Химическая и структурная характеристика эпоксидных композитов на основе рамии, армированных биоchar из скорлупы макадамии

Превращение сельскохозяйственных отходов в прочные материалы

Современным изделиям — от автомобилей до строительных панелей — нужны материалы, которые одновременно прочны и безвредны для планеты. В этом исследовании рассматривается удачный способ превращения двух сельскохозяйственных побочных продуктов — волокон рамии и отброшенной скорлупы макадамии — в легкий композит, способный заменить часть нефтехимических пластмасс и деталей из стеклопластика. Превратив скорлупу в тонкий углеродный порошок, называемый биочаром, и смешав его с растительными волокнами и эпоксидной смолой, исследователи демонстрируют, как отходы ферм могут стать прочными, долговечными элементами для будущей «зеленой» инженерии.

Почему важны растительные волокна и скорлупа

Традиционные композиты, например армированные стекловолокном или углеродными волокнами, обладают отличной прочностью, но их производство энергоемко, а утилизация затруднена. В отличие от них растительные волокна возобновляемы, легче и позволяют уменьшить экологический след изделий. Рамия, волокнистая культура, широко выращиваемая в Азии, особенно привлекательна потому, что ее нити изначально прочные и жесткие. Одновременно бурно растущая индустрия макадамии генерирует большие объемы твердой скорлупы, обычно малоценной. Эта скорлупа богата углеродом и при пиролизе, то есть нагреве в отсутствие кислорода, превращается в биочар — пористый материал, похожий на древесный уголь, который может действовать как мелкая армирующая фаза в пластиках.

От скорлупы к биоchar с большой удельной поверхностью

Команда сначала сосредоточилась на превращении скорлупы макадамии в полезный наполнитель. Скорлупу очистили и высушили, затем нагревали в печи с пониженным содержанием кислорода при примерно 350 °C. Этот процесс, известный как пиролиз, удалил летучие компоненты биомассы и оставил углеродно‑богатый чарк. После помола в шаровой мельнице и просеивания полученный порошок состоял из мелких частиц всего в несколько микрометров, с шероховатой, треснувшей поверхностью, заполненной порами. Продвинутые анализы показали, что этот биочар имеет большую внутреннюю площадь поверхности и частично упорядоченную углеродную структуру. Эти свойства обеспечивают множество контактных точек для сцепления с окружающей смолой и волокнами, а также достаточную термостойкость, чтобы выдержать высокие температуры, возникающие при отверждении эпоксидной матрицы.

Создание зеленого композита

Далее исследователи объединили три компонента: обработанные волокна рамии, эпоксидную смолу и различные количества биочара из макадамии. Общее содержание рамии в композите удерживали на уровне 40 процентов по массе, а долю биочара варьировали — 1, 3 и 5 процентов, обозначив образцы MR1, MR3 и MR5. Биочар сначала смешивали и ультразвуково диспергировали в жидкой смоле, чтобы равномерно распределить частицы. Затем смолу заливали на выровненные пучки волокон рамии в форме, прессовали и отверждали. Получившиеся плоские панели разрезали на стандартизованные образцы для испытаний. Команда измеряла их предел прочности при растяжении и изгибе, сопротивление удару, твердость поверхности, а также поведение при воздействии температуры и воды.

Поиск оптимума прочности

Выдающийся результат показал композит с 3 процентами биочара (MR3). По сравнению с вариантом с 1 процентом, MR3 продемонстрировал примерно на треть большую прочность на разрыв, почти на пятую часть большую прочность на изгиб и примерно в полтора раза большее сопротивление удару. Микроскопические изображения объяснили причину: частицы биочара в MR3 были равномерно распределены вокруг волокон рамии, заполняя микропустоты и создавая шероховатый, замковый интерфейс. Это позволило напряжениям плавно передаваться между волокнами и смолой, а трещинам — изломаться, ветвиться и изменять направление, вместо того чтобы прорезать материал по прямой. При 5 процентном содержании биочара частицы начали агломератироваться. Эти скопления формировали слабые места и мелкие полости, что несколько снизило прочность и вязкость, несмотря на более высокий объем наполнителя.

Тепловая стабильность, вода и долговечность

Кроме базовых испытаний на прочность, команда изучала, как композиты переносят тепло и влагу — два ключевых вызова для практического применения. Тепловой анализ показал, что MR3 сопротивляется разложению при более высоких температурах и оставляет после себя больше защитного углеродного остатка по сравнению с другими образцами, что делает его более стабильным в горячих условиях. Испытания на погружение в воду выявили, что MR3 впитывает наименьшее количество влаги, что свидетельствует о способности биочара блокировать пути проникновения воды вдоль растительных волокон. Даже после замачивания и сушки MR3 сохранял более 95 процентов своей исходной прочности на растяжение и изгиб и практически всю ударную вязкость, указывая на хорошую долговечность в условиях влажности или периодического намокания.

Что это означает для повседневных изделий

Проще говоря, эта работа показывает, что существует «золотая середина» содержания биочара из скорлупы, которая делает композиты рамия‑эпоксид прочнее, более вязкими и термостойкими, не теряя при этом легкости. Примерно при 3 процентах биочара композит работает лучше, чем при меньших или больших нагрузках, поскольку частицы хорошо диспергированы и плотно сцеплены с волокнами и смолой. Превращая сельскохозяйственные отходы в полезный компонент, такие материалы со временем могут найти применение в легких автомобильных деталях, строительных панелях и других элементах, где важны снижение веса и экологического воздействия.

Цитирование: Palaniappan, M., Kumar, P.M., Sivanantham, G. et al. Chemical and structural characterization of ramie-based epoxy composites reinforced with macadamia nut shell biochar. Sci Rep 16, 9374 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39764-1

Ключевые слова: композиты с биоchar, материалы из натуральных волокон, вторичное использование сельскохозяйственных отходов, устойчивые полимеры, легкие конструкции