Сравнение технических характеристик: стекловолокно или волокно конопли

Использование натуральных волокон конопли в качестве механического армирующего материала вместо стекловолокна для термопластичных и термореактивных композитов имеет много преимуществ. В дополнение к их более низкой стоимости и меньшей плотности, натуральные волокна являются возобновляемым материалом и требуют меньше энергии для производства (выращивания), чем стеклянные волокна. 

Кроме того, стекловолокно абразивно по отношению к инструментам (увеличивает затраты на техническое обслуживание) и может вызывать раздражение и дискомфорт у операторов — два дополнительных преимущества, которые могут обеспечить натуральные волокна каннабис. 

Уменьшение плотности волокна и, следовательно, плотности композита особенно благоприятно для автомобильных применений, где часто важны вес автомобиля и экономия топлива. Предыдущая работа двух авторов также указывает на то, что в некоторых случаях замена стекловолокна натуральными волокнами также может привести к улучшению характеристик демпфирования материала. 

Демпфирующие свойства композитных материалов для автомобильной промышленности 

Эти свойства являются чрезвычайно важным фактором в общей характеристике автомобиля NVH (шум, вибрация и резкость). Волокна конопли являются идеальным выбором для композитного армирования по многим причинам. Марихуана (Cannibis sativa L) — это быстрорастущее растение, которое не требует пестицидов или удобрений и прекрасно себя чувствует в климате провинции Онтарио, Канада, географически благоприятной для автомобильной промышленности. 

Кроме того, лубяные (или стеблевые) волокна каннабис обладают одними из самых высоких механических свойств (например, прочностью на растяжение и модулем упругости) среди многих типов натуральных волокон. В текущем исследовании мы рассмотрели использование конопляных волокон в двух формах – непрерывные, скрученные шпагаты и нетканые маты – для замены всего или части стекловолокна в рецептурах SMC (листового формовочного материала) на основе винилового эфира и полиэстера. 

Новые методы обработки 

Эти методики были изучены на предмет их эффективности в улучшении влагостойкости и механических характеристик композитов. Специальный измельчитель был успешно использован для непрерывной подачи конопли, стекла и гибридной смеси волокон на линию смешивания. 

Наконец, механические свойства, влагопоглощение и плотность 4 композитов были оценены и сравнены с существующими спецификациями стекловолокна SMC для различных автомобильных применений. Все конопляные волокна в текущем исследовании были либо в виде нетканых матов из конопли, либо в виде непрерывного шпагата. 

Результаты тестирования

Маты из конопли содержали 15 мас.% полиэфирного связующего и имели общую плотность мата 55 г/фут2 (600 г/м²). Коврики были пробиты иглопробивным способом с плотностью 30-35 пуансонов/см2 для того, чтобы скрепить волокна вместе и облегчить обращение с ними. Невощеный конопляный шпагат имел конструкцию из шести скрученных непрерывных нитей, каждая из которых была скрученной. Измельченное стекловолокно использовалось в качестве исходного материала контрольной группы. 

Как стекловолокно, так и шпагат из марихуаны были нарезаны до длины 1 дюйм (2,54 см) на специальном измельчителе волокон, разработанном совместно с Brenner International (Ньюарк, Огайо). Все конопляные волокна были высушены в печи при 80 oC в течение не менее 12 часов перед партией. или непрерывная обработка для устранения влаги.

Типы смол: тестирование и обработка данных

Шесть смол на основе винилового эфира и полиэфира были исследованы для сравнения совместимости с волокнами марихуаны, механических свойств композита и влагопоглощения.

Пакетная обработка Пакетная обработка использовалась для оценки влияния дополнительного сжатия на проникновение смоляной пасты в маты из натуральных волокон. Эксперименты с периодическим прессованием проводили на матах из каннабис, разрезанных на панели размером 12 дюймов x 12 дюймов (30,5 см x 30,5 см). Одна панель была уложена на лист алюминиевой фольги. 

Один из различных составов смоляной пасты вручную выливали на мат и помещали между вторым матом. Все системы смол были подготовлены для снижения вязкости путем разбавления стиролом до уровня нелетучих веществ (NV) на 50%. Кроме того, не использовались наполнители CaCO3. Оба этих варианта составов были введены для снижения вязкости и дальнейшего улучшения проникновения смолы через натуральные волокна конопли. 

Сэндвич мат-смола-мат был завернут в алюминиевую фольгу и сжат до 1000 фунтов на квадратный дюйм (7 МПа) в течение 120 с. Насыщенные маты затем формовали прессованием (без созревания) при 300 oF (150 oC) и 75 тонн (7 МПа). Все композиты из конопляного мата имели номинальную загрузку волокна 45% по весу. Непрерывное компаундирование выполнялось на лабораторной линии SMC модели 600 шириной 24 дюйма от Brenner International. Конопляный мат, шпагат из марихуаны, стекловолоконная ровница и кромка.