The potential of high-temperature thermomechanical pulp in poly(lactic acid) matrix biocomposites

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Solala, Iina
dc.contributor.author Koistinen, Antti
dc.date.accessioned 2015-10-16T08:50:55Z
dc.date.available 2015-10-16T08:50:55Z
dc.date.issued 2015-10-06
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/18163
dc.description.abstract The aim of this thesis was to investigate the potential of using high-temperature thermomechanical pulp (HT-TMP) as a reinforcement in poly(lactic acid) (PLA) matrix biocomposites. In previous works, HT-TMP has been found to be energy efficient to produce, but the fibres are hydrophobic and not suitable as a raw material for paper production. PLA is a widely used bioplastic, but it is currently more expensive than conventional plastics. HT-TMP and reference TMP were produced from Norway spruce (Picea abies) using a wing defibrator at three temperatures: 130, 150, and 170 °C. Composite samples of 0—20 w-% TMP consistencies were produced using twin-screw extruder compounding and injection moulding. Fibre deterioration during compounding, the mechanical properties (tensile and impact strength), tensile fracture surface SEM imaging, thermal properties using dynamic scanning calorimetry (DSC), and water absorption rate were determined from the injection moulded samples to assess the compatibility of HT-TMP in PLA reinforcement. The equipment used restricted the fibre fraction to a maximum of 20 w-%. HT-TMP fibres sustained damage during compounding, causing the aspect ratio of HT-TMP fibres to drop from above 70 to less than 10. No tensile strength reinforcement was detected, however, the tensile modulus increased. HT-TMP dispersed effectively into PLA during compounding. DSC analysis showed that the fibres acted as sites of crystalline nucleation, promoting crystallinity in PLA. SEM images showed the tensile failure mechanism of the composites to be a combination of fibre fracture and fibre pull-out. Water absorption rate of the composites suggests a good adhesion between PLA and the HT-TMP fibres. In this study HT-TMP was found to have promising properties for composite production. However, further study is recommended using higher fibre fractions (>20 w-%) and less-abrasive extrusion equipment. en
dc.description.abstract Tämän työn tavoitteena oli tutkia korkeassa lämpötilassa valmistetun kuumahierteen (high temperature thermomechanical pulp, HT-TMP) soveltuvuutta polylaktidi-muovin (poly(lactic acid), PLA) lujiteaineena biokomposiiteissa. Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu, että HT-TMP-massan valmistaminen on energiatehokasta, mutta valmistuvan massan kuidut ovat hydrofobisia eivätkä sovellu paperinvalmistuksen raaka-aineeksi. PLA on laajasti käytetty biomuovi, mutta se on nykyisin kalliimpaa valmistaa kuin perinteisiä muoveja. HT-TMP- ja referenssinä käytettyä TMP-massaa valmistettiin metsäkuusesta (Picea abies) siipijauhimella käyttäen kolmea eri valmistuslämpötilaa: 130, 150 ja 170 °C. 0–20 p-% TMP-massaa sisältäviä komposiitteja valmistettiin kaksiruuviekstruuderilla seostamalla ja ruiskuvalamalla näytekappaleita. PLA:n ja HT-TMP:n yhteensopivuutta tutkittiin analysoimalla näytteistä kuitujen muutosta seostuksessa, näytteiden mekaanisia ominaisuuksia (vetolujuus- ja iskulujuuskokeet), vetolujuusnäytteiden murtumakäyttäytymistä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (scanning electron microscope, SEM), termisiä ominaisuuksia (dynamic scanning calorimetry, DSC) sekä veden imeytymisnopeuden muutosta kuitujen vaikutuksesta. Suurin mahdollinen komposiittien kuitupitoisuus käytetyillä laitteilla oli 20 p-%. Kuidut vahingoittuivat ja lyhenivät seostuksen yhteydessä, jolloin kuitujen pituus-leveys-suhde laski yli 70:stä alle 10:een. Vetolujuuden paranemista ei havaittu, mutta näytteiden kimmomoduuli kasvoi. HT-TMP-kuidut sekoittuivat tasaisesti muoviin. DSC-analyysillä todettiin kuitujen toimivan kiteytymiskeskuksina parantaen PLA:n kiteisyysastetta. SEM-kuvista todettiin vetomurtuman tapahtuvan kuitujen katkeamisena ja kuitujen vetäytymisenä ulos matriisista. Veden imeytymisnopeuden tulokset osoittavat PLA:n ja HT-TMP-kuitujen välillä olevan hyvä adheesio, jonka avulla syntyy vettä TMP:tä paremmin sietävä rakenne. Tulos vahvistaa myös kuitujen hydrofobisuuden. Tutkimuksessa todettiin HT-TMP-kuitujen omaavan lupaavia ominaisuuksia komposiittien raaka-aineeksi. Jatkotutkimusta suositellaan käyttäen suurempia kuitupitoisuuksia (>20 p-%) ja käyttäen kuituja vähemmän vahingoittavaa seostuslaitteistoa. fi
dc.format.extent 60 + 4
dc.language.iso en en
dc.title The potential of high-temperature thermomechanical pulp in poly(lactic acid) matrix biocomposites en
dc.title Korkeassa lämpötilassa valmistetun kuumahierteen käyttö polylaktidi-muovin lujitteena biokomposiiteissa fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö en
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword biocomposite en
dc.subject.keyword poly(lactic acid) en
dc.subject.keyword thermomechanical pulp en
dc.subject.keyword PLA en
dc.subject.keyword HT-TMP en
dc.subject.keyword SEM en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201510164753
dc.programme.major Kuitutuotetekniikka fi
dc.programme.mcode KM3003 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Vuorinen, Tapani
dc.programme BTT - Biotuotetekniikan koulutusohjelma fi
dc.location PK fi


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account