Биологическая обработка волокна конопли для использования в качестве армирования композита:

Bio-based treatment of hemp fiber for use as reinforcement of a composite: An effort towards development of green and sustainable polybenzoxazine brake pad

Ibrahim Lawana, Hariharan Argunamb, Manunya Okhawilaic, Cheol-HeeAhnd, Sarawut Rimdusita

Биологическая обработка волокна конопли для использования в качестве армирования композита: попытка разработать экологически чистые полибензоксазиновые тормозные колодки

Лаван Ибрагим  Харихаран Аргунам, Манунья Охавилай, Чхоль Хи Ан, Саравут Римдусит. 

Международная трибология, Том 193, май 2024 г. 109394

https://doi.org/10.1016/j.triboint.2024.109394

АННТОАЦИЯ

В ходе этого исследования была создана новая биологическая обработка, которая обеспечит надежное использование натурального волокна в качестве армирующего компонента в композите тормозных колодок (BPC). При обработке был синтезирован мономер на основе карданола. При применении обработки к волокну конопли (HF) были достигнуты значительные улучшения в термической стабильности и морфологии поверхности HF. Кроме того, использование обработанного HF для армирования BPC положительно повлияло на основные свойства, удельную скорость износа и морфологию изношенной поверхности BPC. Эффективность, продемонстрированная биологической обработкой, несомненно, поддержит использование натурального волокна при армировании БПК, тем самым консолидируя усилия по получению устойчивого и экологичного БПК.

ВВЕДЕНИЕ

По прогнозам, к 2040 году количество автомобилей в мире удвоится. Если это произойдет, спрос на автомобильные компоненты, такие как тормозные колодки, значительно возрастет. Тормозная колодка - это фрикционный материал, который взаимодействует между механизмом тормозной системы и ротором, прикрепленным к колесу автомобиля, чтобы замедлить или остановить его при нанесении. Это многокомпонентный композиционный материал, который изготавливается из четырех классов ингредиентов, а именно связующего, наполнителя, модификатора трения и армирующего волокна. 

Связующее склеивает все ингредиенты и обеспечивает целостность композита при нагрузке. Среди различных связующих (цианатный эфир, бензоксазиновая смола, фенольные, эпоксидно-модифицированные и модифицированные кремнием смолы), о которых сообщалось, бензоксазиновая смола демонстрирует превосходную межфазную адгезию с другими ингредиентами, трибологические характеристики, температуру стеклования, термостабильность и механические свойства.

Наполнитель - это материал, используемый для снижения стоимости получаемого композита, улучшения некоторых желаемых свойств и упрощения процесса производства композита. Хотя модификатор трения является ингредиентом, используемым для увеличения коэффициента трения и снижения скорости износа, они подразделяются на два типа (смазочные материалы и абразивы). 

Смазка обеспечивает стабильность при высоких температурах, в то время как абразив увеличивает коэффициент трения. Армирующее волокно улучшает свойства и трибологию композита тормозных колодок (BPC), и, по данным управления по патентам и товарным знакам США, от 6 до 35% от общего количества ингредиентов BPC может быть использовано для производства волокна.

Традиционно в качестве армирующего материала использовался асбест, но осознание того, что он наносит серьезный ущерб здоровью человека, потребовало поиска альтернативных волокон, которые можно было бы использовать, и это ознаменовало появление неасбестовых тормозных колодок. Сообщалось об использовании различных альтернативных волокон, таких как углерод, стекло, сталь, медь, арамид, зилон и натуральное волокно. Однако исследовательское сообщество уделяет все больше внимания использованию натурального волокна из-за его различных преимуществ (биоразлагаемость, возобновляемость, изобилие, дешевизна, высокая прочность и жесткость). 

Сообщалось, что натуральные волокна, такие как кокосовая койра, сахарный тростник, бамбук и конопля, положительно влияют на свойства и трибологию BPC. Таким образом, конопляное волокно выбрано для данного исследования, потому что оно является вторым по распространенности натуральным волокном, возможно, из-за его адаптируемости практически ко всем частям мира и присущих ему характеристик. Однако были выделены проблемы, связанные с термической стабильностью и совместимостью натурального волокна с композитной матрицей, и это представляет еще одну проблему для исследовательского сообщества.

Для решения вышеупомянутых проблем на натуральных волокнах были продемонстрированы щелочные, физиологические, бензоилхлоридные методы обработки, и были достигнуты некоторые значительные улучшения. Например, помимо улучшения морфологии изношенной поверхности, достигнутого всеми методами, снижение удельной скорости износа (WS) на 11,4% и 71%. Также было достигнуто при обработке щелочью и бензоилхлоридом, соответственно, при комнатной температуре. В то время как обработка силаном привела к снижению массы S на 2,3 до 22,8%. Кроме того, благодаря методу обработки бензоилхлоридом были достигнуты улучшения коэффициента трения (COF) и твердости BPC. 

Однако из отчетов о существующих методах обработки следует, что влияние щелочи, силана и бензоилхлорида на свойства при изгибе, термостабильность и вязкоупругие свойства не установлено, несмотря на их важность для определения целостности BPC. Кроме того, химический и невозобновляемый характер методов обработки вызывает серьезную озабоченность окружающей средой, и их внедрение может свести на нет цель использования натурального волокна для армирования BPC. Таким образом, невозможно переоценить необходимость в методе обработки, который был бы возобновляемым, устойчивым и экологичным. Кроме того, необходима комплексная оценка BPC после любого метода обработки, поскольку это обеспечит целостное развитие BPC.

В ходе настоящего исследования был разработан новый метод биологической обработки для использования натуральных волокон при армировании БПК. Во-первых, описан простой метод синтеза бензоксазинового мономера на основе карданола без использования растворителей, и было установлено, что его эффективность в преобразовании конопляного волокна (HF) значительна. При производстве BPC в качестве связующего использовалась бисфенол-бензоксазиновая смола (BA-35x, y). Результаты анализа характеристик полученных образцов BPC свидетельствуют о значительных улучшениях твердости, свойств при изгибе, термостойкости, модуля упругости при хранении, трибологии и морфологии изношенной поверхности BPC. Химическое сшивание бензоксазинового мономера на основе карданола, используемого при обработке HF и BA-35x, y, используемого в качестве связующего, является механизмом, ответственным за улучшения, и впервые представлено подробное объяснение возможного химического сшивания и того, как оно положительно влияет на BPC. 

Значительная эффективность биологической обработки, продемонстрированная в этом исследовании с использованием богатого, дешевого, возобновляемого и устойчивого карданола, является важным шагом на пути к созданию экологически чистых тормозных колодок. Кроме того, были предложены будущие перспективы того, как биологическая обработка может также способствовать использованию материалов на биологической основе в качестве других ингредиентов BPC.