Сила растяжения инновационных биокомпозитов для устойчивого строительства

Глобальная строительная индустрия находится под растущим давлением, чтобы уменьшить свое воздействие на окружающую среду, поскольку здания и инфраструктура составляют почти 40% глобальных выбросов углерода и потребляют огромное количество невозобновляемых ресурсов. В ответ исследователи и инженеры обращаются к биокомпозитам — материалам, которые объединяют природные волокна с биоразлагаемыми полимерными матрицами — как перспективный путь к устойчивому строительству. В отличие от традиционных композитов из стали, бетона или нефти, эти инновационные материалы получены из возобновляемых исходных материалов, предлагают более низкую воплощенную энергию и могут быть разработаны для биоразлагаемости в конце жизни. Однако для биокомпозитов, чтобы выйти за рамки неструктурных применений и в несущие роли, одно механическое свойство стоит выше всех других: интенсивный прочность . Понимание растягивающего поведения этих новых материалов имеет важное значение для архитекторов, инженеров-строителей и ученых-материалов, стремящихся указать безопасные, долговечные и действительно устойчивые альтернативы. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение растягивающей прочности инновационных биокомпозитов, охватывающих фундаментальные принципы

Введение в биокомпозиты для строительства

Биокомпозиты определяются как материалы, состоящие из двух первичных компонентов: фазы армирования, полученной из натуральных волокон, и фазы непрерывной матрицы, изготовленной из биоразлагаемого полимера, биополимера или иногда синтетического, но переработанного полимера. Природные волокна, обычно используемые, включают коноплю, льняной, джутовый, сизальный, куарный, бамбуковый и кенаф. Эти волокна обеспечивают жесткость, прочность и несущую способность, в то время как матрица связывает волокна вместе, передает напряжение между ними и защищает их от деградации окружающей среды. Материалы матрицы можно классифицировать по трем категориям: биополимеры на основе растений (например, полимолочная кислота [PLA], полигидроксиалканоаты [PHA], крахмальные смеси), полиэфиры на основе бактерий или даже новые термореактивные биопроизводные, такие как эпоксидированные смолы соевого масла.

Привлекательность биокомпозитов в строительстве заключается в их уникальной комбинации свойств. Они легкие - часто на 30-50% легче, чем эквивалентные стальные или бетонные секции - что снижает транспортную энергию и облегчает сборку на месте. Они демонстрируют хорошую тепло- и акустическую изоляцию, могут быть изготовлены с низкой встроенной энергией, а в конце срока службы могут быть компостированы или сожжены для рекуперации энергии с нейтральным углеродным балансом. Тем не менее, основной технической проблемой, препятствующей их широкому внедрению, является достижение надежной и последовательной прочности на растяжение, сравнимой с обычными строительными материалами, такими как сталь (обычно 400-550 МПа) или полимеры, армированные стекловолокном (300-500 МПа). Это свойство, которое определяет, можно ли доверять биокомпозитному компоненту в ферме крыши, балке пола или структурной панели.

Почему прочность на растяжение имеет значение в строительстве

Прочность на растяжение определяется как максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или тяге перед разрывом. В структурной инженерии это фундаментальный параметр, который появляется в проектных кодах для балок, колонн, галстуков и элементов армирования. Например, стальная армация в бетоне принимает растягивающие нагрузки, потому что сам бетон слаб в напряжении. Аналогично, для замены любого обычного материала в несущей роли биокомпозит должен последовательно соответствовать или превышать требования к прочности на растяжение, указанные в стандартах, таких как Международный строительный кодекс (IBC) или Еврокод.

Кроме того, эластичный модуль (жесткость) и прочность на разрыв; материал должен быть не только прочным, но и достаточно жестким, чтобы предотвратить чрезмерное отклонение под нагрузкой.В биокомпозитах прочность на растяжение часто анизотропна — значительно выше вдоль направления волокна, чем перпендикулярно ему. Эта зависимость наклона должна быть тщательно учтена при проектировании. Без глубокого понимания свойств на растяжение инженеры рискуют катастрофически хрупким отказом в обслуживании. Поэтому всестороннее тестирование и моделирование поведения на растяжение не подлежит обсуждению до того, как биокомпозиты могут быть сертифицированы для структурного использования.

Сравнение с обычными материалами

Для контекстуализации производительности биокомпозитов полезно сравнить их прочность на растяжение с прочностью других строительных материалов. Сталь обычно демонстрирует прочность на растяжение в диапазоне 400-550 МПа для структурных сортов (A36, S275) и более 1000 МПа для высокопрочных сплавов. Алюминиевые сплавы составляют около 100-500 МПа. Стандартные композиты из стекловолокна с армированным полимером (GFRP) находятся в диапазоне 300-500 МПа. Напротив, большинство однонаправленных композитов из конопли или льна-волокна в настоящее время достигают 50-200 МПа в направлении волокна, при этом некоторые оптимизированные составы достигают 250-300 МПа. Хотя эти значения ниже, чем сталь или GFRP, они конкурентоспособны, когда рассматривается вес - удельная прочность (прочность / плотность) биокомпозитов может превосходить сталь, что делает их привлекательными для легких конструкций и транспортируемых строительных компонентов.

Стандартизированные методы испытаний на прочность на растяжение

Для точного измерения прочности на растяжение требуются стандартизированные протоколы испытаний, учитывающие геометрию образца, скорость загрузки и кондиционирование окружающей среды. Наиболее часто используемым стандартом для полимерно-матричных композитов является ASTM D3039 , «Стандартный метод испытаний для свойств растяжения композитных материалов полимерной матрицы». Этот метод определяет призматический образец (обычно толщина 250 мм × 25 мм × образец) с прикрепленными вкладками, чтобы избежать сцепления, вызванного отказом. Универсальная испытательная машина применяет постоянную скорость смещения поперечного сечения (обычно 1-5 мм/мин) при регистрации нагрузки и деформации. Прочность на растяжение рассчитывается как максимальная нагрузка, деленная на исходную площадь поперечного сечения.

В частности, для биокомпозитов необходимо уделять пристальное внимание содержанию влаги и температуре, поскольку природные волокна гигроскопичны, а биополимерные матрицы могут быть вязкоупругими. ISO 527-4 и ISO 527-5 также обеспечивают стандарты тестирования для анизотропных волокон, армированных пластмасс. В исследовательских условиях корреляция цифровых изображений (DIC) все чаще используется для измерения деформации полного поля и обнаружения раннего начала повреждения. Кроме того, динамический механический анализ (DMA) может дополнять квазистатические тесты, выявляя вязкоупругие переходы, которые влияют на прочность при устойчивых нагрузках. Независимо от метода, тестовые образцы должны быть кондиционированы в стандартных лабораторных условиях (23 ° C, 50% относительная влажность) в течение по крайней мере 48 часов до тестирования для достижения воспроизводимых результатов.

Факторы, влияющие на прочность на растяжение биокомпозитов

Прочность на растяжение биокомпозита не является единой фиксированной величиной; она возникает из взаимодействия выбора материала, микроструктурного расположения и истории обработки.Понимание этих факторов имеет решающее значение для проектирования более прочных композитов и прогнозирования эксплуатационных характеристик.

1 Тип волокна и источник

Натуральные волокна широко различаются по своим присущим свойствам растяжения из-за различий в содержании целлюлозы, угла микроволокна и видов растений. Например, волокна конопли обычно имеют прочность на растяжение 400-800 МПа и упругий модуль 30-60 ГПа, в то время как волокна воскового волокна могут достигать 800-1200 МПа со значениями модуля до 80 ГПа. Жутовые волокна , как правило, слабее (), но более дешевы и обильны. Сизаль (]Кир Бамбуковые волокна , извлеченные из кульмы, могут превышать 1000 МПа при натяжении параллельно направлению волокна. Тип волокна также влияет на волокна-матричную межфазную связь — например, волокна кон

2.Волоконная ориентация и архитектура

Выравнивание волокон относительно направления нагрузки, пожалуй, самый важный параметр конструкции. Однонаправленные (UD) композиты, где все волокна ориентированы в одном направлении, достигают наибольшей прочности на растяжение в этом направлении, но слабы перпендикулярно. Напротив, случайные композиты из короткого волокна проявляют изотропную, но гораздо меньшую прочность (обычно 20–60 МПа). Для структурных компонентов дизайнеры часто используют тканые ткани (например, twill, простая ткань) или многоосные неконструкционные ткани , чтобы сбалансировать прочность по нескольким направлениям. Фракция объема волокна (обычно 30–60%) также играет роль: до точки, более высокое содержание волокна увеличивает прочность на растяжение; за пределами оптимального (часто около 50%), прочность может наклоняться или снижаться из-за плохой пропитки и разрыва волокна во время обработки.

3.Матричный материал и межфазные связи

Матрица передает нагрузку между волокнами и защищает их от воздействия окружающей среды. Для биокомпозитов матрица должна быть биоразлагаемой или, по меньшей мере, биоисточником. Полилактовая кислота (PLA) является наиболее широко используемым биополимером, с прочностью на растяжение 50-70 МПа. Полигидроксиалканоаты (PHA) имеют более низкую прочность (20-40 МПа), но превосходную пластичность. Термопласты на основе крахмала (например, Mater-Bi) предлагают настраиваемые свойства, но являются влагочувствительными. Биоэпоксидные смолы , полученные из растительных масел, могут обеспечить более высокую прочность и термостойкость. интерфейс волокна-матрицы определяет, насколько эффективно передается напряжение.

4. Методы обработки

Метод, используемый для производства биокомпозитов, сильно влияет на целостность волокна, дисперсию и содержание пустот. Компрессионное формование широко используется для производства листов и панелей; он включает в себя укладку волоконных ковриков и матричных пленок в горячем прессе. Инъекционное формование подходит для композитов с коротким волокном, но может ухудшать длину волокна из-за сдвига. Экструзия , за которой следует термоформование, является общим для непрерывных профилей. Аддитивное производство (3D-печать) с использованием волоконно-укрепленных нитей обеспечивает гибкость конструкции, но часто вводит пористость и слабые межслойные связи, снижая прочность на разрыв. Исследователи продемонстрировали, что вакуумное формование с смолой передачи (VARTM) производит композиты с более низким содержанием

5. Экологическая кондиционация

Натуральные волокна поглощают влагу, которая может пластифицировать матрицу и деградировать интерфейс волоконно-матричного слоя, что приводит к значительному падению прочности на растяжение. Например, льняной/PLA-композит, подвергающийся воздействию 95% относительной влажности в течение 30 дней, может потерять 40-60% своей первоначальной прочности. Аналогичным образом, повышенные температуры могут смягчать биополимеры (температура перехода стекла для PLA составляет около 55-65 ° C) и вызывать ползучесть при устойчивых нагрузках. Поэтому при оценке прочности на растяжение для строительных применений необходимо учитывать реалистичные условия обслуживания. ] Испытание на долговечность в циклах замерзания-оттаивания, УФ-облучение и биологическая атака (грибки, термиты) является активной областью исследований. Использование нанонаполнителей , таких как наноцеллюлоза или наноглина, может усиливать барьерные свойства и медленное поглощение

Последние достижения и результаты исследований

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в повышении прочности биокомпозитов на разрыв, что приблизило их к коммерческой жизнеспособности для структурного использования.

Высокопроизводительные композиты из конопляного волокна

В исследовании 2023 года, опубликованном в Composites Part B: Engineering , сообщалось о конопляно-волокнистом PLA-композите с прочностью на растяжение 290 МПа и модуле 22 ГПа, достигнутом за счет комбинации щелочной обработки, силиконовой связи и оптимизированного формования сжатия при 180°C. Это представляет собой 60% улучшение по сравнению с необработанными элементами управления и приближается к нижнему концу обычной прочности GFRP. Исследователи также продемонстрировали гибридный ламинат с тонким внешним слоем углеродного волокна (10% по объему) для повышения прочности до 380 МПа при сохранении 88% био-содержимого.

Наноцеллюлозно-укрепленные биополимеры

Наноцеллюлоза, полученная из древесной целлюлозы или бактериальной целлюлозы, обладает экстраординарными свойствами растяжения (теоретическая прочность > 2 ГПа, модуль ~ 140 ГПа) при включении при низких нагрузках (1-5 мас.%). Исследование 2024 года из Королевского технологического института KTH показало, что добавление 3 мас.% нановолокон целлюлозы (CNF) к матрице поливинилового спирта (PVA) увеличило прочность на растяжение с 65 МПа до 125 МПа и удвоило модуль. При использовании в качестве покрытия для натуральных волоконных тканей наноцеллюлоза также может улучшить межслойную адгезию в ламинированных композитах, что приводит к увеличению на 35% поперечной прочности на растяжение.

Био-вдохновленные гибридные архитектуры

Вдохновившись перламутровым (матери жемчуга) и костным материалом, исследователи разработали иерархические композитные структуры с чередующимися слоями жестких и пластичных материалов. Например, гибридный композит, содержащий слои льняной ткани, переплетенные с тонкими пленками пластичного PHA, произвел прочность на растяжение 200 МПа с напряжением отказа 8%, предлагая уникальную комбинацию прочности и прочности, не наблюдаемую в стандартных хрупких биокомпозитах. Такие накреобразные конструкции могут быть особенно ценными для устойчивых к землетрясениям строительных панелей.

3D-печатные непрерывные волокнистые биокомпозиты

Аддитивное производство эволюционировало, чтобы обеспечить непрерывную естественную арматуру волокна в биополимерных матрицах. В статье 2024 года в Аддитивное производство продемонстрирована непрерывная льняно-волокнистая PLA, напечатанная с помощью моделирования сплавленного осаждения (FDM), достигающая прочности на растяжение 185 МПа вдоль направления волокна - сравнимая с некоторыми компрессионными композитами короткого волокна. Охлаждая печатную кровать и контролируя температуру сопла, команда минимизировала образование пустот и достигла 95% плотности. Это открывает дверь для изготовления по требованию пользовательских биокомпозитных структурных узлов и соединений.

Применение в устойчивом строительстве

Хотя структурные применения остаются целью горизонта, биокомпозиты уже внедряются в ряде строительных секторов.

Текущие коммерческие приложения

  • Изоляционные панели: Биокомпозитные платы из конопляной стружки и извести (гемпкрета) хорошо зарекомендовали себя; более новые варианты включают ориентированные натуральные коврики из волокна для повышения прочности на растяжение и уменьшения растрескивания.
  • Неструктурная облицовка и элементы фасада: Льняно- и джутоукрепленные биополиэфирные панели используются в качестве декоративных дождевых экранов, предлагая отличную формуемость и низкий углеродный след.
  • Временные конструкции: На европейских строительных площадках проходят испытания легкие биокомпозитные строительные доски и опалубка, прочность на растяжение которых достаточна для рабочих нагрузок (обычно 2,5 кН/м2).
  • Внутренняя отделка: Дверные ядра, перегородки и потолочные плитки, изготовленные из сжатых натуральных волоконно-биополимерных композитов, уменьшают вес и улучшают акустическое поглощение.

Новые структурные приложения

Несколько пилотных проектов продемонстрировали возможность использования биокомпозитов в несущих функциях:

  • Биокомпозитные мосты:] 10-метровый пешеходный мост в Нидерландах (2022) использовал гибридную палубу из конопли / углеродного волокна, достигая прочности на разрыв 220 МПа в первичных элементах и коэффициента безопасности 4. Мост оснащен датчиками для мониторинга длительного ползучести и усталости.
  • Крыши: Исследовательская группа в TU Delft разработала сборную конопляную ферму-PLA крышу для модульного корпуса, которая достигла пиковой нагрузки 12 кН при кратковременном напряжении — сравнимой с легкой стальной фермой аналогичной массы.
  • Внешнее усиление:] Биокомпозитные обертки изучаются для переоборудования каменных и деревянных колонн. Гибридная обертка из базальтовой конопли, применяемая к неармированным кирпичным колоннам, увеличила растягивающую способность на 70%, добавив при этом менее 5% массы колонны.

Эти применения, хотя и находятся на демонстрационных этапах, доказывают, что биокомпозиты могут быть спроектированы для удовлетворения требований структурного кода (например, ACI 440 для композитов FRP) при проектировании с соответствующими факторами безопасности и положениями о долговечности.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на многообещающие достижения, необходимо преодолеть ряд барьеров, прежде чем биокомпозиты станут основными строительными материалами.

Переменность и контроль качества

Натуральные волокна демонстрируют присущую им изменчивость механических свойств из-за условий выращивания, времени сбора и метода обработки. Эта изменчивость затрудняет сертификацию постоянной прочности на разрыв. В настоящее время предпринимаются усилия по стандартизации (например, ISO 21565 для натуральных волоконных композитов), но неполные. Производители должны проводить строгие испытания поступающих материалов и статистический контроль процесса для обеспечения надежности партии к партии.

Влажность и долговечность

Как отмечалось ранее, чувствительность к влаге остается ахилловой пятой биокомпозитов. В то время как поверхностные покрытия (например, био-воски, акриловые) и гидрофобные обработки помогают, долгосрочные данные о долговечности на открытом воздухе скудны. Ускоренные испытания на прочность на открытом воздухе (например, ASTM D2565 для ультрафиолетового и водного спрея) показывают, что оптимизированные льняные композиты PLA сохраняют только 50-70% своей первоначальной прочности на растяжение после 1000 часов комбинированного воздействия. Исследования самоисцеляющихся биокомпозитов (с использованием микрокапсул льняного масла) и дополнительные барьеры влаги (например, наноплатежи оксида графена) продолжаются, но еще не доступны в продаже.

Огненный эффект

Натуральные волокна легко воспламеняются, а биополимеры часто обжигаются и капают при горении. Задержка огня обязательна для строительных компонентов (например, ASTM E84 класса A или B). Исследователи разработали антипирены на основе биопрепаратов, такие как фитиновая кислота и полифосфат аммония, которые могут быть включены во время изготовления композитов без значительного снижения прочности на разрыв. Исследование 2024 года показало, что загрузка фитиновой кислоты в конопляных / PLA композитах на 10 мас.% привела к снижению пиковой скорости выделения тепла и сохранила 92% прочности на разрыв , демонстрируя, что пожарная безопасность и механические характеристики не являются взаимоисключающими.

Стоимость и масштабирование

В настоящее время стоимость высококачественных натуральных волокон и биополимеров (особенно ПГК и биоэпоксидной смолы) может быть в 2-5 раз выше, чем стекловолокна и полиэфирной смолы. Однако по мере увеличения объемов производства и созревания цепочек поставок ожидается снижение затрат. Оценки жизненного цикла (LCA) показывают, что даже при текущих ценах биокомпозиты могут предложить более низкий потенциал глобального потепления (ПГП) на единицу прочности на разрыв при рассмотрении в течение всего жизненного цикла здания.

Вывод: путь вперед для биокомпозитной прочности на растяжение

Прочность на разрыв инновационных биокомпозитов значительно возросла за последние два десятилетия. Там, где ранние прототипы изо всех сил пытались превысить 50 МПа, современные оптимизированные материалы могут достигать 200-300 МПа с потенциалом превысить 400 МПа за счет гибридного усиления и нанодобавок. Этот прогресс открывает реальные приложения в устойчивом строительстве, от облицовочных панелей до пешеходных мостов. Однако для того, чтобы биокомпозиты стали стандартными структурными материалами, отрасль должна решать изменчивость, чувствительность к влаге, огневые характеристики и стоимость за счет непрерывных исследований, стандартизированных испытаний и совместных пилотных проектов. Архитекторы, инженеры и разработчики, которые инвестируют в понимание этих материалов сегодня, будут хорошо расположены, чтобы привести к переходу к низкоуглеродной среде, построенной завтра.

Для более глубоких погружений читателям рекомендуется изучить стандарт ASTM D3039 для тестирования на растяжение композитов , Composites World обзор биокомпозитов и программу исследований биоматериалов NIST для текущих исследований. Кроме того, ScienceDirect коллекция исследований композитов из натурального волокна предоставляет доступ к тысячам рецензируемых работ, отслеживающих последние прорывы в прочности на растяжение.