Экологичное SMC с натуральными волокнами повышает промышленную эффективность

Заднее антикрыло, изготовленное из нового органического SMC. Исследователям удалось заполнить сложные ребристые структуры при обычных параметрах обработки. Разделения волокна и матрицы не обнаружено. Фото: Институт композитных материалов (IVW)

Органический прессовочный состав (SMC), способный включать натуральные наполнители и волокна — такие как молотые оболочки подсолнечника и камыш — был разработан компанией Lorenz Kunststofftechnik GmbH (Валленхорст, Германия), производителем полуфабрикатов из полимеров для различных отраслей, и Лейбниц-институтом композитных материалов (IVW, Кайзерслаутерн, Германия), некоммерческим исследовательским учреждением земли Рейнланд-Пфальц и Технического университета Кайзерслаутерна, специализирующимся на разработке и обработке композитов. Цель — создание термореактивного композита с относительно низким углеродным следом.

Питер Умс, директор по продажам и бизнес-развитию в Lorenz, говорит: «Мы поддерживали IVW нашей экспертизой и материалами SMC, а также при последующем тестировании для промышленного производства. Кайзерслаутернский институт провел предварительные лабораторные испытания, общее исследование и разработку формулировок для нового органического SMC».

Опрос потенциальных пользователей

Две организации разработали спецификацию материала на основе опроса 30 компаний из различных отраслей, включая электротехнику, автопром и промышленное оборудование. «Наш опрос показал, что разные отрасли предъявляют разные требования к материалу», — говорит Умс. Однако почти все хотели, чтобы у него была оценка жизненного цикла (LCA) для документирования экологических аспектов и снижения выбросов CO₂ в производстве, а также перерабатываемость. Мы выбрали возможные органические материалы для производства SMC на основе этих требований».

Партнеры решили разработать стекловолокнистый SMC, частично содержащий органический наполнитель. Для наполнителя рассматривались несколько вариантов: молотые оболочки подсолнечника и камыш, древесная мука, апсайклед карбонат кальция из промышленных установок смягчения воды и материал из переработки термореактивных пластиков. Как дополнительная мера устойчивого развития, сырье закупалось в радиусе 500 километров от завода Lorenz.

Исследования SMC, наполнителей и методов их обработки проводились в IVW. Учитывались такие факторы, как пропитываемость, плотность, вязкость и доступность сырья. Исследователи работали с ненасыщенным полиэфирной (UP) смолой и антиусадочной добавкой при разработке формулировки.

Работа над формулировками

Далее партнеры определили параметры для демонстрационного боевого компонента, изготавливаемого из нового материала. «Этот демонстратор помог нам изучить текучесть и поведение материала при заполнении формы, и сравнить его с обычными полуфабрикатами SMC», — говорит д-р инж. Флориан Гортнер, ученый IVW. «На основе этих результатов и испытаний пресс-реометрии мы построили симуляционную модель для демонстрации поведения при течении и прогнозирования других геометрий форм».

После первичных исследований была разработана базовая смолистая паста SMC, содержащая ненасыщенную полиэфирную (UP) смолу с антиусадочной добавкой, оксидом магния и внутренним антиприлипающим агентом для загущения смолы, а также красящей пастой. Эта смолистая паста прошла тесты, чтобы понять взаимодействие каждого компонента в SMC. Итеративные тестовые серии смолистых формулировок с разными наполнителями в итоге привели к созданию ряда смол на органической основе с желаемой вязкостью, текучестью и поведением при пропитке.

Гортнер говорит: «Оксид магния и внутренний антиприлипающий агент использовались для загущения смолы, а красящая паста добавлялась для окраски полуфабрикатов. Исходя из результатов опроса, мы добавили дальнейшие добавки и адаптировали смолистую пасту под применение».

Проведено несколько итераций формулировок до достижения желаемой вязкости, текучести и поведения при пропитке. Полученный материал позволяет производить полуфабрикаты с более низкой плотностью, чем обычный SMC, что, как надеется Lorenz, будет привлекательно для рынка электромобилей. Следующий шаг — коммерческое производство версии смолы, что, по словам Умса, Lorenz планирует осуществить в этом году.

«Теперь, когда нам вместе с IVW удалось создать этот новый термореактивный материал, мы планируем дальнейшие улучшения для практических применений», — добавляет Умс. Например, Lorenz может разработать варианты материала с разным соотношением смолистой пасты к наполнителям или заменить стекловолокно на натуральное в зависимости от приложения. Также ненасыщенные полиэфирные смолы могут быть заменены на более безопасные и экологичные.

По словам Гортнера: «Цель нашего исследовательского проекта — показать, что использование органических компонентов в полуфабрикатах из термореактивных пластиков возможно. Благодаря активной поддержке Lorenz мы успешно это сделали и продолжим учитывать обратную связь от промышленного производства в наших результатах».