Применение натуральных волокон: факторы сдерживания рынка

Применение композитов из натуральных волокон (NFC — natural fibers composites) восходит к древним египтянам и шумерам, которые делали кирпичи из глины, армированной соломой. В последнее время использование натуральных волокон в качестве армирования в полимерных композитах привлекает большое внимание, особенно в исследовательском сообществе. В интернете и научной периодике опубликованы многочисленные обзорные статьи о применении NFC.

Однако на сегодняшний день коммерческое использование таких материалов представлено в основном древесно-пластиковыми композитами и внутренними панелями автомобилей. В общедоступном пространстве есть немного статистических данных о текущем рынке NFC, и на самом деле в большинстве отчетов, которые я встречал, обсуждаются предполагаемые потенциальные рынки, а не текущая ситуация.

Источник: bComp

Мировое потребление натуральных волокон

Мировое потребление натуральных волокон (также известных как «растительные» волокна, поскольку они производятся из растений, таких как конопля и лён), которые могут использоваться в качестве армирования для композитов, составило 4,3 миллиарда долларов в 2018 году со среднегодовыми темпами роста (CAGR). 3,3% с 2010 по 2018 год.

Низкие темпы роста показывают, что рынок развивается не так быстро, как ожидалось, и возникает логичный вопрос: что же сдерживает NFC? Другими словами, каковы препятствия для внедрения NFC в многочисленные области применения композитных материалов?

Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратиться к теории "Диффузии инноваций", разработанной ученым Эвереттом Роджерсом, которая объясняет, как новые идеи, технологии и продукты распространяются среди участников социальной системы.

Так что же сдерживает рынок натуральных волокон?

Согласно теории Роджерса, определим несколько факторов, которые влияют на внедрение инноваций (вольная интерпретация теории автором, прим. ред.):

• относительное преимущество,
  
• совместимость,
  
• сложность,
  
• возможность тестирования,
  
• коммуникация.
  

Источник: innovationintextiles.com

Относительное преимущество

Армирующие элементы из натурального волокна имеют много преимуществ по сравнению со своим неорганическим аналогом — стекловолокном. Например, они имеют низкую плотность, полезные специфические свойства, биоразлагаемы, получены из возобновляемых источников, имеют небольшой углеродный след и обеспечивают хорошую тепло- и звукоизоляцию.

Эти относительные преимущества необходимо подчёркивать при разработке новых продуктов на основе NFC, и это объясняет, почему автомобильная промышленность находится на переднем крае внедрения NFC — все это требования идеальны для конструкторов современных транспортных средств, особенно с учетом роста количества электромобилей и внедрения более строгих требований к экологическим нормам.

Совместимость

Недостатком армирования натуральными волокнами является то, что их гидрофильная природа (характеристики впитываемости и смачивания) делает их плохо несовместимыми с существующими системами гидрофобных смол, используемых в промышленности. Кроме того, их низкое термическое сопротивление ограничивает их совместимость с термопластичными матрицами.

Нестабильность их механических, химических и физических свойств, а также отсутствие стандартизации ограничивают их применение в областях со строгими стандартами качества, например, в аэрокосмической отрасли. Их грубая структура затрудняет плетение с использованием существующих прядильных линий; их трудно превратить в тканые преформы. По этой причине большинство армирующих материалов из натуральных волокон используются в нетканой форме.

Более того, несовместимость их поверхностных функциональных групп с функциональными группами в существующих системах смол приводит к плохой адгезии между волокном и матрицей и крайне низкой эффективности передачи нагрузки.

Наконец, их низкая годовая доступность, а также сезонность делают их несовместимыми с непрерывным потреблением в определенных цепочках поставок, таких как ветроэнергетика и строительство. В целом, я считаю, что низкий уровень совместимости NFC с текущими методами производства является основной причиной, препятствующей широкому распространению и внедрению NFC.

Сложность

В области проектирования и производства композитов редко встречаются специалисты, обладающих достаточным опытом и знаниями в области армирования натуральными волокнами, чтобы уверенно работать с ними (сказывается отсутствие профильных учебных заведений).

Кроме того, существует технологический разрыв между различными уровнями цепи поставок и производства. Например, производители волокон часто работают на сравнительно низкотехнологичном оборудовании, в то время как производители композитов — относительно высокотехнологичны. Необходимо преодолеть этот разрыв между различными участниками производственно-сбытовой цепочки: нужно обучить фермеров и производителей растительного сырья делать продукт, соответствующий стандартам качества, а конечного производителя КМ обучить работать с другим типом волокон, отличным от углеродного, базальтового, арамидного или стекловолокна.

Возможность тестирования

Армирующие материалы из натуральных волокон в основном производятся из растений, выращиваемых в развивающихся странах, таких как Китай, Бангладеш, Индия и Шри-Ланка, в то время как производители композитов в основном расположены в США, Западной Европе и Японии. Этот географический барьер затрудняет доступ производителей композитов к армирующим материалам из натуральных волокон для проведения исследований.

Широкий запрет на выращивание конопли в некоторых странах существенно ограничивает возможность её испытания. Лен является исключением, поскольку его выращивают в основном во Франции и Бельгии, регионах, где расположено множество производителей композитов. Фактически, легкий доступ к льну в этих регионах значительно повысил его привлекательность и сделал его наиболее широко используемым армирующим материалом из натуральных волокон.

Коммуникация

Этот термин указывает на то, насколько легко пользователю увидеть привлекательность использования NFC. Наиболее важные преимущества использования армирующих материалов из натуральных волокон связаны с экологической безопасностью. Эти преимущества включают снижение углеродного следа, биоразлагаемость и возобновляемость. Низкий вес, хорошая теплоизоляция, гашение вибрации, пластичное разрушение — тоже плюсы натуральных волокон.

Все эти преимущества важны при оценке привлекательности, но потенциальному потребителю без специальных знаний нелегко их распознать и оценить, и это в значительной степени ограничивает распространение и внедрение такого рода продуктов и технологий.

Источник: www.plasticfree-world.com

Преодоление барьеров

В мире уже реализовано несколько проектов, направленных на улучшение совместимости натурального волокна с целью создания механизмов производства ПКМ, по принципу стекло- и углеродного волокна. Проекты включали использование NFC для ровингов, однонаправленных лент, нетканых материалов и препрегов.

В большинстве из них использовались льняные волокна, предоставленные Bcomp Ltd. (Фрибург, Швейцария) и Composites Evolution (Честерфилд, Великобритания). Еще одна попытка улучшить совместимость — это акриловая смола на водной основе Acrodur, разработанная BASF (Шарлотт, Северная Каролина, США).

Более того, ассоциацией FiMaLin (Грюше-ле-Валас, Франция) и группой сертификации AFNOR (Сен-Дени, Франция) был разработан проект под названием QUALIFLAX, специально для контроля и обеспечения стабильных технических характеристик, надежных поставок и цен на натуральные армирующие волокна. Существуют такие проекты, как Fibragen (Валенсия, Испания), нацеленные на создание генетически отобранного льна с улучшенными свойствами.

Однако все еще существует потребность в изучении других натуральных волокон с высокими механическими свойствами, большей годовой доступностью и более низкими ценами, чем у льна или конопли. Многообещающая работа в этой области ведется компанией Sunstrand, LLC (Луисвилл, штат Кентукки, США) с волокнами бамбука и inTEXive (Каир, Египет) с волокнами средней жилки финиковой пальмы.

Заключение

Натуральные волокна уже сделали свой вклад в развитие композитов благодаря своим уникальным свойствам. Автомобильная промышленность и индустрия спортивных товаров уже внедряют в свои техпроцессы передовые технологии использования натурального волокна. Однако они все еще находятся на ранних стадиях внедрения и сталкиваются с некоторыми препятствиями, такими как совместимость и доступность, которые не позволяют им распространиться на массовый рынок. Следовательно, необходимо четко понимать эти препятствия и сосредоточить наши усилия на их преодолении.

Я твердо верю, что будущее — за "зеленым" производством, и с развитием отрасли биокомпозитов натуральные волокна будут преобладать во многих отраслях.