利用天然竹子纤维制成的复合材料

寂静天花板 · 发表于 2016-9-8 20:16:07

Transmare公司(www.transmare.nl) 位于荷兰鲁尔蒙德，该公司生产有附加值的颗粒料。其出厂的颗粒在全球范围内，经热成型机、挤压机和注塑机，生产出新的产品。
“我是一名化学工程师，最初是工艺工程师”。负责鲁尔蒙德工厂所有商业活动的销售经理Robin Beishuizen说。他在Transmare公司工作了16年：“我致力于塑料，而且酷爱各种材料。在Transmare公司，我们试图在一个复合步骤尽可能多地附加更多的价值。例如：抗紫外线剂、抗氧剂、偶联剂和颜料”。这样生产的材料在离开Transmare 工厂时已经具备了最终产品所需的所有性能。
Transmare公司的加工工艺之一是合成橡胶的改性，也就是混入橡胶复合物，以提高材料的抗冲强度。“这是用于在寒冷气候或高冲击条件下使用的产品”。Beishuizen说，“各种各样的包装，比如防震木箱和盒子，以及保险杠和汽车侧板、自行车、摩托车和其他交通工具。在这些交通工具中塑料的使用比例一直在增加”。
Transmare公司不使用增塑剂。“在另一家工厂，我们习惯使用复合聚氯乙烯”。Beishuizen解释道：“在那儿我们确实必须使用增塑剂。但这已经成为历史了。我们现在视应用和情况而定，只使用高品质、更适合回收的橡胶。而且有时我们会加入一些具有增塑作用的油类。但在鲁尔蒙德我们不使用任何化学增塑剂”。
有趣的是，不使用增塑剂并不是出于环境方面的考虑，而是由于技术方面的考虑。“我们只是不加工任何需要使用增塑剂的配方”。Beishuizen说：“所以这不是刻意的决定。但现在我们知道了不使用增塑剂有环境方面的考虑，我们会尽量不使用它们。对于某些应用而言，它们可能是必不可少的，但只是在鲁尔蒙德，我们生产的产品，不需要使用增塑剂”。
Transmare公司的其他加工工艺包括加入填料和增强材料：“我们最多可以添加40%的玻璃纤维增强材料或无机填料”。Beishuizen说，“而且我们还可以使用天然纤维增强材料：主要是在线挤压的短的流动性好的竹纤维。较长的纤维，如大麻或亚麻也是有可能的”。
竹子
“我们使用天然纤维已经约有十五年了，使用竹子大约有十年”。Beishuizen说，“我可以老实地说，除了人的头发，我们已经尝试过了你可以找到的几乎所有的天然纤维。这么做可以接触到远超出石油工业之外的人。而且有趣的是，使用竹子这种材料，只需要有一点点阳光和雨露，它可以每年都能长回来。
Transmare公司不是没完没了地讲理论，正如 Beishuizen所说：“我们有挤压机、侧面进料机和计重给料机。所以我们只需要运作所有材料，并评估出结果。你不能简单地说一个材料是好还是坏。许多天然纤维会带给复合材料很好的性能：一些可以带给它们美丽的颜色；一些可以使它们很容易地加料；还有就是对高温加工的耐焦性。我们把天然纤维都试过了。最终我们选择了竹子，因为它具有我们认为重要的所有性质中的整体性能。竹子可以大量获取，也不是很贵，它在各大洲疯狂生长——当然是不同类型的竹子，但它们的性质都或多或少都相同——不使用农药，不需要砍掉树木，每个砍断的竹秆都会生长的比你砍之前更快。这种加工对对我们来说是可靠的，对运输机、注塑机和热成型机来说也是。而且一般竹子也被认为是正面的。其未来前景非常好”。

竹子在欧洲还没有真正的历史呢。它只是作为花园里的外来杂草。亚麻、大麻、剑麻和粗麻布——这些都是享誉欧洲的纤维。“例如在荷兰东印度公司时代，只使用天然纤维”。Beishuizen说，“然后塑料行业发展起来了，在短短的几年内天然纤维全都退出了市场。它们已经被尼龙、PET、PE、PP等取代。另一方面，在南美和亚洲，有很丰富的使用竹子的经验。还有些纤维具有更好的性能，但通常价格昂贵或者不能大量获取。加工好的纤维所使用竹子的成本是每吨600欧元左右”。
所以竹子的定价在玻璃纤维（其是每吨1000欧元左右）和滑石粉之间（每吨250-500欧元，视其类型和白度情况而定）。
竹纤维经Transmare 公司制备，尽可能接近原料。这意味着，竹子在多个步骤被分割、干燥、研磨、分类、筛选，并且包装成不同大小。看起来像是不同份的锯末。最好的是粉末，最粗的是针状的纤维，几乎像火柴棒。然后将这些材料运到鲁尔蒙德进行复合。

竹纤维可以与像PE、PP、PS这样的聚合物基质，以及像PLA 和淀粉这样的生物塑料很好的复合。但聚合物要求的加工温度远高于200℃，竹子中某些糖类开始变成焦化，导致纤维的一些降解：它们会变得更黑，而且开始闻起来像烤焦的蛋糕。所以最好不要与尼龙、聚碳酸酯和ABS 一起使用。Beishuizen 说：“气味最终会消失，但大批量生产这些气味很停留很久。注塑机经受不住在运输前通风几个星期。但如果在低于200℃的温度下加工竹子，就不会有气味问题。虽然它仍然会闻起来有点像饼干厂，但这种气味不会令人不愉快，几天内就会消失。如果在注射成型后立即包装，就会将味道封住。在打开后三天，饼干味就没有了”。

这是一种自然的气味，但消费者们已经习惯了无菌环境，因此不清楚他们是否可以接受新车内略微带有饼干味。不过如果车内有真皮座椅，消费者们仍然喜欢其典型的自然气味。因此，也许一些营销经理和工业设计师可以想出消费者们赞赏略微带有饼干味的情境。

竹子的几乎所有属性都介于玻璃纤维和像滑石粉这样的填料的属性之间：抗拉强度、抗冲强度、价格……硬度更接近于滑石粉，而热偏转更像玻璃纤维。
因此，如果工程师正在寻找一种介于滑石粉和玻璃纤维性能之间的材料，竹子正好能满足这一需求。“是的，考虑到应用，它不需要是透明的”。Beishuizen说，“而且假设你需要15%的玻璃纤维以达到一定的杨氏模量或者抗冲强度。那么你可以使用30%左右的竹纤维以达到相同的性能。而且竹纤维比滑石粉和玻璃纤维更轻。因此，如果单看强度的话，玻璃纤维会更好一些，但如果考虑重量的因素，情况就不同了。在某些情况下，如果在重新设计产品时在背面多加入一些罗纹，使用30%的竹子与使用30%的玻璃纤维所达到的强度通常是一样的”。
竹子的密度是0.7 g/cm3：仅约为玻璃纤维和滑石粉密度的四分之一。但在挤压机中，在高压和高温下复合，会产生体积收缩，因为部分聚合物被压入竹子中。所以，在加工过程会中丧失一些密度优势。Beishuizen说：“最终，每个天然纤维的主要成分是纤维素，密度为2.8 g/cm3，与玻璃纤维大致相同。如果考虑到竹纤维，产品有多轻取决于复合材料中竹子的使用比例”。

Beishuizen解释道，竹纤维增强塑料的可回收性非常好：“我们已经做了回收含有30%到40%竹子的聚丙烯的试验，所以：注射，研磨，再注射，再研磨……这样重复做五次，不添加任何改性剂或基质。纤维确实变得更黑了，并且损坏了一点。而且聚合物降解了。但仍然可能重复多次来回收。当然最终会降级回收，这意味着你不可能再将相同的部分完全分离出来。但仍然可以用于很多性能不那么吹毛求疵的应用中：比如手柄、旋钮和垃圾桶。许多产品都是被过度设计的。这对回收材料是可以的。因此你可以长久地延长产品的生命周期。如果你使用的是像PLA或淀粉这样的生物塑料，可以制成堆肥。像PE 和PP 这样的基质，不管纤维是竹子、玻璃还是或滑石粉，我经常会尽可能地多次回收利用”。

因为竹纤维非常的短，所以它们的可再生性其实上要比玻璃纤维更好。Beishuizen说：“竹子非常坚硬而且非常结实。而且它们的粒子非常细，以至于在研磨过程中几乎不被损坏。这与玻璃纤维不同：如果你回收两次，你就会得到填料。因此，采用玻璃纤维复合，当第一次将其加工成产品时，会极大的降低纤维的抗拉强度”。

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