В настоящее время применение натуральных волокон при изготовлении современных композиционных материалов приобретает все большую актуальность. Замена привычных стеклянных и углеродных наполнителей на натуральные в ряде случаев обоснована и приводит как к удешевлению продукции, так и к снижению влияния производственных факторов на окружающую среду. Стимулирование использования натуральных волокон в производстве также даст дополнительный импульс развитию традиционных для Российской Федерации сельскохозяйственных отраслей.
С 2020 года в РФ запущена пятилетняя комплексная программа поддержки производства льняных изделий, которая охватывает всю цепочку - от хозяйств, которые выращивают лен, до производителей конечной продукции. Президент Путин поставил задачу формирования конкурентоспособной и экологичной льняной отрасли, способствующей укреплению позиций российских производителей не только на внутреннем рынке, но и для наращивания экспортного потенциала.
Успех развития льноперерабатывающего комплекса во многом зависит от научно-технического обеспечения и дальнейшего расширения ассортимента конечных изделий целевого назначения, что позволит организовать практически безотходные производства, использующие лен в качестве сырья. В частности, разработка проектов эффективной утилизации значительного количества костры является задачей своевременной и актуальной.
При первичной переработке льна или конопли, в процессах мятья, трясения и особенно при обработке отходов трепания вместе с кострой выпадает значительная часть коротких волокон. Количество выделившегося с кострой волокна зависит от свойств сырья, способов обработки и наладки технологического оборудования. Содержание волокна в костре колеблется от 2 до 5 %, составляя в среднем 3,5 % от количества костры. По ныне существующим технологиям из всего объема выращиваемой льнотресты используется (в виде волокна) лишь 25–30 %. При этом максимум 1/3 полученного льноволокна идет на выработку достаточно дорогих чистольняных и полульняных тканей (дороговизна обусловлена многостадийной и энергоемкой технологией обработки). Что же касается ныне выпускаемых изделий из короткого льна, то они имеют сравнительно небольшую добавочную стоимость и при повышении цены волокна также могут не выдержать конкуренции.
Применение льна для изготовления текстильных изделий весьма привлекательно и перспективно во многом благодаря таким свойствам, как: высокая гигроскопичность, долговечность, гипоаллергенность. Материалы, имеющие в своем составе лен, не накапливают статическое электричество, обладают хорошей терморегуляцией и антисептическим действием.
Костра льна содержит целлюлозу (до 70 %), гемицеллюлозу (15–20 %), лигнин (21–29 %), водорастворимые вещества (3–5 %), смолы (19 %), жиры и воск. В состав костры входят марганец, калий, фосфор, кальций, кремний и много других микроэлементов, насыщающих почву питательными веществами.
Учитывая значительное количество отходов первичной переработки льна, для переработчиков целесообразно рассмотреть возможность разработки и создания инновационных нетканых материалов, включающих короткие волокна льна, выделяемые из костры.
Связующим в этом случае могут являться, например, химические волокна, которые при смешивании с коротким льноволокном образуют целостную сплошную среду. Такие смесовые композиции могут быть использованы для изготовления материалов, предназначенных, например, для теплоизоляции верхней одежды, размещаемой между внешним защитным тканевым слоем и подкладкой, при строительстве зданий и сооружений, наполнения постельных принадлежностей и сложных композитных материалов для промышленности.
Применение волокон природного происхождения позволяет решить такие задачи, как использование возобновляемого ресурса, возможность более полной утилизации материала и, кроме того, снижение стоимости изделий, а в ряде случаев – возможная замена стекловолокна.
Влияние утилизации материалов из композиционных материалов на окружающую среду.
Показательны результаты исследователей из Эйндховена, которые подробно проанализировали, как соотносятся эко-индикаторы материалов на основе льна и стекла. (Эко-индикаторы определяют по совокупности значительного числа параметров, которые включают в себя оценку влияния утилизации материала на озоновый слой Земли, зимний и летний смог, а также еще порядка 15 факторов.) Оказалось, что эко-индикатор для композиционных материалов на основе льняных волокон значительно ниже, чем эко-индикатор для композиционных материалов на основе стекловолокна. Такое существенное расхождение определяется возможностью гораздо более глубокой переработки и утилизации материала на основе природного волокна, а также значительно меньшим остаточным воздействием на окружающую среду.
Учитывая тот факт, что перерабатывающая промышленность в основном сосредоточена в центре, задача поиска доступного и дешевого сырья для производства композиционных материалов с использованием возобновляемого сырья стоит весьма остро. Ввиду этого, широкое вовлечение в производство композитных материалов различных натуральных волокон, будет способствовать решению этой задачи. Для обеспечения внедрения «зеленых» технологий, необходимо разработать систему технологических, технических, экологических, экономических и организационных мер, обеспечивающих экологически ориентированный рост экономики на основании применения эффективных инновационных технологий («зеленых» технологий, в том числе для разработки современных расплавных связующих и перспективных материалов на их основе с учетом их климатической устойчивости), а также заинтересованность в этом бизнес-сообщества.
Тем не менее, популярность натуральных волокон возрастает – в частности, в наиболее технологически развитых отраслях промышленности, например в автомобильной. Натуральные растительные волокна обладают значительными экологическими преимуществами и имеют достаточно высокие физико-механические свойства. Такие волокна не содержат токсичных веществ, их можно быстро выращивать в необходимых количествах, и они имеют приемлемую цену.
Замена традиционных материалов на биокомпозитные должна приводить к снижению как массы изделий, так и себестоимости продукции ввиду значительно более низкой стоимости натуральных наполнителей: в 7–8 раз ниже по сравнению со стекловолокном.
Кроме того, благодаря применению натурального возобновляемого сырья снижается экологическая нагрузка на окружающую среду (по данным финского Технического исследовательского центра (VTT), снижается потребление химического сырья на 25%, а углеродные выбросы – на 35%). Снижается также содержание формальдегида, который часто используется при изготовлении подобной продукции.
Наиболее широкое применение композиционные материалы, армированные растительными волокнами, нашли в автомобильной промышленности. Для армирования в данном случае могут использоваться различные натуральные волокна: лен, пенька, джут, сизаль, кокос. В странах с развитым автомобилестроением эти материалы обычно импортируются. В автомобилях стали все больше использовать прочные, стойкие к коррозии, легкие полимерные композиции. В настоящее время в современных автомобилях таких материалов ˃10% (по массе), и их количество постоянно растет.
Первым стал применять пластики в автомобилестроении Генри Форд в далеком 1941 году. В 1953 году фирма Chevrolet уже делала многие детали из полимерных материалов, армированных различными волокнами, что сократило массу автомашины на 85 кг. В 1991–1992 годах у фирмы ВМW около 149 кг от массы авто (или 10,1%) составляли пластики. Первый бампер из пластика был сделан в компании Ford в 1968 году, а фирма Renault в 1971 году делает бампер из полиэфира, армированного стекловолокном.
Армированный натуральным растительным волокном полипропиленовый бампер делала фирма Fiat для своих автомобилей 126-й и 128-й моделей. Натуральные волокна также начал использовать концерн Mercedes-Benz, но при изготовлении топливного бака и ряда деталей применяются композиты со стекловолокном. Эффективно использование таких композитов, где армирующее волокно ориентировано в направлении приложения нагрузки, но встречается много случаев использования неориентированных материалов.
Армирование пластиков натуральными волокнами, в частности льном, позволяет существенно упростить (в сравнении с армированием стекловолокном) переработку деталей, выработавших свой срок.
Изучая такие материалы и технологии, мы обнаружили очень любопытный факт: аналогичные технологии давно существуют и в Российском автопроме, однако сегодня не применяются.
В рамках Федеральной целевой программы «Развитие льняного комплекса России на 2000 - 2001 годы» с 1999 г. в ЦНИХБИ были проведены научно-исследовательские работы по созданию шумоизоляционных, шумопоглощающих и вибродемпфирующих текстильно-композиционных материалов и формованных деталей из них для автомобильной промышленности. Эти работы получили поддержку у отечественных автомобильных заводов "АВТОВАЗ", "Москвич", "ЗИЛ".
Работа завершается организацией на опытном производстве ЦНИХБИ опытно-промышленного участка по производству экологически чистых льнополимерных нетканых шумоизоляционных материалов для автомобильной промышленности.
По представленной технологической схеме были изготовлены экспериментальные образцы нетканых иглопробивных материалов различного состава и плотности.
Проведены исследования по выбору оптимального сырьевого состава облицовки салона автомобилей. При проведении формования льнополипропиленовых нетканых материалов на оборудовании ОАО "Искож-Тверь" изучены физико-механические показатели, определяющие прочностные (предел прочности, относительное удлинение) и упругие (модуль упругости при изгибе, изгибающее напряжение) свойства формованных материалов, в зависимости от состава нетканых полотен.
На основании полученных результатов с учетом акустических характеристик, массы готовой детали и стоимости исходного сырья был также определен оптимальный сырьевой состав нетканых льнополипропиленовых материалов для изготовления различных деталей обивки салона автомобилей: 40-50% полипропиленового волокна и 60-50% льноволокна.
Для оценки надежности формованных деталей салона автомобиля в аварийных ситуациях проведены испытания под действием ударных нагрузок. Испытания на сопротивление удару при различных температурных режимах показали, что сформованный льнополипропиленовый материал не образует трещин и при их разрушении детали обивки не образуют острых краев и режущих осколков, что характерно для деталей материала марки "Поливуд". Поэтому использование новых формующихся материалов из нетканых льнополипропиленовых полотен позволит повысить надежность облицовки салона автомобиля в аварийных ситуациях.
Испытательным центром ОАО "Искож-Тверь" проведены испытания экспериментальных образцов деталей облицовки дверей автомобиля "Москвич" ("ИНТЕРЛЕН"), которые показали, что соответствие физико-механических показателей нормативным данным для зарубежного аналога - материала "ЛОПРЕФИН".
При проведении сравнительных испытаний установлено, что при одинаковых прочностных показателях "ИНТЕРЛЕН" отличается более низкой поверхностной плотностью. Поэтому за счет снижения материалоемкости готовых деталей (на 20-30%) можно получить значительную экономию материальных ресурсов, а значит, и снизить себестоимость выпускаемой продукции.
Прорыв «Формулы-1»: теперь часть болида производят изо льна. Он крепче, дешевле и легче углепластика.
39 лет подряд в «Формуле-1» в основном развивали направление материалов именно в сторону улучшения версий углепластиков. Но теперь, похоже, наступает новая эра: «Макларен» нашел вариант не хуже – и уже сделал из него первые версии сидений. Они успешно прошли все тесты еще на предсезонной обкатке болидов в Барселоне в 2020 году, и теперь английская команда готовится опробовать инновации в реальном Гран-при.
Речь идет о льняных волокнах. Они оказались крепче, дешевле и лучше карбоновых – и снижают углеродный след на целых 75 процентов.
Секрет льна – в трубчатой структуре волокон специального сорта растения и особых технологиях плетения от швейцарской компании Bcomp. Если по-простому, компания создает особое армирующее плетение из льняных волокон и формирует ими трехмерную решетчатую структуру, на которую уже прикрепляет «обычные» нити растения.
Решение Bcomp уже несколько лет используется для отделки машин «Тесла» и «Вольво», а также для некоторых стоковых деталей в немецкой гоночной серии ДТМ. С помощью льняных композитов уже строят яхты и каяки, а также некоторые детали космических спутников Европейского космического агентства.
Оптимизация плетения позволила добиться тех же показателей по крепости при меньшей массе на 9 процентов. Деталь изо льна обойдется на 30 процентов дешевле (в данном случае речь о сиденье) по сравнению с традиционной карбоновой – при стоимости обычного ложа для пилота в 2 тысячи долларов экономия составляет примерно $600 с экземпляра.
К тому же, льняная структура оказалась лучше и по физическим характеристикам: ее низкая плотность при высокой жесткости позволяет улучшить поглощение вибраций и сопротивление кручению, сжатию и обрывам.
Причем речь идет не просто о незначительных улучшениях – разработка Bcomp, по заявлению «Макларена», гасит вибрации в пять раз лучше любого углепластика! Для пилотов новое сиденье с подобными свойствами может оказаться настоящей панацеей на трассе с высокими поребриками вроде Австрии – у гонщиков здорово улучшится обзор и способности точнее направлять болид в повороты.
При всех положительных качествах продукция Bcomp остается полностью эко-нейтральной и биоразлагаемой. Сырье для материала можно выращивать по программам севооборота (ротация разных растений на одном поле из года в год для предотвращения опустынивания) и без прямой конкуренции с пищевыми культурами. По-настоящему сильная инновация со всех сторон.
Сиденье – только начало. Лен планируют использовать и в производстве других деталей.
Фактически в данный момент ложе для пилота является лишь испытательным полигоном нового материала. Если все пойдет хорошо – «Макларен» перейдет к разработке и других деталей болида с помощью льняного волокна для экономии бюджета и массы.
Резюмируя, отметим несколько тезисов.
1. Натуральные растительные волокна, такие как лен, пенька, джут, сизаль, кокос и др., являются прекрасным материалом для армирования полимерных композитов.
В качестве армирующих составляющих может использоваться ориентированное и спутанное, длинное и короткое льняное волокно, нетканые материалы, пряжа и ткань.
2. Натуральные растительные волокна – это материалы с достаточно высокими физико-механическими, химическими и экологическими свойствами, которые являются альтернативой синтетическим волокнам и стекловолокну.
3. Получать эти волокна можно в неограниченном количестве.
4. Увеличение производства полимерных материалов, армированных натуральными растительными волокнами:
– снижает цены на автомобили;
– стимулирует рост и развитие фермерских хозяйств;
– уменьшает загрязнение почв и улучшает состав воздуха.
5. Полимеры, армированные натуральными растительными волокнами, характеризуются меньшей массой, достаточно высокой прочностью, хорошей эластичностью и коррозионной устойчивостью.
6. Использование полимерных композитов, армированных натуральными растительными волокнами, такими, например, как лен, в автомобильной промышленности снижает массу большого числа деталей и всего автомобиля, что приводит к сокращению расхода топлива, снижению коррозии материалов и улучшению потребительских свойств автомашины.
7. Возможность полной вторичной переработки вышедших из строя деталей автомобилей обеспечит сохранение окружающей среды и позволит регулировать потребление натуральных ресурсов, для Российской Федерации это касается в первую очередь льняного волокна. Замена стекловолокна волокнами из льна, конопли и сизаля в полипропиленовых элементах машин позволила снизить их массу на ~30–40% при сопоставимых механических свойствах.