Dywan z Sansevierii? jeszcze nie teraz, ale może w niedalekiej przyszłości

Rozwój technologii materiałowej w ostatnich latach zaowocował rosnącym zainteresowaniem naturalnymi włóknami wzmocnionymi kompozytami. Włókna te, pozyskiwane z różnych roślin, oferują wiele zalet, takich jak lekkość, odporność na korozję, biodegradowalność oraz niskie koszty produkcji.

Włókno Sansevierii trifasciata wyróżnia się wyjątkową wytrzymałością mechaniczną, niską gęstością i odnawialnością, co czyni je atrakcyjnym surowcem dla przemysłu materiałowego.

Sansevieria trifasciata pochodzi z rodziny Asparagaceae i jest rośliną o szerokim zastosowaniu dekoracyjnym oraz przemysłowym.

Włókno tej rośliny pozyskiwane z liści charakteryzuje się wysoką zawartością celulozy (56 proc.), niskim poziomem ligniny (6 proc.) oraz umiarkowaną zawartością hemicelulozy (34 proc.), co wpływa na jego zdolność do tworzenia silnych wiązań z matrycami polimerowymi. Niska zawartość ligniny oznacza, że proces chemicznej modyfikacji włókna jest mniej skomplikowany niż w przypadku innych włókien, takich jak juta czy konopie.

Istnieją dwie główne techniki pozyskiwania włókna S. trifasciata: mechaniczne zeskrobywanie oraz tzw. procesy moczenia (retting). Procesy te mogą być dodatkowo wspomagane obróbką chemiczną, w tym zastosowaniem alkaliów, takich jak NaOH. Obróbka chemiczna zwiększa właściwości mechaniczne i adhezję włókna do matrycy, poprawiając jednocześnie właściwości termiczne kompozytów.

Metody Mechaniczne

Ręczne skrobanie (Hand Scraping)

• Liście S. trifasciata umieszcza się na twardej powierzchni, a następnie skrobie za pomocą noża lub ceramiki, aby usunąć zieloną tkankę i odsłonić włókna.
• Zalety: Prosta i niskokosztowa metoda, pozwala na zachowanie integralności włókien.
• Wady: Wymaga dużego nakładu pracy i czasu. Możliwe uszkodzenie włókien przy niedokładnym skrobaniu.
• Czas: Skrobanie należy wykonać w ciągu 3 dni od zebrania liści, aby uniknąć ich wyschnięcia, co utrudnia proces.

Metody Moczenia (Retting)

Moczenie w wodzie (Water Retting)

• Liście są wiązane w pęczki i zanurzane w stojącej wodzie na okres od 3 do 30 dni. Po zakończeniu procesu włókna są oddzielane od tkanki roślinnej, myte i suszone.
• Zalety: Poprawia właściwości mechaniczne włókien poprzez usunięcie gumy i wosków.
• Wady: Proces długotrwały. Może powodować degradację włókien, jeśli jest prowadzony zbyt długo.

Moczenie chemiczne (Chemical Retting)

• Liście są traktowane roztworem alkalicznym w temperaturze 70–100°C przez 1–2 godziny. Następnie włókna są myte wodą destylowaną i suszone.
• Zalety: Szybszy proces niż moczenie w wodzie. Lepsze oczyszczenie włókien z ligniny i innych zanieczyszczeń.
• Wady: Wymaga użycia środków chemicznych i precyzyjnej kontroli parametrów.

Dekortykacja (Decortication)

• Mechaniczne usuwanie miękkich części liści za pomocą maszyn do dekortykacji, które oddzielają włókna od tkanek.
• Zalety: Duża wydajność i szybkość procesu. Zachowanie morfologicznej struktury włókien.
• Wady: Wyższy koszt w porównaniu z metodami ręcznymi. Możliwość uszkodzenia włókien w przypadku złej kalibracji urządzeń.

Porównanie Metod

Mechaniczne właściwości włókna Sansevieria trifasciata są zróżnicowane i zależą od wielu czynników, takich jak metoda ekstrakcji, obróbka chemiczna, wiek rośliny, klimat i miejsce wzrostu.

Oto kluczowe właściwości mechaniczne tego włókna:

Wytrzymałość na rozciąganie. Włókno charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie w zakresie 279–919 MPa, co plasuje je wśród mocniejszych włókien naturalnych. Wytrzymałość ta jest wyższa po obróbce chemicznej, np. alkalizacji za pomocą NaOH.

Moduł sprężystości (moduł Younga). Wartości modułu sprężystości wynoszą od 9,7 do 15,3 GPa, co wskazuje na dobrą sztywność włókna. Są one jednak niższe niż dla włókien takich jak kenaf czy len.

Wydłużenie przy zerwaniu. Włókno wykazuje wydłużenie przy zerwaniu na poziomie 2,1–9,6%, co świadczy o umiarkowanej zdolności do odkształceń. Jest ono bardziej sztywne niż włókna kokosowe, ale mniej elastyczne niż włókna olejowe.

Gęstość. Włókno S. trifasciata ma gęstość w zakresie 0,89–1,42 g/cm³, co czyni je lekkim materiałem odpowiednim do zastosowań w kompozytach wymagających niskiej wagi.

Średnica włókna. Wynosi od 45 do 250 μm, co wpływa na jego zdolność do tworzenia interfejsu z matrycami polimerowymi i na właściwości finalnych kompozytów.

Trwałość termiczna. Włókno jest stabilne termicznie do temperatury około 200°C, co pozwala na jego zastosowanie w materiałach eksploatowanych w umiarkowanych warunkach termicznych.

Włókno S. trifasciata stosuje się jako materiał wzmacniający w matrycach polimerowych, takich jak poliester, polipropylen i epoksyd. Kompozyty te wytwarza się głównie metodą ręcznego układania warstw (hand lay-up) oraz metodami prasowania na gorąco lub zimno. Wytrzymałość mechaniczna kompozytów zależy od takich parametrów, jak długość włókna, jego orientacja oraz stężenie.

Dodatkowo, obróbka chemiczna, w tym alkalizacja, znacząco poprawia ich właściwości mechaniczne, zwiększając wytrzymałość na rozciąganie oraz odporność na wysokie temperatury. Wykorzystanie włókna w kompozytach pozwala na uzyskanie materiałów o dobrych parametrach termoizolacyjnych oraz akustycznych.

Pomimo obiecujących wyników, istnieje wiele obszarów wymagających dalszych badań. Brakuje szczegółowych analiz składu chemicznego włókna oraz badań nad jego właściwościami elektrycznymi i chemicznymi. Rekomenduje się również przeprowadzenie analizy cyklu życia kompozytów oraz oceny ich wpływu na środowisko.

Włókno Sansevieria trifasciata stanowi obiecującą alternatywę dla syntetycznych materiałów wzmacniających, oferując rozwiązania przyjazne środowisku o szerokim spektrum zastosowań. Wykorzystanie tego surowca w przemyśle może przyczynić się do rozwoju zrównoważonych technologii materiałowych.

Opracowano na podstawie artykułu p.t. „Sansevieria Trifasciata Fibre and Composites: A Review of Recent Developments” opublikowanego w International Polymer Processing Journal of the Polymer Processing Society w sierpniu 2020 r. autorstwa A. G. Adeniyi, A. S. Akorede, J. O. Ighalo./ Zdjęcie główne: AI