ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. «Χρήσεις των φυσικών σύνθετων υλικών στη βιομηχανία»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διπλωματική Εργασία Προπτυχιακού Προγράμματος Σπουδών «Χρήσεις των φυσικών σύνθετων υλικών στη βιομηχανία» Συγγραφή Εργασίας: Διαμαντίδου Χριστιάνα, 511/ Επιβλέπων Καθηγητής: Παπανίκος Παρασκευάς Τριμελής Επιτροπή: Παπανίκος Παρασκευάς Ζαχαρόπουλος Νικόλαος Μουλιανίτης Βασίλειος 1

2 Δηλώνω υπεύθυνα ότι η διπλωματική εργασία είναι εξ ολοκλήρου δικό μου έργο και κανένα μέρος της δεν είναι αντιγραμμένο από έντυπες ή ηλεκτρονικές πηγές, μετάφραση από ξενόγλωσσες πηγές και αναπαραγωγή από εργασίες άλλων ερευνητών ή φοιτητών. Όπου έχω βασιστεί σε ιδέες ή κείμενα άλλων, έχω προσπαθήσει με όλες μου τις δυνάμεις να το προσδιορίσω σαφώς μέσα από την καλή χρήση αναφορών ακολουθώντας την ακαδημαϊκή δεοντολογία. 2

3 Ευχαριστίες Θα ήθελα να αποδώσω θερμότατες ευχαριστίες στον καθηγητή μου, Παρασκευά Παπανίκο, για την καθοδήγηση του, την πολύτιμη βοήθεια του και τον χρόνο που μου αφιέρωσε για την ολοκλήρωση της διπλωματικής μου εργασίας. Τον Νίκο, τη Λένα και τη Δήμητρα για την στήριξη τους και τις πολύτιμες συμβουλές τους όλα αυτά τα χρόνια. Τους δικούς μου dpsd για τα περιπετειώδη χρόνια μας στο νησί και τους ξέφρενους χορούς μας στο Boheme. Eύα, Δήμητρα, Δανάη, Ελενα, Κατερίνα, Ειρήνη, Κονταξάκη εσάς και για το λίγο παραπάνω. Αλλά και όλους αυτούς που έκαναν το comeback μου πιο ευχάριστο. Τέλος, το Σπίτι μας, τον Κωστή και την Έλενα Έλενα για τις λευκές και τις μαύρες μας στιγμές. Definitely! 3

4 Περίληψη Τα φυσικά ενισχυμένα σύνθετα υλικά είναι ένας αναδυόμενος τομέας στην επιστήμη των πολυμερών. Τα φιλικά προς το περιβάλλον βιοσύνθετα έχουν τη δυνατότητα να είναι το νέο υλικό του 21ου αιώνα και μια μερική λύση σε πολλά παγκόσμια περιβαλλοντικά προβλήματα. Οι φυσικές ίνες, που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των βιοσύνθετων υλικών προέρχονται από προϊόντα, τα οποία παράγει η φύση και είναι χαμηλού κόστους με χαμηλή πυκνότητα και υψηλές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες. Η μήτρα είναι ένα βιοδιασπώμενο πολυμερές που επιτρέπει στο σύνθετο να είναι βιοδιασπώμενο και φιλικό προς το περιβάλλον. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία κάνει μία βιβλιογραφική ανασκόπηση των φυσικών σύνθετων υλικών και των εφαρμογών τους, δίνoντας έμφαση στον τομέα της βιομηχανίας. Στόχος Σκοπός της διπλωματικής είναι η παρουσίαση των παραμέτρων που επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες των βιοσύνθετων υλικών. Ο στόχος επιτυγχάνεται με την διερεύνηση των ιδιοτήτων των ινών και της μήτρας και στη συνέχεια των βιοσύνθετων. Τέλος, γίνεται μια διερεύνηση της αντικατάστασης των κλασσικών σύνθετων υλικών από βιοσύνθετα σε υλικά που χρησιμοποιούνται στην βιομηχανία. Δομή της Εργασίας Η δομή της διπλωματικής εργασίας αποτελείται συνολικά από πέντε κεφάλαια, τα οποία αναφέρονται ως εξής: Κεφάλαιο 1 (Φυσικές ίνες): Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί μια εισαγωγή στις φυσικές ίνες που χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση στα φυσικά σύνθετα υλικά και στις ιδιότητες των ινών αυτών. Κεφάλαιο 2 (Μήτρες): Το κεφάλαιο αυτό παρουσιάζει τις μήτρες που χρησιμοποιούνται στα φυσικά σύνθετα υλικά, κάνοντας λεπτομερής ανάλυση των βιοδιασπώμενων πολυμερων και των ιδιοτήτων τους. Κεφάλαιο 3 (Βιοσύνθετα): Το κεφάλαιο αυτό εστιάζει στη συμεριφορά των βιοσύνθετων υλικών και αναλύει τις μηχανικές τους ιδιότητες. Κεφάλαιο 4 (Εφαρμογές): Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται παραδείγματα και εφαρμογές των βιοσύνθετων υλικών σε διάφορους τομείς της βιομηχανίας. Κεφάλαιο 5 (Μελέτη): Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια μελέτη για την εφικτότητα χρήσης των βιοσύνθετων υλικών σε υλικά υψηλής αντοχής. 4

5 1. Φυσικές Ίνες Φυτικές Ίνες Χημική Δομή Ταξινόμηση Φυτικών ινών Ίνες από το Εσωτερικό Φλοιό του φυτού (Bast Fibers) Ίνες από τα Φύλλα του φυτού (Leaf Fibres) Ίνες Καρπών και Σπόρων Ίνες από Χόρτα Ίνες Ξύλου Ιδιότητες φυτικών Ινών Φυσικές Ιδιότητες Μηχανικές Ιδιότητες Κόστος Μειονεκτήματα Ζωικές Ίνες Ίνα μεταξιού Ίνα από φτερό κοτόπουλου Ίνες από κατάλοιπα Μήτρες Βιοδιασπώμενα Πολυμερή Η έννοια της Βιοδιάσπασης Κύκλος Ζωής Βιοδιασπώμενων Πολυμερών Ταξινόμηση Βιοαποικοδομήσιμων Πολυμερών Φυσικά Βιοδιασπώμενα Πολυμερή Συνθετικά Βιοδιασπώμενα Πολυμερή Μη Bιοδιασπώμενα Πολυμερή Μηχανική Απόδοση Φυσικών ρητινών Ανησυχίες στη χρήση βίο- ρητινών ως μήτρες

6 3. Βιοσύνθετα Ορισμός Βιοσύνθετων Παράγοντες που επηρεάζουν τη Συμπεριφορά Διεπιφάνεια ίνας- Μήτρας Γεωμετρία Ινών Προσανατολισμός των ινών Μηχανικές Ιδιότητες Συμπεριφορά Βιοσύνθετων Εφαρμογές Αυτοκινητοβιομηχανία Εφαρμογές εσωτερικού χώρου Εφαρμογές εξωτερικού χώρου Κλωστοϋφαντουργία Άλλες Εφαρμογές Μελέτη χρήσης βιοσύνθετων Το υλικό Glare Παραμετρική μελέτη

7 1. Φυσικές Ίνες Τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με φυσικές ίνες είναι ένας αναδυόμενος τομέας στην επιστήμη των πολυμερών. Τα φυσικά ενισχυμένα σύνθετα υλικά, προσφέρουν ιδιότητες συγκρίσιμες με εκείνες των συμβατικών σύνθετων [1]. Στα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά, οι ίνες χρησιμεύουν ως οπλισμός δίνοντας αντοχή και ακαμψία στο σύνθετο, ενώ η πλαστική μήτρα χρησιμεύει ως κόλλα για να κρατήσει τις ίνες στη θέση τους. Oι φυσικές ίνες είναι χαμηλού κόστους, με χαμηλή πυκνότητα και υψηλές ειδικές ιδιότητες. Οι ιδιότητες ενός σύνθετου διέπονται από τις εγγενείς ιδιότητες των ινών αυτών. Οι φυσικές ίνες προέρχονται από προϊόντα, τα οποία παράγει η φύση και ταξινομούνται σύμφωνα με την προέλευσή τους. Παραδείγματος χάριν, οι φυτικές ίνες κατηγοριοποιούνται με βάση το μέρος του φυτού από το οποίο προέρχονται όπως ίνες καρπών, σπόρων ή φύλλων. Η επιλογή των κατάλληλων ινών καθορίζεται από τις τιμές δυσκαμψίας και αντοχής που απαιτεί το σύνθετο. Περαιτέρω κριτήρια για την επιλογή των κατάλληλων ινών είναι, η επιμήκυνση έως την θραύση, η θερμική σταθερότητα, ο δεσμός της διεπειφάνειας μεταξύ των ινών και της μήτρας, η τιμή και το κόστος επεξεργασίας. Ταξινόμηση Φυσικών Ινών Οι φυσικές ίνες ταξινομούνται σύμφωνα με την προέλευσή τους και διαχωρίζονται σε φυτικές (ίνες κυτταρίνης), ζωικές ή ορυκτές και ίνες από κατάλοιπα. Εν συνεχεία, διακρίνονται σε άλλες μικρότερες κατηγορίες. Οι φυτικές ίνες αποτελούνται κυρίως από πολυσακχαρίτες, ενώ οι ζωικές από πρωτεΐνες. Το ξύλο, που είναι ένα ινώδες σύνθετο από μόνο του, χρησιμοποιείται συνήθως υπό τη μορφή ξυλοπολτού [2]. Μια βασική ταξινόμηση των φυσικών ινών που χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση στα σύνθετα υλικά παρουσιάζεται στον Σχήμα

8 Σχήμα 1.1: Ταξινόμηση Φυσικών Ινών [3] 1.1 Φυτικές Ίνες Οι φυτικές ίνες, προσφέρουν μια εναλλακτική λύση στις κοινές χρησιμοποιούμενες συνθετικές ίνες, όπως άνθρακα, γυαλιού ή αραμιδίου, λόγω της χαμηλής πυκνότητας, τις καλές μηχανικές ιδιότητες και την άφθονη διαθεσιμότητά τους. Τα Ινώδη φυτά παράγουν συχνά μακριές ίνες. Οι ίνες που εξάγονται από τα φυτά ταξινομούνται σε τέσσερις κατηγορίες, σε ίνες που εξάγονται από το βλαστό του φυτού, τα φύλλα, τους σπόρους και σε ίνες ξύλου. Από αυτές οι πιο σημαντικές και συχνά χρησιμοποιούμενες ως ενίσχυση στα σύνθετα πολυμερών είναι οι ίνες από το βλαστό του φυτού. Η κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή, την καλλιέργεια, τη συγκομιδή και το διαχωρισμό των ινών, είναι πολύ μικρότερη από την ενέργεια που απαιτείται για την κατασκευή συνθετικών ινών. Ωστόσο, υπάρχουν και ορισμένα μειονεκτήματα στη χρήση των φυτικών ινών ως ενίσχυση για πολυμερή, όπως η υψηλή απορρόφηση υγρασίας, η χαμηλή αντοχή σε μικρόβια και η χαμηλή θερμική σταθερότητα [4]. Οι ευνοϊκές αναλογίες των διαστάσεών τους και οι υψηλές ειδικές ιδιότητες σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος, καθιστούν τις φυτικές ίνες μια οικολογικά φιλική εναλλακτική λύση, σε σχέση με τις συμβατικές ίνες. Ο οικολογικός χαρακτήρας, η βιοδιασπασιμότητα και το κόστος των φυτικών ινών είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες για την αποδοχή τους σε μεγάλες βιομηχανίες, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία. Για παράδειγμα, η Mercedes- Benz χρησιμοποιεί λινάρι, κάνναβη, ίνες αγαύης και ινδικής καρύδας με σκοπό τη μείωση του κόστους παραγωγής των αυτοκινήτων αλλά 8

9 και του βάρους τους. Καινοτόμα σύνθετα πολυμερών ενισχυμένα με φυτικές ίνες βρίσκουν όλο και περισσότερες εφαρμογές Χημική Δομή Η χημική σύνθεση καθώς και η δομή των φυτικών ινών είναι αρκετά περίπλοκη. Οι φυτικές ίνες είναι ένα σύνθετο υλικό σχεδιασμένο από τη φύση. Τα χημικά συστατικά και η χημική δομή των φυτικών ινών επηρεάζουν σημαντικά τις ιδιότητες των σύνθετων [5]. Οι περισσότερες φυτικές ίνες είναι υδρόφιλες με περιεκτικότητα υγρασίας 8-13% λόγω της παρουσίας κυτταρίνης στην κυτταρική δομή. Στα φυτικά κυτταρικά τοιχώματα τα κύρια συστατικά είναι η κυτταρίνη, η ημικυτταρίνη, η λιγνίνη καθώς και η πηκτίνη που θεωρείται ότι είναι το κύριο συνδετικό υλικό. Η αναλογία αυτών των συστατικών εξαρτάται από την ηλικία και το είδος των φυτών που προέρχονται, και τους τρόπους εξαγωγής τους [6]. Η κυτταρίνη είναι ένα φυσικό πολυμερές με μεγάλη αντοχή και σκληρότητα και θεωρείται ως το κύριο δομικό συστατικό που καθιστά αντοχή και σταθερότητα στις λιγνοκυτταρινούχες ίνες [5]. Η κυτταρίνη είναι το πιο σημαντικό δομικό συστατικό σχεδόν όλων των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών. Αποτελείται εξ ολοκλήρου από άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο. Η κυτταρίνη παρέχει αντοχή και σταθερότητα στα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών και στις ίνες. Η ποσότητα της κυτταρίνης στις ίνες επηρεάζει τις ιδιότητες των ινών, το κόστος της παραγωγής τους και τη χρησιμότητα τους στις διάφορες εφαρμογές [10]. Εκτός από την κυτταρίνη, σημαντικό συστατικό είναι η λιγνίνη. Η περιεκτικότητα λιγνίνης, επηρεάζει τη δομή των ινών, τις ιδιότητές τους, τη μορφολογία τους και παρέχει ακαμψία στις ίνες. Η λιγνίνη είναι υδρόφοβο πολυμερές, αποτελεί τη βασική συγκολλητική ουσία του ξύλου και προσδίδει μηχανική σταθερότητα στο φυτό. Η λιγνίνη παρέχει στον ιστό του φυτού και στις μεμονωμένες ίνες ακαμψία και σκληραίνει το κυτταρικό τοίχωμα των ινών για την προστασία των υδατανθράκων από χημικές και φυσικές φθορές. Η περιεκτικότητα της λιγνίνης επηρεάζει τη δομή, τις ιδιότητες, τη μορφολογία των ινών και την ταχύτητα της υδρόλυσης. Οι ίνες με υψηλότερη περιεκτικότητα σε λιγνίνη εμφανίζονται λεπτότερες και πιο ευέλικτες. Γενικώς, οι ίνες με μικρότερη ποσότητα κυτταρίνης έχουν υψηλότερη περιεκτικότητα σε λιγνίνη, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. [7]. Η ημικυτταρίνη ενεργεί συνήθως ως πληρωτικό μεταξύ της κυτταρίνης και της λιγνίνης και αποτελείται από σάκχαρα όπως γλυκόζη, ξυλόζη, γαλακτόζη, αραβινόζη, μαννόζη. Η Ημικυτταρίνη 9

10 είναι χαμηλότερου μοριακού βάρους πολυσακχαρίτης. Υδρολύεται εύκολα με αραιά οξέα ή βάσεις, αλλά και από μία σειρά ενζύμων που βρίσκονται στη φύση. Μηχανικά, η ημικυτταρίνη συμβάλλει σε μικρότερο βαθμό στην ακαμψία και την αντοχή των ινών ή των μεμονωμένων κυττάρων [6]. Πηκτίνες ονομάζονται οι πολυσακχαρίτες του πρωτογενούς κυτταρικού τοιχώματος και θεωρείται ότι είναι το κύριο συνδετικό υλικό. Η ημικυτταρίνη και η πηκτίνη είναι υλικά που επηρεάζουν τόσο τις δέσμες ινών στην ολοκλήρωση και την αντοχή όσο και τις επιμέρους ίνες στην αντοχή, την απορροφητικότητα και την ελαστικότητα τους [5]. Η δομή των ινών και η χημική τους σύνθεση, επηρεάζονται από τις κλιματικές συνθήκες, την ηλικία του φυτού και την διαδικασία αποικοδόμησης των ινών. Η λιγνίνη και η ημικυτταρίνη, αυξάνονται με την ηλικία της ίνας ενώ η πηκτίνη μειώνεται. Όσο η περιεκτικότητα σε λιγνίνη αυξάνεται, η ίνα γίνεται πιο σκληρή και ανθεκτική. Ο Πίνακας 1.1 παρουσιάζει το εύρος του μέσου όρου των χημικών συστατικών για μια ευρεία ποικιλία φυτών. Πίνακας 1.1: Χημικά συστατικά Φυτικών ινών [12] Ταξινόμηση Φυτικών ινών Οι ίνες που εξάγονται από τα φυτά ταξινομούνται σε πέντε βασικές κατηγορίες, σε ίνες που εξάγονται από το βλαστό του φυτού, τα φύλλα, τους καρπούς και του σπόρους, το γρασίδι και το ξύλο. Στο Σχήμα 1.2 παρουσιάζεται η ταξινόμηση των φυτικών ινών. 10

11 Σχήμα 1.2: Ταξινόμηση Φυτικών ινών[4] Ίνες από το Εσωτερικό Φλοιό του φυτού (Bast Fibers) Οι ίνες που εξάγονται από τον φλοιό του φυτού είναι αυτές που λαμβάνονται από τις εξωτερικές στρώσεις των κυττάρων του ξυλώδους στελέχους των φυτών και περικυκλώνουν ένα κεντρικό πυρήνα. Οι συγκεκριμένες ίνες καλλιεργούνται σε όλο τον κόσμο και βρίσκουν χρήση χιλιάδες χρόνια πριν, στην Αίγυπτο και την Κίνα, στο τομέα της κλωστοϋφαντουργίας. Θεωρούνται όλο και περισσότερο κατάλληλα ως ενίσχυση για σύνθετα υλικά. Τα φυτά αυτά χαρακτηρίζονται από μακριές και ισχυρές δέσμες ινών που βρίσκονται στο εξωτερικό τμήμα του στελέχους [4]. Οι παραπάνω ίνες αποτελούνται κυρίως από κυτταρίνη. Τέτοιου είδους φυτά είναι το λινάρι, η κάνναβη, το κενάφ, το ραμί και η Γιούτα. Τα φυτά που προσελκύουν σήμερα το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι το λινάρι και η κάνναβη (στα εύκρατα κλίματα) και η Γιούτα και κενάφ (σε τροπικά κλίματα).είναι μακριές είτε μεμονωμένες ή ως δέσμες ινών σε σχετικά χαμηλό κόστος [6]. Κατά τη συγκομιδή και τη παραγωγή τους, απαιτείται μεγάλη προσοχή, αφού θεωρούνται οι πιο ιδανικές για τη χρήση τους στα σύνθετα. Αν η συγκομιδή γίνεται στο βέλτιστο χρόνο, η αποφλοίωση και ο διαχωρισμός ινών είναι ευκολότερος. Ο βέλτιστος χρόνος είναι κατά την έναρξη της ωρίμανσης του σπόρου. Οι ίνες που έχουνε ως στόχο την παραγωγή σπόρων είναι πιο άκαμπτες, χονδρότερες και εύθραυστες σε αντίθεση με αυτές που έχουνε ως στόχο της παραγωγή ινών [10]. Πλεονεκτήματα Χαμηλό κόστος Υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό Ανακυκλώσιμες 11

12 Υψηλή ειδική αντοχή λόγω σχετικά χαμηλού ειδικού βάρους Υψηλά ποσοστά παραγωγής ινών και δυνατότητα για μεγαλύτερη παραγωγή μέσω γενετικής αναπαραγωγής Καλύτερες μηχανικές ιδιότητες μέσω της τροποποίησης των ινών Περιορισμοί Υψηλή απορρόφηση υγρασίας στο πυρήνα Δυσκολία στο χειρισμό για μεγάλα μήκη ινών που προορίζονται για μεταποίηση Μεγάλη έμφαση έχει δοθεί στη συγκομιδή, στην παραγωγή, και στην εξαγωγή τους, δεδομένου ότι αυτοί οι παράγοντες σχετίζονται με την απόδοση των ινών. Ένας τυπικός κύκλος παραγωγής είναι: ο έλεγχος ζιζανίων/εντόμων, η ανάπτυξη των φυτών, η αποξήρανση, η σπορά, ο θερισμός, η ξήρανση, το αλώνισμα, η εξαγωγή, η δεματοποίηση και αποθήκευση, το σπάσιμο, η µμεταφορά και η περαιτέρω επεξεργασία. Συγκομιδή Η χρονική στιγμή της συγκομιδής των φυτών, εξαρτάται αν τα φυτά καλλιεργούνται για παραγωγή ινών υψηλής ποιότητας, για τους σπόρους, ή και τα δύο. Η τεχνική ωριμότητα της κάνναβης επιτυγχάνεται περίπου τη στιγμή που το φυτό έχει ολοκληρώσει την παραγωγή γύρης. Ωστόσο, ο βέλτιστος χρόνος για τη συγκομιδή, είναι κατά την έναρξη της ωρίμανσης των σπόρων, περίπου τρεις έως τέσσερις εβδομάδες μετά την άνθηση. Η μηχανική αντοχή των ινών, που εξάγονται από το φλοιό του φυτού, αυξάνεται με την αύξηση της ωρίμανσης της ίνας. Ωστόσο, ενώ αυξάνεται η ωρίμανση της ίνας, αυξάνεται και το ποσοστό λιγνίνης με αποτέλεσμα οι ίνες να γίνονται χονδροειδής και να προσκολλώνται περισσότερο μεταξύ τους και στο ξυλώδη πυρήνα. Συνεπώς, η αποφλοίωση και ο διαχωρισμός των ινών γίνονται δυσκολότερα εάν οι τα φυτά αυξάνονται πέρα από τη βέλτιστη ωρίμανση. O στόχος των αγροτών είναι να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση του στελέχους με καλύτερη ποιότητα ινών. Στην περίπτωση που τα φυτά καλλιεργούνται και για τους σπόρους και για τις ίνες τους, η πραγματική διαδικασία συγκομιδής ξεκινά περίπου έξι εβδομάδες μετά την άνθηση, την εποχή που όλοι οι σπόροι έχουνε ωριμάσει σωστά. Οι ίνες που προέρχονται από τα φυτά που καλλιεργούνται αποκλειστικά για την παραγωγή σπόρων είναι πιο σκληρές, τραχιές και εύθραυστες. Παραδοσιακά, όλες οι καλλιέργειες κάνναβης και λιναριού συγκομίζονται με το τράβηγμα των φυτών από τις ρίζες τους για να διατηρήσουν το πλήρες μήκος των ινών. 12

13 Εξαγωγή / Διαχωρισμός Ινών Μετά το κούρεμα ή το τράβηγμα του στέλεχος, οι ίνες εξάγονται και διαχωρίζονται από τον ξυλώδη ιστό. Ο διαχωρισμός και η εξαγωγή των ινών από το ξυλώδες στέλεχος του φυτού ονομάζεται retting και ταξινομείται σε τέσσερις βασικούς τύπους: βιολογικός, μηχανικός, φυσικός και χημικός διαχωρισμός. Η διαδικασία του διαχωρισμού των ινών έχει σημαντική επίδραση στην ποσότητα και την ποιότητα της τελικής ίνας. Επίσης, μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την ποιότητα, τη μορφολογία και τις τελικές μηχανικές ιδιότητες των ινών. Παρά το γεγονός ότι το κόστος εξακολουθεί να είναι μεγάλο για ορισμένες εφαρμογές, μέθοδοι όπως βελτιστοποιημένες βιολογικές, φυσικές και χημικές διαδικασίες διαχωρισμού έχουν οδηγήσει σε καλύτερο και ευκολότερο διαχωρισμό των ινών [10]. Εφαρμογές Οι ίνες που προέρχονται από τον φλοιό του φυτού δεν χρησιμοποιούνται μόνο στην κλωστοϋφαντουργία, αλλά και σε πιο σύγχρονες σύνθετες εφαρμογές φιλικές προς το περιβάλλον. Τέτοιου είδους εφαρμογές είναι τα οικοδομικά υλικά, οι μοριοσανίδες, οι μονωτικές πλάκες, τα τρόφιμα, τα καλλυντικά, τα φάρμακα και ως ενίσχυση σε σύνθετα άλλων βιοπολυμερή κλπ. Ίνες Λιναριού Flax Fibres Φυτό Το φυτό λινάρι φύεται στις εύκρατες περιοχές όπως η Ολλανδία, η Γαλλία, η Ισπανία, η Ρωσία, το Βέλγιο, την Κίνα, την Ινδία, την Αργεντινή, τον Καναδά και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Το φυτό, καλλιεργείται κυρίως για την παραγωγή των ινών του. Το λινάρι είναι περισσότερο διαδεδομένο στο τομέα της κλωστοϋφαντουργίας και θεωρείται πρότυπο για την σύγχρονη κλωστοϋφαντουργία[10]. Οι ίνες βρίσκονται στην επιφάνεια του βλαστού του φυτού, που έχει ύψος 1 m και πάχος 2-3mm [17]. Ίνα Η ίνα λιναριού έχει κρυσταλλική δομή και είναι από τις ισχυρότερες φυσικές ίνες. Οι ίνες λιναριού έχουν μια μαλακή και αρκετά λαμπερή εμφάνιση. Το μήκος της ίνας κυμαίνεται από 6mm έως 65mm και διάμετρο 20μm [17]. Μηχανικές ιδιότητες Οι μηχανικές ιδιότητες των ινών του λιναριού υπολογίζονται ανάλογα με τη διάμετρο της ίνας και τη θέση των ινών στο μίσχο. Αυτή η αναλογία στις ιδιότητες αποδίδεται στη ποικιλία των διαστάσεων της ίνας διαμέσου του άξονα του. Οι υψηλότερες τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων των 13

14 ινών που εξάγονται από το κέντρο του μίσχου, συνδέονται με τη χημική σύνθεση των κυτταρικών τοιχωμάτων τους [11-12]. Θεωρούνται οι ισχυρότερες από τις φυσικές ίνες, και η αντοχή τους αυξάνεται περίπου 20% όταν είναι σε υγρή κατάσταση χωρίς να τεντώνουν πολύ. Το ποσοστό της επιμήκυνσης των ινών έως την θραύση είναι μόνο 1,8% και το ποσοστό ανάκτησης υγρασίας 12% [17]. Οι ιδιότητες των συνθέτων υλικών με ενίσχυση λιναριού είναι χαμηλότερες από εκείνες που αναμένονται από τα μεμονωμένα χαρακτηριστικά των ινών. Εφαρμογές Οι ίνες λιναριού περιστρέφονται ως νήματα για τη χρήση τους σε κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα. Η κατώτερης ποιότητας ίνες χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση σε θερμοπλαστικά σύνθετα και θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες στην αυτοκινητοβιομηχανία, ως εσωτερικά υποστρώματα, σε έπιπλα και άλλα εμπορικά προϊόντα. Ίνες Γιούτας Jute fibres Φυτό Οι ίνες Γιούτα, παράγονται από τα φυτά του γένους Corchorus που φύονται κυρίως στην Ινδία και στο Πακιστάν. Corchoruscapsularis, γνωστό και ως λευκή γιούτα, και Corchorusolitorius, γνωστό και ως μαύρη γιούτα, καλλιεργούνται στην Ινδία, το Μπαγκλαντές, την Ταϊλάνδη, την Κίνα και τη Βραζιλία. Τα φυτά αυτά ευδοκιμούν σε ζεστά και υγρά κλίματα. Η φύτευση, η επεξεργασία ινών, η ύφανση, έχουν σημαντική συμβολή στην οικονομία των χωρών αυτών. Τα φυτά έχουν ύψος 3m έως 5m, με διάμετρο στελέχους 2cm έως 3cm. Η Γιούτα καλλιεργείται αποκλειστικά για τις ίνες του. Οι ίνες γιούτα είναι μετά το βαμβάκι οι πιο σημαντικές οικονομικά φυσικές ίνες και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σάκων, σχοινιών, υφασμάτων συσκευασίας, κουρτινών και υφασμάτων επιπλώσεων. Οι άνθρωποι τη χρησιμοποιούσαν από την προϊστορική εποχή. Τα φυτό απορροφά εύκολα την υγρασία σε σχέση με άλλα φυτά που παράγουν ίνες. Ωστόσο, εάν διατηρείται σε ξηρό μέρος, μπορεί να θα διαρκέσει επ'αόριστον. Ίνα Οι ίνες γιούτα έχουν μήκος 2-5mm και διάμετρο 17-20μm. Είναι οι πιο ευέλικτες, φιλικές προς το περιβάλλον και ανθεκτικές από τις υπόλοιπες ίνες. Μετά το βαμβάκι χαρακτηρίζονται ως ίνες βέλτιστης ποιότητας. Οι ίνες Γιούτα παρουσιάζουν ανωμαλία στο πάχος των κυτταρικών τοιχωμάτων τους και γι' αυτό το λόγο διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό στην αντοχή τους. Οι ίνες είναι μακριές, ελαστικές και έχουν καφέ χρώμα. Ενώ παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή είναι εύθραυστες λόγω της υψηλή περιεκτικότητας σε λιγνίνη (έως 20%). Κατά την έκθεση στο φως του ήλιου 14

15 μειώνεται η αντοχή σε εφελκυσμό και παρουσιάζουν μικρή αντίσταση στην υγρασία και τα οξέα. Η αντοχή των ινών σε εφελκυσμό, είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με του λιναριού ή της κάνναβης [12]. Retting Τα φυτά συγκομίζονται με το χέρι, χρησιμοποιώντας ένα δρεπάνι και κόβονται κοντά στο έδαφος. Στη συνέχεια τα κομμένα στελέχη δένονται σε δεσμίδες, τα φύλλα απομακρύνονται, και οι δέσμες βυθίζονται σε νερό για το διαχωρισμό. Αυτή είναι η διαδικασία με την οποία οι δέσμες των κυττάρων στα εξωτερικά στρώματα του στελέχους διαχωρίζονται από τον ξυλώδη πυρήνα. Η δράση περιλαμβάνει το νερό, τους μικροοργανισμούς και τα ένζυμα, και απαιτείται 5 έως 30 ημέρες για να ολοκληρωθεί, ανάλογα με τη θερμοκρασία του νερού. Ιδιαίτερα κρίσιμα είναι η συνεχής επίβλεψη που απαιτείται, και ο χρόνος της αφαίρεσης, για να μπορεί η ίνα εύκολα να αφαιρεθεί από τον ξυλώδη πυρήνα. Τα κύτταρα των ινών μπορούν να επιτεθούν και να αποδυναμωθούν από μικροοργανισμούς. Η απογύμνωση της ίνας από το στέλεχος γίνεται με το χέρι και στη συνέχεια οι ίνες πλένονται και ξηραίνονται. Μια δυσκολία κατά τη διαδικασία είναι ότι τα παχύτερα τμήματα του στελέχους χρειάζονται περισσότερο χρόνο από ό, τι τα λεπτότερα μέρη. Συνεπώς, εάν η άκρη στο τελείωμα του στελέχους είναι πλήρως μουσκεμένη τα άνω άκρα καταστρέφονται. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί στοιβάζοντας τις δεσμίδες των βλαστών σε όρθια θέση με την άκρη να καταλήγει σε νερό για μερικές ημέρες πριν τοποθετηθεί ολόκληρο το στέλεχος. Εφαρμογές Η μεταξένια υφή της γιούτας, η βιοδιασπασιμότητα της και η αντοχή στη θερμότητα καθιστούν τις ίνες της, κατάλληλες για τη χρήση τους στις βιομηχανίες. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται για κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, προϊόντα χαρτιού, ή για τη παραγωγή σύνθετων. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε προϊόντα όπως συσκευασίες, ελαφριά σύνθετα υλικά, και μόνωση [4]. Ίνες Κάνναβης Hemp Fibres Φυτό H Κάνναβη είναι ένα ακόμα διάσημο φυτό που παράγει ίνες της κατηγορίας των ινών φλοιού. Τα φύλλα της κάνναβης παράγουν εκκρίσεις ρητίνης που περιέχει το ναρκωτικό 9- Δ (tetrahydrocannabinol), μία ουσία για την οποία είναι γνωστή η μαριχουάνα. Η Κάνναβη (hemp) δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ναρκωτικό δεδομένου ότι παράγει THC λιγότερο από 1. Η κάνναβη προέρχεται από την κεντρική Ασία και έχει καλλιεργηθεί για περισσότερα από 12 χιλιάδες 15

16 χρόνια. Η φύτευση και η παραγωγή των καλλιεργειών κάνναβης έχει πολλά πλεονεκτήματα για τους αγρότες καθώς χρειάζεται ελάχιστα ή καθόλου εντομοκτόνα και λίπασμα. Επίσης, έχουν εντυπωσιακούς ρυθμούς ανάπτυξης, έτσι ώστε να καλύψουν γρήγορα το έδαφος. Μεγάλο πλεονέκτημα, είναι πως αποθηκεύουν θρεπτικές ουσίες στο χώμα όπου είναι διαθέσιμες για την επόμενη σοδειά. Οι διαφορετικές ποικιλίες κάνναβης έχουν ύψος μεταξύ 1,2 με 5m. Υπάρχουν monoecious που έχουνε το ίδιο φύλλο και dioecious όπου υπάρχουν αρσενικά και θηλυκά. Οι dioecious ποικιλίες κάνναβης αποφέρουν καλύτερες υφαντικές ίνες. Τα αρσενικά φυτά ωριμάζουν νωρίτερα συνεπώς πρέπει να συγκομίζονται νωρίτερα και αποδίδουν ιδιαίτερα λεπτές ίνες. Τα θηλυκά φυτά είναι διακλαδισμένα και φέρουν πυκνότερο φύλλωμα. Τα monoecious έχουν τον ίδιο ρυθμό ανάπτυξης και προτιμούνται από τη βιομηχανία χαρτιού. Ίνα Οι ίνες κάνναβης έχουν μήκος 8.3 mm έως 14 mm και διάμετρο 17 έως 23μm. Οι δέσμες ινών κάνναβης έχουνε μέσο όρο μήκος 25mm που κυμαίνεται από 5 mm έως 55 mm και διάμετρο 25μm που κυμαίνεται από 5μm έως 55μm [13]. Οι ίνες κάνναβης έχουνε 70% περιεκτικότητα κυτταρίνης και μόνο 8-10% περιεκτικότητα λιγνίνης. Είναι χονδροειδές, σε σύγκριση με το λινάρι και δύσκολο να αποχρωματιστούν. Η κλωστοϋφαντουργία διατηρεί τη χρήση ινών κάνναβης, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Τα Κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα κάνναβης είναι ανθεκτικά στο νερό και τη μηχανική καταπόνηση και δεν επηρεάζονται κατά τη διάρκεια της πλύσης [4]. Μηχανικές ιδιότητες Παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στην υγρασία, σαπίζουν μόνο πολύ αργά στο νερό και έχουνε φυσικές αντιβακτηριδιακές ιδιότητες. Οι ίνες κάνναβης έχουν υψηλή αντοχή (περίπου 20% υψηλότερη του λινού), αλλά χαμηλή επιμήκυνση κατά τη θραύση [4]. Retting Η παραδοσιακή διαδικασία εξαγωγής των ινών κάνναβης ονομάζεται field retting, η οποία είναι μια φυσική διαδικασία που έχει ως αποτέλεσμα την εξαγωγή ινών που ποικίλουν στην ποιότητα εξαιτίας των διάφορων καιρικών συνθηκών. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αντικατασταθεί με την πιο ελεγχόμενη διαδικασία (water retting) στην οποία οι μίσχοι των φυτών τοποθετούνται σε δεξαμενές ζεστό νερό (30-40 C) για 4 ημέρες. 16

17 Εφαρμογές Οι ίνες κάνναβης έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή σχοινιών, υφασμάτων και χαρτιού. Χρησιμοποιούνται πολύ στον τομέα της κλωστοϋφαντουργίας στην ένδυση, την επίπλωση σπιτιών και σε καλυμμάτων δαπέδου. Αναμειγνύοντας την κάνναβη με βαμβάκι, λινάρι, μετάξι και μαλλί δίνεται μια πιο μαλακή αίσθηση, ενώ προσθέτει αντοχή και ανθεκτικότητα στο προϊόν. Στην Ευρώπη, οι ίνες κάνναβης χρησιμοποιούνται κυρίως στη βιομηχανία χαρτιού, λόγω του χαμηλού περιεχόμενου λιγνίνης, επειδή πολτοποιούνται με λιγότερες χημικές ουσίες σε σχέση με το ξύλο. Επίσης, χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση σε μορφοποιημένα θερμοπλαστικά στην αυτοκινητοβιομηχανία. Ίνες Ραμί Ramie Fibres Φυτό Το φυτό ραμί θεωρείται ένα από τα παλαιότερα καλλιεργούμενα φυτά για τη παραγωγή ινών της Ανατολικής Ασίας και καλλιεργείται κυρίως στην Ινδονησία, την Κίνα, την Ιαπωνία και την Ινδία. Θεωρείται ένα ανθεκτικό φυτό και μπορεί να συγκομισθεί έως έξι φορές ετησίως. Το φυτό αναπτύσσεται σε ύψος m. Ίνα Οι ίνες ραμί είναι πολύ λεπτές,μεταξένιες, έχουν φυσικό λευκό χρώμα, και υψηλή λάμψη. Οι ίνες που παράγονται είναι μεγάλες, με μήκος 1,5 m ή περισσότερο. Οι ίνες που λαμβάνονται από το εξωτερικό τμήμα του στελέχους είναι οι μακρύτερες και ισχυρότερες ίνες που χρησιμοποιούνται στη κλωστοϋφαντουργία. Η διάμετρος μιας στοιχειώδους ίνας κυμαίνεται από μm. Είναι επίπεδη με ακανόνιστο σχήμα, παχύ τοίχωμα κυττάρου και με κωνικά προς στρογγυλευμένα άκρα [4]. Μηχανικές ιδιότητες Οι ίνες από το φυτό Ραμί παρουσιάζουν καλή αντοχή σε βακτήρια, μύκητες και έντομα. Οι ίνες έχουν εξαιρετική αντοχή που αυξάνεται ελαφρά όταν είναι βρεγμένες αλλά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας. Οι ίνες παρουσιάζουν χαμηλή απορρόφηση υγρασίας και αυτό οφείλεται στο ξυλώδες κυτταρικό τοίχωμα [12]. Εφαρμογές Λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση για πολυμερή σύνθετων υλικών. Οι εξαιρετικής αντοχής ίνες ραμί, επειδή είναι ανθεκτικές στο νερό και στην προσβολή από 17

18 μικροοργανισμούς, χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ιδιαίτερα ανθεκτικών υφασμάτων όπως αλεξίπτωτα, καραβόπανα, τέντες αυτοκινήτων, δίχτυα ψαρέματος και ιμάντες. Επίσης χρησιμοποιούνται για την παραγωγή υψηλής ποιότητος κουρτινών, τεντών και τραπεζομάντιλων. Ίνες Κενάφ Kenaf fibres Φυτό Το κενάφ, είναι φυτό της οικογένειας Malvaceae. Καλλιεργείται για τις ίνες του στην Ινδία, το Μπαγκλαντές, τις Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής, την Ινδονησία, τη Μαλαισία, τη Νότια Αφρική, το Βιετνάμ, την Ταϊλάνδη, σε μέρη της Αφρικής και σε μικρότερο βαθμό στη Νοτιοανατολική Ευρώπη. Το Hibiscus cannabinus είναι ένα ετήσιο ή διετές ποώδες φυτό που φτάνει το 1.5 με 3.5 m ύψος κι έχει ξυλώδη βάση. Οι μίσχοι του έχουν 1-2 cm διάμετρο και τα φύλλα του cm μήκος. Το φυτό αποτελείται από κοτσάνια, φύλλα και σπόρους καθένα από τα οποία χρησιμοποιείται. Η απόδοση και η σύνθεση αυτών των συστατικών, επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως την ημερομηνία φύτευσης, τη φωτοευαισθησία, την περίοδο ανάπτυξης των φυτών και την ωριμότητα τους. Το φυτό αναπτύσσεται γρήγορα, μέσα σε τρείς μήνες και ωριμάζει σε 100 έως 200 ημέρες. Οι μίσχοι του παράγουν δύο τύπους ινών, τις παχύτερες ίνες στο εξωτερικό στρώμα και τις λεπτότερες ίνες στον πυρήνα [17]. Το στέλεχος είναι ευθύ, μη διακλαδισμένο και αποτελείται από ένα εξωτερικό στρώμα (φλοιό) και έναν πυρήνα.το στέλεχος είναι εύκολο να διαχωριστεί σε φλοιό και πυρήνα, είτε με χημική είτε με ενζυματική διαβροχή. Ο φλοιός αποτελεί το 30-40% του ξηρού βάρους του στελέχους και παρουσιάζει μια πιο πυκνή δομή. Από την άλλη πλευρά, ο πυρήνας μοιάζει με ξύλο και αποτελεί το υπόλοιπο 60-70% του στελέχους. Ο πυρήνας έχει σχεδόν άμορφο σχήμα. Το κενάφ θεωρείται σημαντική πηγή ινών για σύνθετα και βιομηχανικές εφαρμογές. Είναι γνωστό ως πηγή κυτταρίνης, με οικονομικά και οικολογικά οφέλη. Σε 3 μήνες (μετά τη σπορά), αναπτύσσεται κάτω από ένα ευρύ φάσμα καιρικών συνθηκών, σε ύψος περισσότερο από 3m και διάμετρο βάσης 3-5cm. Η ταχύτητα ανάπτυξης υπολογίστηκε πως μπορεί να φτάσει τα 10cm/ημέρα υπό τις καλύτερες δυνατές συνθήκες περιβάλλοντος [14]. Ίνα Οι ίνες περιέχονται στο φλοιό του φυτού που αποτελεί το 40%. Οι ίνες αυτές είναι μεγάλες 2-6mm και λεπτές. Το κυτταρικό τοίχωμα είναι παχύ και ο πολτός χαρτιού παράγεται από ολόκληρο το στέλεχος. Η ποιότητα πολτού είναι παρόμοια με το σκληρό ξύλο. 18

19 Οι ίνες έχουνε τιμολογηθεί σε $ 400 ανά τόνο το 1995 και από 278 έως $ 302 δολάρια ανά τόνο το Από την άποψη της κατανάλωσης ενέργειας, παίρνει 15 MJ ενέργειας για να παραχθεί 1 κιλό ινών κενάφ ενώ χρειάζεται 54 MJ για να παραχθεί 1 κιλό από ίνες γυαλιού [14]. Μηχανικές ιδιότητες Οι μηχανικές ιδιότητες των ινών είναι παρόμοιες με εκείνες από Γιούτα. Τα τελευταία χρόνια, πολυάριθμες μελέτες έχουν διεξαχθεί σχετικά με τις ίνες κενάφ ως ενίσχυση στα σύνθετα, με σκοπό να χαρακτηριστεί πλήρως η μηχανική συμπεριφορά του. Η αντοχή σε εφελκυσμό και το μέτρο ελαστικότητας στα σύνθετα ενισχυμένα με ίνες κενάφ υλικά, ποικίλουν ανάλογα με το είδος των ινών, τον προσανατολισμός τους (τυχαίας ή μονής κατεύθυνσης), την περιεκτικότητα και τη μορφή (ίνα ή ύφασμα), και το είδος της μήτρας που χρησιμοποιείται [14]. Εφαρμογές Οι χρήσεις των ινών κενάφ περιλαμβάνουν την παραγωγή ξύλου, μονωτικών, υφασμάτων, υλικών συσκευασίας, απορροφητικών υλικών, υλικών για ανάμειξη με ρητίνες για πλαστικά σύνθετα υλικά, υλικών για έλεγχο της διάβρωσης του εδάφους κ.α. Από το κενάφ μπορούν να γίνουν χαλιά, ψάθες, τεχνητό γκαζόν και δοχεία. Το Κενάφ μπορεί να χρησιμοποιηθεί και στην κατασκευή αυτοκινήτων[14]. Ίνες από τα Φύλλα του φυτού (Leaf Fibres) Οι ίνες φύλλων είναι μια ομάδα μακριών, μονοκυττάρων, λιγνοκυτταρινούχων ινών που εξάγονται από τα φύλλα των φυτών. Τα φύλλα που προορίζονται για την εξαγωγή ινών είναι μακριά με γραμμικές δομές, από όπου μπορούν να διεξαχθούν οι ίνες μηχανικά και με σχετική ευκολία. Οι περισσότερες ίνες φύλλων διεξάγονται με μηχανική αποφλοίωση. Για να επισπευστεί η διαδικασία και να γίνει ο διαχωρισμός ευκολότερος κατά τη διάρκεια της αποφλοίωσης, συχνά οι ίνες μουλιάζουν σε νερό 1-5 ημέρες. Κατά τη διάρκεια της αποφλοίωσης, τα φύλλα συνθλίβονται με τη χρήση ενός περιστρεφόμενου τροχού με λεπίδες, ο οποίος διασπά τις ίνες από τα υπόλοιπα συστατικά των φύλλων. Στη συνέχεια, οι ίνες πλένονται και ξηραίνονται με κατάλληλες μεθόδους ξήρανσης, διότι είναι σημαντικό για την τελική μηχανική απόδοση των ινών. Μετά την ξήρανση, οι ίνες λαναρίζονται (χτενίζονται) σύμφωνα με την διάμετρο και το μήκος τους. Μερικά από τα φυτά που οι ίνες των φύλλων τους χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση είναι: σιζάλ, άβακα, ανανάς, μπανάνα, κ.λ.π. 19

20 Ίνες Σιζάλ Sisal Fibres Φυτό Το φυτό σιζάλ είναι εγγενές στο Μεξικό και την Κεντρική Αμερική, αλλά πλέον καλλιεργείται ευρέως και στις τροπικές χώρες όπως την Αφρική, τις Δυτικές Ινδίες και την Άπω Ανατολή. Το φυτό μεγαλώνει σε ύψος 2m. Ένα ικανοποιητικό φυτό σιζάλ παράγει περίπου 200 φύλλα όπου κάθε φύλλο αποτελείται από 4% ίνες, 87.25% υγρασία και ξερή ύλη. Συνεπώς, ένα κανονικό φύλλο που ζυγίζει περίπου 600gr αποδίδει περίπου 3% κατά βάρος ίνες με κάθε φύλλο να περιέχει περίπου ίνες [15]. Ίνα Οι ίνες που εξάγονται είναι από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες φυτικές ίνες. Σχεδόν 4,5 εκατομμύρια τόνοι ινών από σιζάλ παράγονται κάθε χρόνο σε όλο τον κόσμο. Η Τανζανία και η Βραζιλία είναι οι κυριότερες χώρες παραγωγής. Το μήκος της ίνας κυμαίνεται μεταξύ cm με διάμετρο από μm. Οι ίνες είναι ομαλές, ίσιες και κίτρινες. Οι ίνες εξάγονται από τα φύλλα με τη χρήση αυτόματος μηχανήματος (decorticator) όπου αφαιρούνται από τον ιστό των φύλλων, στη συνέχεια πλένονται και ξηραίνονται από τον ήλιο [4]. Σε σύγκριση με τις συνθετικές ίνες το κόστος του σιζάλ (0,36 US $ / kg) είναι πολύ χαμηλό. Πρόκειται για το ένα ένατο από κόστος της ίνας υάλου (3,25 US $ / kg) και το ένα πεντακοσιοστό από ίνες άνθρακα (500 US $ / kg). Μεταξύ των φυσικών ινών οι ίνες σιζάλ και γιούτας είναι αυτές με το πιο χαμηλό κόστος [16]. Μηχανικές ιδιότητες Οι ιδιότητες εφελκυσμού των ινών εξαρτώνται από το μέρος εξαγωγής τους κατά μήκος του φύλλου. Οι ίνες που εξάγονται από τη ρίζα ή το κατώτερο μέρος του φύλλου έχουν μικρότερη αντοχή σε εφελκυσμό, αλλά υψηλότερο σημείο θραύσης. Στη μέση περίπου του φύλλου, οι ίνες γίνονται ισχυρότερες και πιο σκληρές, ενώ στην άκρη, έχουν μέτριες ιδιότητες. Η αντοχή σε εφελκυσμό, το μέτρο ελαστικότητας και η σκληρότητα των ινών μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Γενικά είναι ισχυρές ανθεκτικές, ελαστικές και δεν απορροφούν εύκολα την υγρασία [15-16]. 20

21 Ίνες Ανανά Pineapple Fibres Φυτό Ο ανανάς (Ananas comosus) είναι ένα τροπικό φυτό ιθαγενές στη Βραζιλία. Ο ανανάς έχει μικρό μίσχο, αλλά τα φύλλα είναι σχεδόν ένα μέτρο σε μήκος. Οι ίνες ανανά συνδυάζονται κυρίως με μετάξι ή πολυεστέρα για τη δημιουργία υφασμάτων, χαλιών, και κουρτινών. Ίνα Οι ίνες είναι πλούσιες σε κυτταρίνη, άφθονα διαθέσιμες και σχετικά χαμηλού κόστους. Επιπλέον, έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιούνται ως ενίσχυση πολυμερών. Επί του παρόντος, οι συγκεκριμένες ίνες θεωρούνται απόβλητο προϊόν της καλλιέργειας και επομένως λαμβάνονται για βιομηχανικούς σκοπούς [12]. Μηχανικές ιδιότητες Οι μηχανικές ιδιότητες των ινών είναι συγκρίσιμες με τις ίνες από Γιούτα. Οι ίνες είναι υγροσκοπικές έτσι η αντοχή μιας δέσμης ινών μπορεί να μειωθεί κατά 50%, όταν οι ίνες είναι υγρές, ενώ η αντοχή της ίνας θα αυξηθεί περίπου 13% [18]. Ίνες Άβακα Abaca fibres Φυτό Το φυτό abaca (κοινώς γνωστό ως κάνναβη της Μανίλας), συγγενής της μπανάνας, είναι ιθαγενές στις Φιλιππίνες, αλλά επίσης εισάγεται στην Ινδονησία και την Κεντρική και τη Νότια Αμερική. Ο μεγαλύτερος προμηθευτής στον κόσμο των ινών άβακα και προϊόντων είναι οι Φιλιππίνες. Το φυτό αναπτύσσεται σε 3 έως 4mύψος. Ίνα Οι ίνες abaca είναι στιλπνές και έχουν κιτρινωπόλευκο χρώμα. Χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή σχοινιών και αγαθών χειροτεχνίας, όπως τσάντες, σουπλά, παντόφλες και πατάκια. Μηχανικές ιδιότητες Οι ίνες του φυτού αυτού θεωρούνται οι πιο ισχυρές ίνες. Η αντοχή εφελκυσμού είναι τρεις φορές υψηλότερη από το βαμβάκι και διπλάσια από το σιζάλ. Επιπλέον, είναι περισσότερο ανθεκτικές στην αποσύνθεση σε θαλασσινό νερό σε σχέση με τις υπόλοιπες ίνες [17]. 21

22 Ίνες Μπανάνας - Banana fibres Φυτό Η μπανάνα είναι ένα από τα παλαιότερα καλλιεργούμενα φυτά στον κόσμο. Περίπου 70 εκατομμύρια τόνοι μπανάνες παράγονται κάθε χρόνο από τις τροπικές και υποτροπικές περιοχές του κόσμου. Είναι το μεγαλύτερο ανθοφόρο ποώδες φυτό και συχνά συγχέεται με τα δέντρα. Τα φύλλα της είναι τοποθετημένα σπειροειδώς και αυξάνονται έως και 2,7m μήκος. Ένα δέντρο μπανάνας παράγει περίπου 30 μεγάλα φύλλα με διαστάσεις 2m σε μήκος και 30-60cm πλάτος. Συχνά χρησιμοποιείται ως συσκευασίες μιας χρήσης τροφίμων φιλικές προς το περιβάλλον, ή ως πιάτα στη Νοτιοανατολική Ασία [10]. Ίνα Οι ίνες μπανάνας έχουν χρησιμοποιηθεί σε κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα που χρονολογούνται από τον 13ο αιώνα. Η περιεκτικότητα σε κυτταρίνη των ινών μπανάνας και του σιζάλ είναι σχεδόν το ίδιο, αλλά η μικροϊνιδιακή γωνία της ίνας μπανάνας (11 ο ) είναι πολύ χαμηλότερο από του σιζάλ (20 ο ). Συνεπώς, οι μηχανικές ιδιότητες της ίνας είναι υψηλότερες από του σιζάλ [10]. Το μέτρο ελαστικότητας κυμαίνεται από 8-20 Gpa και η επιμήκυνση έως τη θραύση μεταξύ 1-3,5%. Η διάμετρος της ίνας μπανάνας κυμαίνεται μεταξύ 0,08-0,25 mm. Ίνες Καρπών και Σπόρων Οι Ίνες καρπών,όπως ίνες κοκοφοίνικα, φοινικέλαιο ινών, λαμβάνονται από το κέλυφος των φρούτων ή από τα τσαμπιά. Οι ίνες από σπόρους, όπως το βαμβάκι και το καπόκ, λαμβάνονται από το προστατευτικό κάψας γύρω από το σπόρο [10]. Βαμβάκι Φυτό Το βαμβάκι είναι τροπικής προέλευσης, αλλά καλλιεργείται με μεγαλύτερη επιτυχία σε εύκρατα κλίματα με καλά κατανεμημένες βροχοπτώσεις. Οι ίνες βαμβακιού έχουν χρησιμοποιηθεί περισσότερο για την παραγωγή κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων. Οι κυριότερες χώρες παραγωγής βαμβακιού είναι η Κίνα, οι χώρες της πρώην Σοβιετικής Ένωσης, οι ΗΠΑ, η Ινδία, το Πακιστάν και η Βραζιλία. Το βαμβάκι είναι μια άσπρη ινώδης κλωστική ύλη, που παράγεται από το θαμνώδες φυτό βαμβάκι. Φυτρώνει σε τροπικά και υποτροπικά κλίματα και το ύψος του μπορεί να φθάσει από 25cm έως 2m. Ο χρόνος βλάστησης του βαμβακιού ανέρχεται περίπου σε 6 μήνες και η συγκομιδή του γίνεται 22

23 με το χέρι ή με την βοήθεια μηχανών. Το βαμβάκι που συλλέγεται με μηχανές δεν είναι υψηλής καθαρότητας, επειδή περιέχει μέρη του καρπού καθώς και άλλες ακαθαρσίες. Ο καρπός του βαμβακιού ξεσπά όταν είναι ώριμος, αποκαλύπτοντας μια τούφα ινών με μήκος 25-60mm και διάμετρο που κυμαίνεται μεταξύ μm. Το χρώμα του βαμβακιού κυμαίνεται από κρεμ σε γκρι ανάλογα με τις συνθήκες υπό τις οποίες παράγεται. Ίνα Όταν ωριμάζει το βαμβάκι, εμφανίζει μία δέσμη ινών με μήκος 25-60mm και διάμετρο 12-45μm. Οι ίνες από βαμβάκι έχουμε μια ευδιάκριτη δομή αποτελούμενη από τρία τοιχώματα. Ένα εξωτερικό στρώμα κεριού και πηκτίνης που προστατεύει το πρωτεύον τοίχωμα, το οποίο αποτελείται από κυτταρίνη και κρυσταλλικά ινίδια. Το δευτερεύον κυτταρικό τοίχωμα αποτελείται κυρίως από κυτταρίνη. Οι βαμβακερές ίνες αποτελούνται από 80-90% κυτταρίνη, 4-6% ημικυτταρίνες και πηκτίνες [17]. Μηχανικές ιδιότητες Το βαμβάκι είναι υδρόφιλο και οι ίνες του διογκώνονται σημαντικά στο νερό. Το Βαμβάκι απελευθερώνει ένα σημαντικό ποσό θερμότητας κατά την απορρόφηση υγρασίας και στεγνώνει αργά. Η σκληρότητα και ο αρχικός συντελεστής των ινών βαμβακιού είναι χαμηλότερα σε σύγκριση με τις ίνες κάνναβης, ενώ η επιμήκυνση για θραύση (5-10%), η ευελιξία και το μέτρο ελαστικότητας είναι υψηλότερα. Η μικροβιακή αντοχή του βαμβακιού είναι χαμηλή, καίγεται εύκολα και γρήγορα, βράζεται και αποστειρώνεται, και δεν προκαλεί ερεθισμό του δέρματος ή άλλες αλλεργίες [17]. Εφαρμογές Αναρίθμητα προϊόντα είναι κατασκευασμένα από βαμβάκι, κυρίως κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων και νημάτων, σχοινιά, κορδόνια και ελαστικά αυτοκινήτων. Οι βαμβακερές ίνες αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων του κόσμου. Ίνες κοκοφοίνικα Coir fibres Φυτό Οι ίνες καρύδας ή κοκοφοίνικα θεωρούνται σημαντικό εμπορικό προϊόν. Λαμβάνονται από το φλοιό της καρύδας που παράγεται στη Ινδία, τη Τανζανία, την Κένυα, το Μπαγκλαντές, τη Βιρμανία, τη Ταϊλάνδη κλπ. Στην Ινδία, η βιομηχανία κοκοφοίνικα είναι μια παραδοσιακή βιομηχανία, η οποία έχει λάβει βαθιές ρίζες στην οικονομική διάρθρωση των αγροτικών περιοχών. Μέχρι το 1921 η Ινδία κατείχε την πρώτη θέση παραγωγής καρύδας, από τότε, η κατάσταση έχει αλλάξει. Η 23

24 Ινδονησία και οι Φιλιππίνες έχουν αυξήσει την παραγωγή τους και η Ινδία καταλαμβάνει πλέον την τρίτη θέση. Οι τρεις αυτές χώρες αντιπροσωπεύουν από κοινού σχεδόν το 65 τοις εκατό της παγκόσμιας παραγωγής εκ των οποίων το μερίδιο της Ινδίας είναι περίπου 25% [10]. Ο Κοκοφοίνικας είναι εξαιρετικά ανθεκτικός στους μύκητες και τη βακτηριακή αποσύνθεση. Το χρώμα και το σχέδιο αποτελούν σημαντικό ρόλο στο εμπόριο των προϊόντων κοκοφοίνικα. Ίνα Οι ίνες καρύδας ή κοκοφοίνικα ανήκουν στην ομάδα των σκληρών διαρθρωτικών ινών. Η ίνα έχει μήκος mm και διάμετρο mm. Η αναλογία μήκου/διαμέτρου είναι 35. Η ίνα από το φλοιό εκχυλίζεται σε εμπορική κλίμακα, είτε με φυσική διαδικασία - διαβροχή είτε με μηχανική ή χημική αποφλοίωση. Η διαδικασία περιλαμβάνει το μούσκεμα των φλοιών σε νερό, συνήθως αλατούχο νερό, για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα έως ότου η ίνα γίνεται χαλαρή και μαλακή. Οι μηχανικές μέθοδοι χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις που οι εγκαταστάσεις για το φυσικό μούσκεμα δεν υπάρχουν ενώ διάφορες χημικές μέθοδοι έχουν επίσης αναπτυχθεί για τη διαβροχή του φλοιού. Εφαρμογές Εκτός από την κύρια χρήση του ως επίστρωση δαπέδου, οι ίνες κοκοφοίνικα βρίσκουν ευρεία χρήση ως υλικό συσκευασίας για την προστασία των προϊόντων από ηλεκτροπληξία στον τομέα των μεταφορών. Στη Γερμανία παίρνει τη μορφή καουτσουκ και χρησιμοποιείται για την κατασκευή των μαξιλαριών στα καθίσματα των αυτοκινήτων και στο σιδηροδρομικό σταθμό. Επίσης, χρησιμοποιούνται σε φυτείες τσαγιού για τη συλλογή φύλλων τσαγιού και για την ανύψωση του άνθρακα από τα ορυχεία. Τα απορρίμματα του κοκοφοίνικα αναμειγνύονται με τις κατάλληλες ρητίνες με τις τεχνικές κατασκευής των πλαστικών. Η σκόνη που δημιουργείται, με τη σωστή θερμική συμπίεση, διαμορφώνει αντικείμενα οποιουδήποτε σχήματος με τα κατάλληλα καλούπια. Ίνες από Χόρτα Μια άλλη πηγή λιγνοκυτταρινούχων ινών είναι αυτές που προέρχονται από χόρτα. Τα βιοσύνθετα ενισχυμένα με ίνες από χόρτα έχουν ερευνηθεί στην Ευρώπη για τη χρήση τους στην αυτοκινητοβιομηχανία, και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω του χαμηλού κόστους τους και την απλή συλλογή και επεξεργασία τους. Λόγω των χαμηλότερων μηχανικών ιδιοτήτων τους σε σύγκριση με άλλους τύπους φυτικών ινών, όπως ίνες φλοιού και φύλλων, οι ίνες χόρτου χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο ως ενισχυτικά κοντών ινών παρά ως μακρές ή συνεχείς ίνες. 24

25 Άχυρο Τα άχυρα εξ ορισμού δεν ανήκουν στα χόρτα αλλά, αντίθετα, θεωρούνται υποπροϊόντα των μίσχων δημητριακών όπως το σιτάρι, το ρύζι, η σίκαλη και αφού απογυμνωθούν από τα σιτηρά και τη φλούδα, ξηραίνονται. Ενώ οι μηχανικές επιδόσεις τους δεν είναι τόσο υψηλές όσο οι παραπάνω ίνες, έχουν βρει εφαρμογή ως σύντομη ενίσχυση ινών. Bamboo Οι ίνες μπαμπού εξάγονται από τον πολτό των φυτών μπαμπού. Το μπαμπού είναι το μεγαλύτερο μέλος της οικογένειας ινών χόρτου και είναι τα ταχύτερα αυξανόμενα φυτά στον κόσμο. Βρίσκονται κυρίως στην Ασία και έχουν χρησιμοποιηθεί για τρόφιμα, κατασκευές επίπλων, υφάσματα, και χαρτί. Οι ίνες αποτελούνται από 60% κυτταρίνη και 25% λιγνίνη [10]. Υπάρχουν διάφορες προσεγγίσεις για τη χρήση των ινών μπαμπού στα σύνθετα και περισσότερο στα βιοπολυμερή. Σε αυτή την περίπτωση (σε αντίθεση με τα υφάσματα) οι ίνες μπαμπού εκχυλίζονται με μηχανικό βελονισμό και ξύσιμο ή μέσω μιας διαδικασίας έκρηξης ατμού όπου το μπαμπού εγχέεται με ατμό και τοποθετείται υπό πίεση και στη συνέχεια εκτίθεται στην ατμόσφαιρα, έτσι δημιουργούνται μικρές εκρήξεις εντός του μπαμπού που επιτρέπουν τη συλλογή των ινών τους, λόγο της απελευθέρωσης του ατμού. Η ίνα μπαμπού μπορεί να είναι σε μορφή πολτού στην οποία το υλικό είναι εξαιρετικά λεπτό. Ίνες Ξύλου Τα ξύλα, ως προς την εμπορική τους εκμετάλλευση, διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: 1.μαλακά ξύλα (softwoods) ή αειθαλή ή κωνοφόρα ή γυμνόσπερμα δένδρα (έλατο, κυπαρίσσι, πεύκο κ.α) κέδρος, 2.σκληρά ξύλα (hardwoods) ή πλατύφυλλα ή φυλλοβόλα ή αγγειόσπερμα δένδρα (βελανιδιά, ευκάλυπτος, καρυδιά, λεύκα, οξιά, σημύδα, φλαμουριά, φτελιά κ.α). Οι όροι σκληρό και μαλακό ξύλο δεν χαρακτηρίζουν απόλυτα τη σκληρότητα του ξύλου, αλλά προέκυψαν γιατί συνήθως τα σκληρά ξύλα έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα από τα μαλακά. Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τύπων είναι ότι σκληρά ξύλα έχουν πιο πολύπλοκες δομές που αποτελούνται από αγγεία ή πόρους που δεν έχουνε τα μαλακά. Και τα δύο είδη αποτελούνται από διακριτά κύτταρα που είναι συνδεδεμένα και αλληλοσυνδέονται με ένα συνεχή τρόπο. Για τη χρήση του σε σύνθετα πολυμερών, και τα δύο είδη( σκληρά και μαλακά ξύλα) μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δύο μορφές, ως ενιαίες ίνες με υψηλότερες αναλογίες και ως μικρότερες 25

26 δέσμες ινών με χαμηλές αναλογίες (ξυλάλευρο), όπου λόγο της χαμηλής αναλογίας, χρησιμοποιείται περισσότερο σαν πληρωτικό παρά ως ενίσχυση [10]. Μία από τις πιο κρίσιμες παραμέτρους που επηρεάζουν τις ιδιότητες αντοχής των σύνθετων με ίνες ξύλου είναι το μέγεθος των ινών. Συνήθως, προτιμώνται οι μικρές και μικροσκοπικές ίνες, με μέσο μέγεθος σωματιδίων 0,24 έως 0,35 mm. Παρέχουν μια μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και οι ίνες κατανέμονται ομοιογενώς σε αντίθεση με τα σύνθετα με μακριές ίνες, με αποτέλεσμα η συμβατότητα των ινών και της μήτρας να βελτιώνεται. Με αυτό τον τρόπο, μειώνονται η διόγκωση και η δημιουργία μικροκενών κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας. Τα σύνθετα προϊόντα ξύλου- πλαστικού ή όπως συνηθίζεται να λέγονται από τα αρχικά τους WPC (Wood Plastic Composites), περιλαμβάνουν ένα μεγάλο εύρος σύνθετων υλικών που αποτελούνται από συμβατικά ή ανακυκλωμένα θερμοπλαστικά και λιγνινοκυτταρινούχα υλικά σε διάφορα ποσοστά. Το βασικό κριτήριο για την επιλογή του κατάλληλου θερμοπλαστικού με σκοπό την παραγωγή των WPC, είναι η θερμοκρασία επεξεργασίας, η οποία θα πρέπει να είναι μικρότερη από τους 200 C, γιατί διαφορετικά τα λιγνινοκυτταρινούχα υλικά υφίστανται θερμική αποικοδόμηση. Έτσι τα πιο συχνά χρησιμοποιήσιμα πλαστικά είναι το πολυπροπυλένιο (ΡΡ), το πολυαιθυλένιο υψηλής και χαμηλής πυκνότητας (HDPE, LDPE), το πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) και το πολυστυρένιο (PS). Στην Ευρώπη συνήθως γίνεται χρήση πολυπροπυλενίου, ενώ σε μικρότερο ποσοστό χρησιμοποιείται και το PVC. Αντίθετα στον υπόλοιπο κόσμο υπάρχει προτίμηση στο πολυαιθυλένιο, το οποίο στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ανακυκλωμένο. Βέβαια, για πιο απαιτητικές εφαρμογές μπορεί να υπάρχει η ανάγκη χρησιμοποίησης καινούριων πλαστικών. Τα WPC αντιπροσωπεύουν μία νέα εποχή στην ανάπτυξη των υλικών, τα οποία συνδυάζουν το παλιό με το καινούριο για να δημιουργήσουν μία εντυπωσιακή επιλογή για τους τελικούς χρήστες. Ο συνδυασμός του ξύλου και του πλαστικού δημιουργεί υλικά με μοναδικές φυσικές ιδιότητες. Γενικά, η προσθήκη του ξύλου αυξάνει την σκληρότητα, τη θερμική σταθερότητα και την ανθεκτικότητα σε ακτίνες UV, ενώ η παρουσία του πλαστικού βελτιώνει την ανθεκτικότητα στην υγρασία και την αποσύνθεση. Οι μηχανικές ιδιότητες των WPC επηρεάζονται από τη σύνθεση του υλικού. Οπότε με βάση τη χρήση του τελικού προϊόντος μπορούν να χρησιμοποιηθούν διαφορετικές πρώτες ύλες όσον αφορά στο: είδος θερμοπλαστικού (ανακυκλωμένου ή μη) είδος ξύλου γεωμετρία ινών 26

27 αναλογία πλαστικού - ξύλου είδος πρόσθετων συνθήκες επεξεργασίας Προσαρμόζοντας έτσι τις ιδιότητες, ώστε να επιτευχθεί το άριστο αποτέλεσμα για συγκεκριμένες χρήσεις Εφαρμογές Τα WPC μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή προϊόντων, τα οποία μέχρι τώρα κατασκευάζονταν από ξύλο ή PVC, όπως: καταστρώματα και αποβάθρες σανίδες και πατώματα περιφράξεις και πάσαλοι περιφράξεων κάθετες και οριζόντιες εξωτερικές επενδύσεις είδη κήπου πλαίσια πορτών και παραθύρων ράφια ντουλάπια κουζίνας και πάγκοι εργασίας έπιπλα γραφείου παλέτες κ.α. Οι μηχανικές και φυσικές ιδιότητες, όπως η αντοχή, η σκληρότητα, η πυκνότητα και το χρώμα, αποτελούν σημαντικά χαρακτηριστικά για διάφορες εφαρμογές των WPC. Μερικές από αυτές είναι: 1. Η αυτοκινητοβιομηχανία, που επωφελείται από το χαμηλό ειδικό τους βάρος σε σχέση με τα ενισχυμένα με ανόργανες ουσίες προϊόντα. 2. Τα οικιακά προϊόντα, που επωφελούνται από την αισθητική των συγκεκριμένων υλικών, τα οποία παρόλο που μοιάζουν με ξύλο, μπορούν να επεξεργαστούν όπως τα πλαστικά. 3. Οι δομικές κατασκευές, όπως τα καταστρώματα και οι σκεπές, που επωφελούνται από την ξυλώδη εμφάνιση, αλλά και από τις βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τα συμβατικά πλαστικά. 27

28 1.1.3 Ιδιότητες φυτικών ινών Οι συμβατικές ίνες όπως γυαλί, άνθρακα κλπ., μπορούν να παραχθούν με ένα καθορισμένο εύρος ιδιοτήτων, ενώ οι ιδιότητες των φυσικών ινών διαφέρουν σημαντικά ανάλογα από το σημείο του φυτού που λαμβάνονται(δηλαδή από το βλαστό του φυτού ή από τα φύλλα), από τη ποιότητα της συγκεκριμένης θέσης και την ηλικία του φυτού [20]. Οι ιδιότητες των ινών που προέρχονται από τα φυτά, επηρεάζονται από πολλούς παράγοντες, όπως η ποικιλία, το κλίμα, η συγκομιδή, η ωριμότητα, η εξαγωγή των ινών, η αφαίρεση του φλοιού ή του εξωτερικού στρώματος, η αποσύνθεση (μηχανική, ή με έκρηξη ατμού), η τροποποίηση τους και οι τεχνικές διαδικασίες ύφανσης. Για να κατανοηθούν οι ιδιότητες των βιοσύνθετων είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε τις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες των φυσικών ινών [19]. Η ποιότητα, όπως και οι περισσότερες ιδιότητες, εξαρτάται από το μέγεθος, την ωριμότητα, καθώς και τις μεθόδους επεξεργασίας που εγκρίθηκαν για την εξαγωγή των ινών. Οι ιδιότητες των σύνθετων διαφέρουν σε κάθε δοκιμή που πραγματοποιείται διότι κάθε φορά χρησιμοποιούνται διαφορετικές ίνες, σε διαφορετικές συνθήκες υγρασίας και με διαφορετικές μεθόδους κατεργασιών. Η απόδοση των φυσικά ενισχυμένων σύνθετων εξαρτάται από τις διαστάσεις του κυττάρου, τη δομή, τις φυσικές και μηχανικές ιδιότητες και την αλληλεπίδραση μεταξύ της ίνας και της μήτρας. Φυσικές Ιδιότητες Πυκνότητα Οι περισσότερες φυσικές ίνες έχουν μέγιστη πυκνότητα περίπου 1.5 g/cm3. Αν και ορισμένες φυσικές ίνες, όπως το ξύλο, χαρακτηρίζονται από χαμηλή πυκνότητα, είναι συχνά συμπυκνωμένες κατά την επεξεργασία. Παρ 'όλα αυτά, ακόμα και η μέγιστη πυκνότητα αυτών των ινών είναι σημαντικά μικρότερη από εκείνη των ανόργανων ινών, όπως ίνες υάλου. Ως εκ τούτου, η χαμηλή πυκνότητα καθιστά τις φυτικές ίνες ελκυστική ως ενισχύση σε εφαρμογές. Το χαμηλό κόστος και η χαμηλή πυκνότητα είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους οι βιομηχανίες και συγκεκριμένα η αυτοκινητοβιομηχανίες χρησιμοποιούν τις φυτικές ίνες ως ενίσχυση στα σύνθετα [7]. 28

29 Διαστάσεις Το μήκος και η διάμετρος των φυτικών ινών είναι δύο παράμετροι που χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση των διαφορετικών φυσικών ινών και για τη σωστή επιλογή τους. Ως αναλογία διαστάσεων ορίζεται ως ο λόγος του μήκους προς τη διάμετρο της ίνας. Η αναλογία των διαστάσεων είναι απαραίτητη για τα σύνθετα, δεδομένου ότι επηρεάζει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες [8]. Η αναλογία των ινών επηρεάζεται από τον τρόπο που εξάγονται οι ίνες και από την περαιτέρω επεξεργασία τους. Η βιομηχανία των σύνθετων μπορεί να επηρεάσει την αναλογία των ινών και το προσανατολισμό τους, με σκοπό να βελτιωθούν οι μηχανικές ιδιότητές τους [2]. Οι ίνες διακρίνονται σε κοντές και μακριές ανάλογα με το λόγο μήκους- διαμέτρου l/d. Συγκεκριμένα, για λόγο l/d 100 οι ίνες χαρακτηρίζονται ως κοντές ή ασυνεχείς, ενώ για λόγο l/d 100 χαρακτηρίζονται ως μακριές ή συνεχείς. Έτσι ίνες με υψηλή αναλογία διαστάσεων είναι μακριές σε μήκος και λεπτές, ενώ οι ίνες με χαμηλή αναλογία διαστάσεων είναι μικρότερες σε μήκος και πλατύτερες κατά την εγκάρσια κατεύθυνση. Για παράδειγμα, οι ίνες μαλακού ξύλου έχουν μήκος mm με διάμετρο που κυμαίνεται μεταξύ 15 έως 80μm, συνεπώς η αναλογία των διαστάσεων είναι περίπου 100. Η αναλογία των ινών που εξάγονται από το βλαστό του φυτού, είναι υψηλότερη και κυμαίνεται μεταξύ 1000 με Ο λόγος των διαστάσεων έχει σημαντική επίδραση στις ιδιότητες του σύνθετου, ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να διατηρείται το μήκος των ινών όσο το δυνατόν περισσότερο κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας των σύνθετων. Η αναλογία πρέπει να είναι στην κυμαίνεται από για τη βέλτιστη αποτελεσματικότητα [9]. Στον Πίνακα 1.2 καταγράφονται οι διαστάσεις και η γεωμετρία των φυτικών ινών και στον Πίνακα 1.3 οι φυσικές ιδιότητες ινών. 29