Переосмысление композитов: устойчивые материалы для будущего

По мере развития технологий композитов, так же должно развиваться наше понимание того, чем могут быть композиты и что они могут предлагать.

Этот блог возник из пресс-релиза, который я получил от IntegriCo Composites (Сарепта, Луизиана, США), производящего композитные ж/д шпалы и строительные коврики. Изучая их пресс-релиз и веб-сайт, оба фокусирующиеся на переработке и преобразовании пластиковых отходов в устойчивые конечные продукты с улучшенной производительностью, я понял, что это технология на 100% пластика. Поэтому я написал обратно и сказал: «ваше определение композита не совпадает с нашим». Но я был неправ.

Как смесь становится композитом

Каково определение композита?

Я объяснил, что пока IntegriCo заявляет, что их продукты — композиты с превосходными свойствами, они на самом деле являются сплавом — расплавленным амальгамой пластиков. Нет волокнистого армирования и не более одного идентифицируемого материала в конечном продукте.

Брайан Арквуд, главный технический директор IntegriCo, не согласился, объясняя, что продукты IntegriCo — это смесь двух и более типов материалов, которые сохраняют уникальную идентичность, спроектированные и инженерированные через обработку для доставки превосходных характеристик и производительности. «Позвольте мне прояснить», — сказал он.

Наш процесс использует смесь ПВПЭ (полиэтилен высокой плотности) и ПНПЭ (полиэтилен низкой плотности), а также полипропилена и полистирола. Это по дизайну, так как каждый из этих непохожих полимеров вносит вклад в общие характеристики конечного продукта. Мы можем манипулировать и/или менять свойства конечного продукта, изменяя соотношения каждого пластика и/или обработку общей смеси. Различные пласты не просто расплавляются вместе, однако.

Вот где эта смесь становится дифференцированной как композит:

«Пластики с высокой молекулярной массой (HMW), которые не плавится, перемежаются через непрерывный полимер пластиков, которые обрабатываются выше температуры плавления. Когда эта смесь остывает, пластики проходят процесс нуклеации. Скорость и процесс нуклеации контролируются температурой обработки, скоростью остывания и последующей загрузкой нуклеационного агента. Этот агент — химическое вещество, разработанное IntegriCo и используемое только в нашем процессе».

«По мере того как нуклеация происходит, общая кристалличность пластиковой смеси манипулируется, и HMW неплавимые полимеры переплетаются среди полимерных цепей, связанных ковалентно. Полимеры также манипулируются через сдвиговые напряжения для снижения вязкости при литье для продвижения лучшего взаимодействия и переплетения нуклеированных полимеров с неплавимыми полимерами».

Нуклеация, кристалличность и контроль аспектного отношения

Для меня ключевые концепции здесь — нуклеация (начальный процесс образования кристаллов), контроль кристалличности (управление образованием кристаллов) и манипулирование процессом для достижения лучшего интерфейса между переплетенными нуклеированными полимерами и неплавимыми полимерами. Последний момент действительно критичен для композитов, потому что без хорошего интерфейса между различными материалами нет эффективного передачи нагрузки и нет превосходной производительности.

Также помните, что в высокорастущей области термопластичных композитов полимеры, предлагающие более высокие механические свойства, а также большую температурную и химическую стойкость, полукристалличны. Те полукристалличные свойства достигаются и адаптируются управлением кристалличностью, чаще всего через контроль температуры во время обработки.

Композитные ж/д шпалы IntegriCo предлагают способ повторного использования пластиковых отходов в композитном продукте превосходной производительности, где вытянутый высокоплавкий пластик армирует низкоплавкую пластиковую матрицу. ИСТОЧНИК | IntregiCo Composites

Описание Арквуда также заставило меня подумать о самоармированных пластиках (SRP), таких как Pure, Curv, Armordon, Tegris и самый недавний проект BIO4SELF, выигравший JEC Innovation Award 2019 года. Обычно SRP композиты делаются, используя полимер с низкой температурой плавления (PE, PP или биополимер PLA) и армируя его волокном с более высокой температурой плавления из того же полимера. Это использование высоких и низких температур плавления полимеров — именно то, что делает IntegriCo. Поэтому я спросил Арквуда, являются ли высокомолекулярные (HMW) неплавимые полимеры, которые он использует, на самом деле появляющимися/формирующимися/ведущими себя как волокна?

«Это обеспечивает некоторые из тех же преимуществ, что и волокна», — сказал он. «Мы меняем аспектные отношения HMW полимеров в полимерной матрице для управления свойствами продукта. Увеличение или уменьшение HMW полимеров, в сочетании с изменениями других операционных параметров, может иметь значительные эффекты на пластиковые свойства, такие как модуль эластичности, модуль разрыва и твердость».

Арквуд объясняет, что IntegriCo может модифицировать полимерные соотношения и операционные параметры для удовлетворения специфических потребностей клиентов. «Мы задокументировали это данными разрушительных испытаний и выполнили запросы, основанные на свойствах, для клиентов, включая Union Pacific и Армию США. Соотношение полимеров — HMW к LMW и линейных к нелинейным или сильно разветвленным — играет роль в наших продуктах очень похожую на роль волокнистого армирования в других пластиковых композитных продуктах, влияя на ключевые производительные свойства прочности, жесткости, твердости и вязкости».

Устойчивость

Первый пункт: IntegriCo действительно предоставляет вдохновение, заслуживающее внимания отрасли композитов, пока наша планета разрушается отходов. Более 90% пластика становится отходами во всем мире, и более 34 миллионов метрических тонн пластика отправляются на свалки или в сжигательные печи ежегодно только в США и Канаде. IntegriCo предлагает реальное решение, перерабатывая смешанные жесткие пластики и обычно неперерабатываемые сорта 3–7, которые Китай перестал принимать в 2018 году. Сорта пластика 3–7 — это более трудно перерабатываемые, как классифицировано системой ASTM International Resin Identification Coding System (RIC), которая идентифицирует составные полимеры и перерабатываемость всех пластиков. Сорта 1 (PETE, PET) и 2 (HDPE) высоко перерабатываемы, и 5 (PP) начинает перерабатываться, в то время как все остальные сорта, включая 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) и 7 (Другие) в настоящее время не перерабатываются. Таким образом, IntegriCo делает разницу, отводя отходы со свалок и инженерируя их в ценностные композитные продукты, которые служат дольше альтернатив, производя меньше отходов со временем.

Нано-КМК

Мой второй пункт в том, что технология движется вперед в том, что такое композит. Я верю, что это уже влияет на продвижение материаловедения композитов и хочу надеяться вдохновить дальнейшие разработки. То, что спровоцировало это осознание для меня, было использование Арквудом нуклеации. Я немедленно узнал это из моего недавнего исследования нано керамических матричных композитов (нано-КМК, см. мою июльскую 2019 статью о нанокомпозитах).

Это из статьи ноября 2017 года, «Полимерные и керамические нанокомпозиты для авиакосмических применений»:

«Нанокомпозиты — материалы двадцать первого века, имеющие годовой темп роста 25% из-за их многофункциональных возможностей. ... Из-за возможности комбинирования желаемых свойств нанокомпозиты расширяют свои потенциалы в авиакосмических применениях и в будущих космических миссиях. ... Нанонаполнители увеличивают нуклеационную способность за счет улучшения межфазного взаимодействия с полимерной матрицей».

Я не могу поручиться за 25% темп роста, но очевидно, нанокомпозиты предлагают большой потенциал. Этот текст обсуждал нуклеацию нанонаполнителей. Чего было нового для меня, так это развитие нано-КМК, где керамическая матрица на самом деле армируется не волокном или наполнителем, а другой керамикой, где нуклеация и кристаллизация последней контролируются для производства высокоаспектного армирования.

В моей июльской 2019 статье о нанокомпозитах я использую иллюстрацию из статьи Паоло Пальмеро 2015 года, «Структурные керамические нанокомпозиты: обзор свойств и методов синтеза порошков» для показа примеров микромасштабных и наномасштабных композитов. A, B и C показывают микромасштабную (микронную) матрицу, армированную наночастицами, нановолокнами или нанопластинами соответственно, в то время как D имеет и округлые, и высокоаспектные наноармирования. Однако E и F иллюстрируют бифазные и многофазные нанокомпозиты соответственно, где наномасштабные керамики нерастворимы.

Рис. 1 Общие микро/нано композитные структуры для керамических материалов.
ИСТОЧНИК | «Structural Ceramic Nanocomposites: A Review of Properties and Powders' Synthesis Methods» Паоло Пальмеро.

Пальмеро описывает in-situ кристаллизацию вторых фаз на поверхности частиц матрицы — другими словами, матрица — первая фаза, а другая керамика — вторая фаза — как один из ключевых процессов, вовлеченных в производство керамических нанокомпозитов. После кристаллизации размер и форма кристаллов или зерен керамики управляются, что критично, так как они определяют объемные свойства керамического композита. Например, вытянутые зерна известны своим in-situ эффектом устойчивости к трещинам. Пальмеро отмечает, что способность адаптировать желаемые наноструктурные особенности в этих спеканных композитах жизненно важна, но сложна, требуя строгого процессного контроля на протяжении смешивания, формовки, спекания и уплотнения.

Подобная иллюстрация и обсуждение видны в Рис. 6 в книге Intechopen.com, Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites. Раздел 9.1.2 обсуждает микроструктуру нанокомпозитов нитрида кремния (Si₃N₄)/карбида кремния (SiC), которые делаются спеканием (горячим прессованием). Их микроструктура содержит крупные вытянутые частицы β-Si₃N₄ (усовые), окруженные более мелкими частицами β-Si₃N₄ игольчатой формы. Растровое электронное микрографическое изображение ниже из Рис. 7b показывает эту структуру при 20 000-кратном увеличении.

Эти поперечные сечения бифазных керамических нанокомпозитов (слева) и переработанных пластиковых композитов (справа) на самом деле довольно похожи, даже хотя они сильно отличаются от поперечных сечений обычных непрерывных волокно-армированных композитов.

ИСТОЧНИК | Рисунок 7, Раздел 9.1.2 из Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites Зденека Йоншты, Эвелин А. Боланос К., Моники Храбаловой и Петра Йоншты (слева) и поперечное сечение композитной ж/д шпалы, IntegriCo Composites (справа).

Преимущества би- и многофазных композитов

Почему это полезно для отрасли композитов? Потому что материаловеды используют это новое определение композитов для достижения уникальных, адаптированных комбинаций механических, тепловых, электрических и аблировальных свойств. Например, Научно-исследовательская лаборатория флота (NRL, Вашингтон, округ Колумбия, США) разработала композиты нитрида кремния, нитрида циркония и диборида титана, а также методы их армирования прочными волокнами. Эти рефрактерные керамики демонстрируют высокую прочность, термическую стабильность и переменную электрическую и тепловую проводимость, которые позволяют им удовлетворять требованиям компонентов гиперзвуковых летательных аппаратов — чего не могут сделать органические полимерные композиты и даже передовые металлические сплавы.

NRL также разрабатывает технологию аддитивного производства, которая будет включать наноструктуры в эти материалы и дополнительно настраивать диэлектрические, тепловые и электромагнитные экранирующие свойства с более высоким разрешением, чем возможно с текущими доступными материалами. Даже если вы не обязательно согласны с запланированными оборонными применениями для этих материалов, они могут также предоставлять ценные решения для запланированных космических исследований и миссий на Марс. Но они также могут открыть новые пути для полностью био-базированных композитов, которые предлагают не только высокую производительность здесь на Земле, но и способность делать это устойчиво и таким образом, что материалы и конечные продукты могут быть произведены и переработаны с использованием меньше энергии и ресурсов.

Я не предлагаю, что волокно-армированные композиты уходят со сцены или даже угасают. Но по мере развития технологий, так же должно развиваться наше понимание того, чем могут быть композиты и что они могут предлагать.