Composites of microfibrillated cellulose and thermoplastics

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2009
Major/Subject
Polymeeriteknologia
Mcode
Kem-100
Degree programme
Language
fi
Pages
113
Series
Abstract
The aim of the thesis was to study the challenges in manufacturing and using micro fibrillated cellulose (MFC). The goals of the experimental part were to study the drying and chemical modification of MFC and the mechanical properties of the composites made of variously treated MFC. In the thesis, the sources of the MFC, manufacturing processes and special features as well as the ways of increasing the adhesion between the matrix materials and the MFC, ways of drying the MFC/water -suspension and manufacturing of composites were explored to ease the melt compounding of MFC and thennoplastics in the experimental part. In the experimental part, the possibility of drying MFC together with a substance that boils in higher temperatures than water, three different chemical modifications and preparing of composites of MFC and thennoplastics by melt compounding were investigated. Composites with 5 wt-% dried or chemically modified MFC were prepared. The matrices were polyamide 11 (PA11), polypropylene, polyethylene and ethyl vinyl acetate copolymer. The feasibilities of the drying chemicals and chemical modifications were evaluated by comparing the appearance and mechanical properties of the composites. Functionality of the drying agents was evaluated also by water removal test and by redispersing of dried samples. Glycerol, polyglycerol, tetra ethylene glycol dimethyl ether and polyvinyl alcohol (PVA) proved to be the most effective drying agents for MFC. The amount of glycerol needed for the drying of MFC preserving the dispersion was so big that the stiffness of the composites decreased. On the other hand, the composites made of PAII and MFC dried with PVA were notably stiffer compared to neat PA11 or PA11/MFC -composite. MFC was grafted successfully with octadecenyl succinic anhydride and poly(glycidyl methacrylate). The notably increased impact strength of notched specimens made of MFC modified with amino propyl triethoxy silane in PA11-matrix suggests that also that modification was successful. The mechanical properties of the composites prepared in the experimental part of the work weren't essentially better than the properties of the neat matrices. Anyhow a great deal was learned about chemical modification and drying of MFC for the future studies.

Työn kirjallisessa osassa selvitettiin selluloosan nanokuidun (MFC) valmistukseen ja komposiiteissa käyttöön liittyviä haasteita. Työn kokeellisessa osassa tavoitteena oli tutkia MFC:n kuivaamista, kemiallista modifiointia ja näin käsitellyistä MFC:sta valmistettujen komposiittien mekaanisia ominaisuuksia. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin MFC:n lähteitä, valmistustapoja ja erityisominaisuuksia. Lisäksi perehdyttiin eri matriisimateriaalien ja MFC:n välisen adheesion parannusmenetelmiin, nanokuitususpension kuivausmenetelmiin ja komposiittien valmistusmenetelmiin sulatyöstettävien MFC-komposiittien valmistusta silmällä pitäen. Kokeellisessa osassa tutkittiin mahdollisuutta kuivata MFC:a veden kiehumispistettä korkeammissa lämpötiloissa kiehuvilla aineilla, MFC:n kemiallista modifiointia ja sulatyöstettävien MFC-komposiittien valmistusta. Eri aineilla kuivatuista ja kemiallisesti modifioiduista MFC:sta valmistettiin komposiitteja, joissa MFC:a oli 5 p-%. Käytetyt matriisimateriaalit olivat polyamidi 11 (PA11), polypropeeni, polyeteeni (PE) ja etyylivinyyliasetaattikopolymeeri. Valmistettujen komposiittien visuaalisella tarkastelulla ja mekaanisia ominaisuuksia vertailemalla pyrittiin arvioimaan käytettyjen kuivausaineiden ja kemiallisten modifiointien toimivuutta. Kuivausaineiden toimivuutta arvioitiin lisäksi vedenpoistokokeella ja uudelleendispergoinnin avulla. Glyseroli, polyglyseroli ja tetraetyleeniglykolidimetyylieetteri sekä polyvinyylialkoholi (PVA) osoittautuivat toimivimmiksi MFC:n kuivausaineiksi. Kuivauksessa tasaisen MFC-dispersion saavuttamiseksi tarvittava suuri glyserolipitoisuus kuitenkin laski valmistettujen komposiittien jäykkyyttä. Toisaalta plyvinyylialkoholilla kuivatusta MFC:sta valmistetut PA11-komposiitit olivat huomattavasti puhtaasta MFC:sta valmistettuja ja PA11-matriisia jäykempiä. MFC:a onnistuttiin oksastamaan oktadekenyylisukkinianhydridillä ja polyglysidyylimetakrylaatilla. Aminopropyylitrietoksisilaanilla modifiodun MFC:n PA11-komposiitin huomattavasti parantunut lovi-iskulujuus viittaisi siihen, että myös kyseinen modifiointi onnistui. Työssä valmistetut komposiitit eivät olleet mekaanisilta ominaisuuksiltaan oleellisesti matriisimateriaalejaan parempia, mutta kemiallisesta modifioinnista ja MFC:n kuivausmenetelmistä opittiin paljon jatkotutkimusta varten.
Description
Supervisor
Seppälä, Jukka
Thesis advisor
Hippi, Ulla
Keywords
microfibrillated cellulose, selluloosan nanokuitu, composite, komposiitti, adhesion, adheesio, dispersion, dispersio
Other note
Citation