竭的可再生资源,已成为最有希望大规模替代石油资源,实现资源可持续性利用的新兴材料之一。生物基复合材料用量的增加有助于降低对石油类不可再生资源持续增长的需求,能够实现环境和资源的可持续发展。预计2020年全球对于生物基复合材料的需求有望达到300万t。

    生物基复合材料的定义和分类

    生物基复合材料是相对于化石基复合材料而言,是指利用可再生资源(动物、植物和微生物)为原料,通过生物、化学以及物理等方法,或者与其他材料复合,在宏观上组成具有新性能的材料。

    按可再生资源的利用方式,生物基复合材料可分为天然高分子生物基复合材料和合成高分子生物基复合材料。

    天然高分子生物基复合材料

    直接利用可再生资源的高分子材料,即生物基材料与生物基材料、生物基材料与废旧高分子材料等制造的复合材料,以及生物基材料与硅酸盐材料和玻璃纤维等无机物质制造的复合材料,如木塑复合材料和木基陶瓷复合材料等。

    合成高分子生物基复合材料

    间接利用可再生资源,通过化学、生物化学的方法将可再生资源转化为低分子量的化合物单体,并进一步加工成可降解高分子材料、功能高分子材料、生物基胶黏剂等,如蛋白类胶黏剂、聚乳酸和生物聚乙烯等。  

    生物基复合材料大规模制造技术的难点

    作为生物基复合材料原料的天然纤维,其成分包括各类纤维素、半纤维素、丹宁等天然多糖,表面是亲水的,而生物基复合材料另外一大类原料为有机合成高分子树脂,是表面疏水的。两者的表面性能差异巨大,由于界面相互作用力弱、易产生缺陷,对形成复合材料不利。用这两类原料生产复合材料,可以通过对纤维和树脂进行改性,提高界面之间的相互作用力的方法改善复合材料的性能。但复合材料界面性能有所改善后,冲击等性能有所下降,而且并没有在多种改性处理方法中找到最好的解决办法。

    德国大规模生物复合材料生产技术特点

    德国开姆尼斯工业大学生物基复合材料大规模生产技术采用比玻璃轻、比碳纤维便宜的亚麻连续长丝代替玻璃或碳纤维,使复合材料在纤维的取向方向上具有高度刚性的特点,非常坚硬,且塑料基质采用可再生资源制成的生物聚合物。

    其大规模生产技术的要点是开发出制备纤维基塑料半成品的连续生产工艺。目前,常用的方法是薄膜堆叠技术,即将单层材料(如塑料薄膜或非卷曲织物加上塑料薄膜)一层一层地堆叠在热压机中,在压力下使其熔融,并进一步在另一台机器中将其加工成板材。在大规模连续生产过程中,需针对天然纤维容易吸湿的特点,在加工之前对其进行连续的干燥,以保障最终复合材料的性能。为此,研究人员开发了一台新的Omega压光机,包含一台与压光机紧密相连的干燥机,使干燥后的纤维几乎不会与潮湿的环境有任何接触。

    据介绍,Omega压光机由几个圆筒组成,亚麻纤维和塑料薄膜理论上可以连续地被引导、加热并压在一起。制备好的纤维基质半成品可以卷起,并且能够以各种方式进行进一步加工,制备出刚性板。目前,该生产程序仍是间歇性的,在连续生产预浸料半成品后会停止一段时间,关于大规模连续生产的研究仍在进行。


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