Автомобили должны весить меньше и, следовательно, быть более экологичными. Важным подходом здесь является замена металлических компонентов стекловолконными композитами с одинаковой стабильностью. Команда исследователей из Фраунгоферовского института микроструктуры материалов и систем (Fraunhofer IMWS) в Галле, Германия, совместно с партнерами разработала бесконечный фиброармированный пластик, который не только обладают очень хорошими легковесными свойствами, но ещё и был произведён на основе возобновляемого сырья.
Композиты фиброармированного пластика – идеальные материалы для легкой конструкции, поскольку они обладают высокой прочностью и жесткостью, и в тоже время – низкой плотностью; они также обладают хорошими демпфирующими свойствами, а также очень устойчивы к коррозии и выветриванию.
В совместном исследовательском проекте с компанией-поставщиком присадок и измерительных приборов BYK Chemie GmbH (Везель, Германия) и компанией GK Concept GmbH (Дрезден, Германия), во Фраунгоферовском институте (Fraunhofer IMWS) были разработаны непрерывные фиброармированные полуфабрикатные материалы на биологической основе. Эти заготовки, так называемые «однонаправленные ленты» (UD- tapes), состоят из параллельных наложенных непрерывных волокон и термопластичной матрицы на основе полимолочной (полилактидной) кислоты, которая встраивает волокна таким образом, что образуется бесконечная фиброармированная пленка. Наслаивание и термическое прессование нескольких слоев пленки создает высокопроизводительные пластины. Когда они будут дополнительно обработаны, ориентация волокна в компоненте может быть адаптирована непосредственно к профилю нагрузки позднее.
Экологичность и высокопроизводительность
Проект в Fraunhofer IMWS специально нацелен на сокращение материалов на основе сырой нефти, используя биологические альтернативы на основе возобновляемого сырья как для пластика, так и для разработки волокон.
Исследователи разработали полимерную смесь, которая на 70 процентов состоит био-основы. Эта смесь из полипропилена и полимолочной кислоты, которая может быть синтезирована из сахарного тростника и кукурузы.
На втором этапе разработки команда исследователей использовала эти смеси для создания биологических однонаправленных лент. В процессе плёночной пропитки ненаправленные регенерированные целлюлозные волокна были объединены с разработанной пластиковой пленкой для образования однонаправленных лент, чтобы можно было спрессовать очень стабильные слоистые материалы. Результат: с экономией веса в салоне автомобиля до 20% и в то же время повышением производительности, (прочность на изгиб, например, составляет более 90% по сравнению с традиционно используемыми материалами), они могут очень хорошо использоваться в качестве основы для целевой структуры облегчённой конструкции.
«Мы соединили высококачественное биоволокно с сильно биогенной термопластичной матрицей и, таким образом, получили материал с очень хорошими механическими характеристиками, например, при изгибе и растяжении. Эти тенденции в наших опытно-конструкторских разработках очень перспективны для устойчивой легковесной конструкции», – говорит Ивонн Ян, руководитель исследовательской группы. В сотрудничестве с компанией GKC GmbH исследователи и их коллеги из экспериментального центра по синтезу и обработке полимеров Fraunhofer (Шкопау, Германия) использовали гибридные методы литья под давлением и прессование для производства различных образцов опытных образцов, таких как пример подлокотника.
Работа по разработке технологий и материалов создала основу для последующего использования этих композиционных материалов на основе биополимера в автомобилестроении. Ивонн Ян предполагает дальнейшее многообразие возможных применений для био-однонаправленных-лент: «Чем лучше будут наши композиты, тем более экономически специализированные компоненты смогут быть изготовлены, например, для интерьеров автомобилей в промышленном масштабе. Инновационные и передовые процессы вместе с новыми комбинациями материалов увеличивают потенциал для будущих облегчённых конструкций, поскольку композиты из биосодержащих материалов необходимы для нового поколения применений».
