Проблемы и возможности использования в строительстве матриц, усиленных натуральными волокнами

Хотя NFRM не являются новыми — смеси из конопли использовались на протяжении веков — современные методы обработки и матричные составы значительно улучшили их производительность. Возможность создания круговых низкоуглеродных структур вызвала новый интерес в академических кругах и промышленности. Однако широкое распространение по-прежнему зависит от преодоления нескольких технических и экономических барьеров. В этой статье рассматриваются как возможности, так и проблемы использования натуральных волоконных матриц в строительстве, опираясь на текущие исследования и реальные приложения.

Возможности матриц, усиленных естественными волокнами

Принятие NFRMs предлагает множество экологических, экономических и функциональных преимуществ, которые соответствуют целям устойчивого строительства.

Экологическая устойчивость

Натуральные волокна являются возобновляемыми, биоразлагаемыми и выращиваются со значительно меньшей энергией, чем синтетические волокна, такие как стекло или углерод. Например, производство 1 кг льняного волокна выделяет примерно 2-3 кг эквивалента CO2 по сравнению с 7-8 кг для стекловолокна. Кроме того, многие натуральные волокна улавливают углерод во время роста, что еще больше снижает чистые выбросы. Биоразлагаемость в конце срока службы в сочетании с совместимыми матричными материалами снижает нагрузку на свалку. Использование натуральных волокон также поддерживает местное сельское хозяйство, сокращая выбросы при транспортировке.

Внешняя ссылка: Оценка жизненного цикла конопляных строительных материалов

Эффективность затрат и изобилие

Натуральные волокна, как правило, дешевле, чем синтетические альтернативы, особенно при их производстве на местном уровне. Джут, например, стоит около 0,50-1,00 долларов за кг, в то время как стекловолокно может варьироваться от 1,5-4,00 долларов за кг. Низкая стоимость сырья делает NFRM привлекательными для крупномасштабных применений, особенно в развивающихся регионах, где труд для переработки волокна также является экономически эффективным. Однако экономия масштаба в производстве остается фактором.

Легкие свойства

Натуральные волоконные композиты имеют плотность в диапазоне 1,2-1,5 г / см3 по сравнению с 2,5 г / см3 для композитов из стекловолокна и 7,8 г / см3 для стали. Это снижение веса упрощает обработку, транспортировку и установку - снижает затраты на топливо и облегчает модернизацию существующих конструкций. Снижение мертвой нагрузки также приносит пользу структурной конструкции, позволяя использовать меньшие фундаменты и меньше материала в целом.

Термическая и акустическая изоляция

Сотовая структура натуральных волокон улавливает воздух, обеспечивая отличную теплоизоляцию. Стены из конопли могут достигать теплопроводности до 0,07-0,10 Вт / м·К, что является конкурентным с обычной изоляцией. Акустически пористая природа этих материалов ослабляет звук - флаксовые и джутовые панели все чаще используются для снижения шума в офисах и студиях. При встраивании в цементную или биорезиновую матрицу NFRMs удваиваются как структурные, так и изоляционные элементы, потенциально устраняя отдельные слои изоляции.

Здоровье и качество воздуха в помещении

В отличие от некоторых синтетических изоляционных материалов, натуральные волокна не содержат летучих органических соединений (ЛОС), которые также с меньшей вероятностью вызывают раздражение кожи во время установки. Некоторые натуральные волокна, такие как конопля, обладают естественными антимикробными свойствами, снижая риск роста плесени во влажных условиях при условии правильного управления влагой.

Проблемы использования матриц, усиленных натуральным клетчаткой

Несмотря на очевидные преимущества, ряд препятствий препятствует массовому внедрению NFRMs.Эти проблемы должны систематически решаться с помощью материаловедения, инженерии и отраслевых стандартов.

Влагопоглощение и гидрофильность

Натуральные волокна содержат гидроксильные группы в своей целлюлозной структуре, что делает их высокогидрофильными. Скорость поглощения воды может варьироваться от 8-25% по весу при высокой влажности и до 50% при погружении. Поглощенная влажность набухает волокна, уменьшает склеивание с матрицей и может привести к микротрещине, размерной нестабильности и потере механической прочности. Со временем влажность также способствует росту грибков и биодеградации. Клетчатые обработки, такие как алкализация, ацетилирование или силановое соединение, снижают гидрофильность, блокируя гидроксильные группы, но они добавляют стоимость и сложность.

Внешняя ссылка: Обзор эффектов поглощения влаги на композиты из натуральных волокон

Переменность в качестве клетчатки

В отличие от синтетических волокон, производимых в контролируемых условиях, натуральные волокна растут в полях и подвергаются воздействию климата, качества почвы, времени сбора и метода обработки. Прочность на растяжение льняных волокон может варьироваться в пределах 800-1500 МПа, а модуль Янга - от 50 до 100 ГПа. Эта изменчивость затрудняет обеспечение согласованной производительности в структурных приложениях. Появляются усилия по стандартизации (например, ISO 20720:2018 для льняных волокон), но широкое внедрение остается медленным.

Проблемы биоразложения и долговечности

Природные волокна спроектированы природой для разложения, что проблематично при проектировании долгоживущих структур. Без защитных процедур волокна, подвергающиеся воздействию влаги, ультрафиолетового излучения и температурных циклов, теряют целостность в течение месяцев до нескольких лет. Цементарные матрицы обеспечивают некоторую щелочную защиту, но изменения рН могут фактически разлагать целлюлозу в течение десятилетий. Инкапсуляция в гидрофобных полимерных матрицах помогает, но волокна по-прежнему уязвимы при порезах или несовершенствах поверхности. Стандарты сертификации на долговечность в строительстве (например, ASTM D6817 для конопли) все еще совершенствуются.

Совместимость волокно-матрица

Врожденная полярность природных волокон часто несоответствует неполярным полимерным матрицам (например, полипропилен, полиэстер), что приводит к плохой межфазной адгезии. Слабое связывание приводит к вытягиванию волокна, а не к переносу напряжения, снижению прочности композита. Для цементных матриц щелочная среда может атаковать лигнин и гемицеллюлозу в волокнах, ослабляя их с течением времени. Решения включают химические модификации поверхности, использование соединительных агентов (например, малеиновый ангидрид, привитый полипропилен) и физические процедуры, такие как разряд короны. Однако они требуют тщательной оптимизации и ввода энергии.

Огнестойкость и огнеупорность

Природные волокна по своей природе горючи, с ограничением индекса кислорода (LOI) значения около 18-20% (по сравнению с >25% для огнезащитных синтетических веществ). В огне, NFRMs может выпускать дым и тепло, и быстро потерять структурную емкость. Огнезащитные добавки (например, гидроксид магния, полифосфат аммония) эффективны, но могут увеличить стоимость и вес, и может помешать биоразлагаемости. Недавние исследования сосредоточены на био-замедлителях пламени, таких как фитиновая кислота и производные лигнина.

Типы натуральных волокон, используемых в строительных матрицах

Выбор волокна зависит от региональной доступности, стоимости и требуемых механических свойств. В следующей таблице приведены основные волокна и их типичные характеристики:

• Конопля: Высокая прочность на растяжение (690-1500 МПа), отличная теплоизоляция, низкая плотность. Широко используется в конопле.
• Льня: Превосходная прочность на растяжение (800-1500 МПа) и жесткость.Обычны в полимерных композитах для панелей и балок.
• Jute: Умеренная прочность (400—800 МПа), низкая стоимость, высокая влагопоглощение. Используется в геотекстилях и не несущих панелях.
• Sisal: Высокая ударопрочность (600—700 МПа), хорошая долговечность в щелочных условиях. Подходит для листов крыши.
• Бамбук: Очень высокая прочность (1400-2800 МПа в форме волокна), но обработка волокна трудоемкая. Используется в армированных цементных композитах.
• Кокосовая кора: Низкая прочность (150-350 МПа), высокое удлинение, отличная влагостойкость. Подходит для изоляционных панелей.

Материалы матрицы для композитов, армированных натуральным волокном

Матрица связывает волокна, переносит нагрузки и защищает их от окружающей среды.Разрабатываются несколько матричных систем:

Полимерные матрицы (термопласты и термореактивные)

Полипропилен, полиэтилен и полиэстер являются обычными термопластиками. Они плавятся при температурах обработки и могут быть отлиты в форме инъекций или экструдированы с натуральными волокнами (до 40-60% содержания волокон). Термореактивные вещества, такие как эпоксидный и ненасыщенный полиэстер, обеспечивают более высокую жесткость и химическую стойкость, но не подлежат вторичной переработке. Био-полимеры, такие как полимолочная кислота (PLA), полигидроксиалканоаты (PHA) и соевые смолы, набирают тягу, но сталкиваются с проблемами стоимости и чувствительности к влаге.

Внешняя ссылка: Достижения в биопроизводных полимерных матрицах для натуральных волоконных композитов

Цементарные матрицы

Гемпкретные (конопляные швы + известковое связующее) являются наиболее известным примером. Он обеспечивает хорошую изоляцию и буферизацию влаги, но ограниченную прочность конструкции. Цемент может использоваться, но щелочная среда разрушает волокна, если они не покрыты кремнеземом или щелочностойкими. Недавние работы по геополимерным связующим (активированная зола или шлак) показывают многообещающие результаты: они имеют более низкую щелочность и могут улучшить долговечность волокна, предлагая более низкие углеродные следы, чем портландцемент.

Био-смолы и мицелий-композиты

Материалы новой матрицы включают смолу, синтезированную из растительных масел (например, льняного семени, кастора), и мицелий (грибковые корни), выращенный непосредственно на натуральных волоконных подложках. Доски на основе мицелия полностью биоразлагаемы и обладают отличной огнестойкостью из-за их высокого содержания лигнина, хотя механическая прочность остается низкой. Био-смолы могут быть сформулированы с помощью сшивателей, чтобы соответствовать производительности полимеров на основе нефти.

Применение в строительстве

Матрица с натуральным волокном находит применение как в структурных, так и в неструктурных ролях:

• Изоляционные панели и блоки:] Конопляно-известковые блоки и льняно-полипропиленовые панели служат не несущими стенами и изоляцией крыши.
• Обшивка и элементы фасада: Джутовые и сизальные волоконно-укрепленные полимерные панели используются для облицовки дождевым экраном, предлагая эстетику и устойчивость к погодным условиям.
• Крылательные листы и плитки: Листы из цемента сизаля распространены в развивающихся странах как недорогая, долговечная кровля.
• Структурные балки и колонки: Исследовательские прототипы с использованием льняной эпоксидной сетки с наложением ткани достигли прочности, сравнимой с композитами из стекловолокна, но долгосрочные характеристики все еще изучаются.
• Формовые и временные конструкции: После использования можно компостировать недорогие, биоразлагаемые опалубочные панели из джута и биосмолы.
• Внутренняя отделка: Акустические панели, декоративные стеновые панели и напольные покрытия из натуральных волоконных композитов выходят на коммерческие рынки.

Лечение и модификации для преодоления проблем

Для обеспечения жизнеспособности NFRM были разработаны несколько стратегий модификации:

• Обработка щелочкой (мерсеризация): Раствор гидроксида натрия удаляет лигнин и гемицеллюлозу, грубеет поверхность волокна для лучшего механического сцепления и снижает поглощение влаги до 30%.
• Силановые соединительные агенты: Органосиланы образуют ковалентные связи как с волокном, так и с матрицей, улучшая прочность интерфейса и водонепроницаемость.
• Ацетилирование: Обработка волокон уксусным ангидридом заменяет гидроксильные группы ацетиловыми группами, гидрофобизируя поверхность и повышая размерную стабильность.
• Обработка ферментами: Биологические методы (например, пектиназа) избирательно удаляют пектины без повреждения целлюлозы, сохраняя целостность клетчатки.
• Плазменная обработка: Холодная плазма изменяет энергию поверхности для повышения смачиваемости и сцепления с матрицей.
• Наноцеллюлозное усиление: Добавление целлюлозных нановолокон или нанокристаллов дополнительно улучшает барьерные свойства и механические характеристики.

Сравнительная производительность: NFRM против синтетических композитов

Прямое сравнение показывает, где NFRM превосходят и не дотягивают:

• Прочность/жесткость: Композиты из стекловолокна имеют удельную прочность в 1,5-2 раза выше, чем лен/эпоксид, но льняные композиты обеспечивают лучшее демпфирование вибрации и утомляемость.
• Плотность: НФРМ на 30-50% легче, преимущество при критическом весе (например, кровельные панели, модульное корпус).
• Воздействие на окружающую среду: NFRMs сокращают потребление энергии на 40-60% по сравнению со стеклянными композитами в анализе от колыбели до шлюза, но биоразлагаемость в конце жизни достижима только с помощью матриц на основе био.
• Стоимость единицы прочности: Для неструктурных применений NFRM часто дешевле; для высокопроизводительных структурных применений они дороже из-за необходимых процедур и контроля качества.
• Сопротивление огню: Стеклянные композиты по своей сути негорючи; NFRM требуют добавок для соответствия строительным нормам.

Будущие перспективы и направления исследований

Текущие инновации направлены на устранение оставшихся барьеров:

• Наноцеллюлозы и целлюлозы нанокристаллов встраиваются в состав матрицы для создания высокопроизводительных, полностью био-композитов с повышенной влагостойкостью.
• Гибридные композиты , которые сочетают натуральные волокна с небольшим количеством синтетических волокон (например, стекло), могут сбалансировать производительность и устойчивость. Например, гибрид льняного стекла может соответствовать структурным требованиям при одновременном снижении углеродного следа на 50%.
• 3D-печать NFRM с использованием биополимеров, армированных коноплей или джутом, появляется, что позволяет создавать сложные формы и на месте без форм.
• Цифровые инструменты проектирования и модели производительности , которые учитывают вариабельность волокон, разрабатываются для прогнозирования долгосрочного поведения и обеспечения уверенности для структурного использования.
• Стандарты и сертификаты постепенно устанавливаются, например, европейский стандарт EN 16970 для натуральных волоконных композитов в зданиях.
• Модели кругового строительства, где NFRM предназначены для разборки и компостирования (матрица и волокно, биоразлагаемые), являются пилотными исследованиями в нескольких исследовательских проектах ЕС.

Внешняя ссылка: Интегрированные подходы к натуральным волоконным композитам для устойчивого строительства

Заключение

Природные матрицы, усиленные волокнами, обладают значительным потенциалом для снижения воздействия на окружающую среду строительного сектора при сохранении - и в некоторых отношениях улучшении - производительности. Возможности в области устойчивости, стоимости, веса и изоляции убедительны. Тем не менее, проблемы влагочувствительности, изменчивости, биодеградации, совместимости и огнестойкости нельзя игнорировать. Благодаря целенаправленным обработкам волокна, оптимизированным матричным составам и продолжающимся исследованиям гибридных и био-систем NFRMs неуклонно движутся к коммерческой жизнеспособности. С совместными усилиями в области материаловедения, дизайна продукта и строительных норм эти композиты готовы стать основой в инструментальном наборе устойчивого строительства.