Оптимизация абразивного износа в устойчивых эпоксидных композитах на основе конопляно‑бамбукового волокна, армированных МКЦ, для трибологических применений

Почему важны более экологичные и прочные материалы

От автомобильных деталей до лопастей ветряных турбин — многие движущиеся компоненты со временем стираются из‑за трения поверхностей друг о друга. Традиционные пластики, армированные синтетическими волокнами вроде нейлона или углеродного волокна, хорошо сопротивляются износу, но имеют высокую экологическую стоимость: от большого энергопотребления до стойких отходов. В этом исследовании рассматривается более устойчивая альтернатива: композиты из волокон конопли и бамбука в эпоксидной матрице, дополненные растительной добавкой — микрокристаллической целлюлозой (МКЦ). Цель — создать более «зелёные» материалы, способные выдерживать интенсивное трение и царапанье без быстрого изнашивания.

Создание материала из растений и порошка

Исследователи начали с тканых полотен из конопляных и бамбуковых волокон, которые очищали мягким щелочным раствором, чтобы улучшить адгезию с эпоксидной смолой. Эти ткани складывали в слои и пропитывали эпоксидной смолой с разным содержанием МКЦ — мелкодисперсной биоразлагаемой целлюлозы, полученной из растительного сырья. Поддерживая общий объём волокон постоянным и меняя только долю МКЦ, они могли выделить влияние этой биологической наполнителя. Смесь прессовали в плиты и отверждали, получая гибридные панели, предназначенные имитировать конструкционные детали в таких областях, как автомобилестроение, авиакосмическая и строительная промышленность.

Тесты трения, имитирующие реальный износ

Чтобы оценить поведение панелей при абразивном износе, команда использовала испытательный стенд «штырь‑по‑диску»: небольшие образцы композита прижимали к вращающемуся диску, покрытому наждачной бумагой. Они варьировали четыре ключевых параметра — содержание МКЦ, зернистость абразива, нагрузку, прижимающую образец к диску, и пройденное скольжение. Для каждого испытания измеряли потерю массы образца, величину трения и шероховатость изношенной поверхности. Вместо поочерёдного изменения одного параметра они применили статистическую стратегию Box–Behnken (метод поверхности отклика), которая позволяет картировать влияние всех четырёх факторов и их взаимодействий одновременно при минимальном числе экспериментов.

Что действительно управляет износом, трением и гладкостью

Анализ показал, что параметры влияют неравномерно. Зернистость абразивной бумаги и длина пути скольжения были главными факторами потери массы: более грубая бумага и большие расстояния вызывали интенсивное резание и царапанье. Напротив, МКЦ сильнее всего контролировала трение и итоговую гладкость поверхности. При оптимальном содержании МКЦ поверхность становилась твёрже, и между композитом и абразивом формировалась плотная защитная плёнка — трибо‑слой. Этот слой снижал микро‑резание и стабилизировал трение. Однако слишком большое содержание МКЦ приводило к агломерации частиц; такие слипшиеся кластеры могли вырываться и действовать как дополнительный абразив, увеличивая износ, даже если поверхность визуально выглядела более гладкой.

Наблюдение износа под микроскопом

Микроскопические изображения изношенных поверхностей подтвердили эти тенденции. Композиты без МКЦ демонстрировали глубокие жёлоба, разорванную смолу и выдернутые волокна — признаки сильного «пахания» и нестабильной связи между волокном и матрицей. При содержании МКЦ около 3% по массе канавки стали мельче, мусор более уплотнён, и поверхность покрывала более сплошная плёнка, что соответствовало снижению износа и трения. При 6% МКЦ поверхность была ещё гладче и трение ниже, но вокруг агломерированных частиц появлялись трещины, а вырванные наполнители указывали на то, что износ снова начинает расти. Эти изображения помогли связать численные данные статистических моделей с реальными повреждениями на микроскопическом уровне.

Поиск золотой середины для более экологичных и долговечных деталей

Комбинируя статистические модели с измерениями износа и трения, команда искала набор параметров, который одновременно минимизировал потерю массы, трение и шероховатость поверхности. Лучшим компромиссом оказалось примерно 3% МКЦ, относительно мелкий абразив, умеренная нагрузка и средняя длина скольжения. При этих условиях материал терял мало массы, демонстрировал умеренное сопротивление скольжению и сохранял сравнительно гладкую поверхность. Для неспециалистов ключевая мысль такова: растительные волокна и наполнители можно очень точно настроить, чтобы сбалансировать долговечность и устойчивость. При тщательной оптимизации композиты конопля–бамбук–МКЦ в эпоксидной матрице могут заменить более загрязняющие материалы в деталях, которые постоянно испытывают трение, сокращая как расходы на обслуживание, так и экологический ущерб.

Цитирование: Gowda, H.D.S., Hemaraju, Kumar, V.G.P. et al. Optimizing abrasive wear in sustainable MCC reinforced hemp bamboo epoxy composites for tribological applications. Sci Rep 16, 12990 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43505-9

Ключевые слова: композиты на натуральных волокнах, абразивный износ, конопля‑бамбук‑эпоксид, микрокристаллическая целлюлоза, трибология