All-cellulose acetate composites

Abstract

Cellulose acetate (CA) have been used for over 100 years now. It is normally used as a plasticized thermoplastic or in textiles and one of the most common application is in filters such as tobacco buds. In this study the cellulose acetate fibers were investigated with Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) alongside with differential scanning calorimetry (DSC) to assess their purity. Their Tg values were close to 190˚C and their FTIR spectra was similar compared to previous studies. These fibers were then exposed to different acetone and water combinations to make all cellulose acetate composites. This route had several challenges and the hardest to overcome was the physical barrier that the fibers made. The solvent was not able to penetrate inside the material leaving the inner part intact without proper matrix. This challenge was tried to be overcomed by suction and stirring without good results. The second approach for making all-cellulose acetate composites was by melting a matrix. In this approach the matrix was cellulose acetate plasticized with triethyl citrate or glycerin triacetate. Plasticized CA was tested for their Tg-values with DSC to be sure that it can flow at a temperature where the fibers are still solid. The matrix was mixed with aligned CA fibers and compacted with a hot press. Impact tests revealed that the use of fibers with content approximately over 15% started significantly increase the impact strength of the composites material. These impact test samples were studied with scanning electron microscopy (SEM). SEM revealed that the interface between fibers and matrix was good. Tensile tests show nearly no change compared to the matrix suggesting that the mechanical properties of the fibers are not very high.

Selluloosa asetaattia (CA) on käytetty jo noin sata vuotta. Yleisimmät käyttökohteet ovat tekstiileissä ja suodattimissa. Selluloosa asetaattia voidaan prosessoida lämmön avulla, mutta lämpömuokkaamisen haasteena on prosessointilämpötilan ja hajoamislämpötilan läheisyys. Näin ollen selluloosa asetaatti pitää pehmittää sopivalla pehmittimellä. Tässä työssä käytetyt pehmittimet olivat trietyyli sitraatti (TEC) ja glyseroli triasetaatti (GTA). Näistä jälkimmäinen osoittautui sopivammaksi, joten suurin osa kokeista suoritettiin sitä käyttämällä. Työssä tutkittiin glyseroli triasetaatin kolmea eri pitoisuutta matriisissa, 10, 20 ja 30 massaprosenttia, joista 20 massaprosenttia osoittautui sopivimmaksi alle 200˚C muokkauslämpötilassa. Glyseroli triasetaattia käyttämällä valmistettiin matriisiaine, jonka mukaan sekoitettiin selluloosa asetaatti kuituja eri konsentraatioissa. Kuitujen puhtaus lisäaineista tutkittiin käyttämällä Fourier infrapunaspektroskopiaa (FTIR) ja DSC-kalorimetriä. Kuuma puristamalla matriisin ja kuidut yhteen saatiin koekappaleita DSC-kalorimetriin, iskulujuustestaukseen, pyyhkäisyelektronimikroskopiaan, dynaamis-mekaaniseen spektroskopiaan ja vetolujuusmittauksiin. Iskulujuusmittauksissa kappaleiden lujuus alkoi kasvaa merkittävästi kuitupitoisuuden kasvaessa yli 15 massaprosentin. Elektronimikroskopiaa käyttämällä havaittiin matriisin ja kuitujen rajapinnan olevan hyvä. Dynaamis-mekaanisen spektroskopian avulla havaittiin ylimääräisen veden aiheuttama pehmitinvaikutus siirtymislämpötilaan. Vetolujuusmittauksissa koekappaleiden maksimaalinen vetolujuus kasvoi murtovenymän kustannuksella. Työssä tutkittiin myös kuitujen prosessointia komposiitiksi osittaisen liukoisuuden avulla. Tätä varten tutkittiin asetoni/vesi sekoitusta eri konsentraatiolla ja ionista nestettä ([Emim][Ac]). Asetoni/vesi sekoituksen haasteena oli liian nopea liukeneminen, jolloin vain koekappaleiden ulkoiset osat liukenivat jättäen keskiosan koskemattomaksi. Ionisen nesteen ongelmana oli liian heikko liukenevuus.