The effect of pulping method on the natural fiber composite manufacturing process and end product properties

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2011
Major/Subject
Paperi- ja painatustekniikka
Mcode
Puu-21
Degree programme
Language
en
Pages
81 + [7]
Series
Abstract
Natural fiber composites have gained considerable attention in the last decades due to their economic and environmental benefits, and applications are found for example in the construction and automotive industries. The use of natural fibers in composite structures has advantages over traditional reinforcement materials, such as glass or carbon fibers, due to their cost, recyclability, and lower weight. The main challenge in natural fiber composites is to ensure compatibility between the reinforcement fiber and matrix. In this thesis, the objective is to study chemically pulped wheat straw as a possible fiber material for the production of a natural fiber composite raw material. Fibers produced by three distinct chemical pulping methods are studied in relation to how they perform in the composite manufacturing process and consequently affect end product properties. For comparison and additional study, standard mill manufactured bleached hardwood pulp is used as reference material. Four reference pulps are subjected to mild refining and an alkaline cold caustic treatment to produce varied fiber properties. In the experimental part, the reinforcement pulp fibers, polystyrene matrix material, and additives are pre-compounded together in wet-state using a drum former. This method provides good distribution of raw material components and minimizes fiber length deterioration. The pre-compounded sheet material is further compounded in a twin-screw extruder and injection molding is used to prepare composite raw material specimens for mechanical testing. Seven birch and wheat straw pulps with differing chemical and physical properties were manufactured and processed into composite raw material. All pulp fibers were successfully applied in the composite production process, which completes one objective set for this thesis. The mechanical testing of the composite raw materials gave surprisingly little differences between the different fiber materials. Overall the best performance was recorded for the chemically untreated birch reference pulps, followed closely by the three straw pulps and other two alkali-treated birch pulps. Due to the even performance, no single fiber or pulp property could be identified to correlate with enhanced composite raw material properties in a statistically significant manner. Further investigation is recommended to optimize the fiber raw material and production process variables.

Luonnonkuitukomposiitit ovat viime vuosikymmeninä herättäneet kasvavaa kiinnostusta taloudellisten ja ympäristöllisten etujensa vuoksi, ja jo olemassa olevia applikaatioita löytyy esimerkiksi rakennus- ja autoteollisuudesta. Luonnonkuitujen käyttö komposiittirakenteissa perinteisten materiaalien, kuten lasin ja hiilen sijaan, on perusteltua muun muassa halvemman hinnan, kierrätettävyyden, sekä lopputuotteen keveyden takia. Suurimpana haasteena on lujitekuitujen ja polymeerimatriisin yhteensopivuuden varmistaminen, jonka saavuttamiseksi käytetään erilaisia fyysisiä ja kemiallisia muokkausmenetelmiä. Tässä diplomityössä tavoitteena on tutkia kemiallisesti kuidutetun vehnäolkisellun soveltuvuutta luonnonkuitukomposiitin kuituraaka-aineeksi. Työssä tutkitaan kuinka kolmen erityyppisen massanvalmistustavan aikaansaamat kuidut käyttäytyvät komposiittivalmistusprosessissa sekä vaikuttavat komposiittilopputuotteen ominaisuuksiin. Vertailumateriaalina käytetään tehdasvalmisteista valkaistua koivusellua, jonka kuituominaisuuksia muokataan kemiallisella alkaliuuttokäsittelyllä sekä mekaanisella jauhatuksella. Sellukuidut, matriisina toimiva styreenipolymeeri, sekä muut prosessin lisäaineet yhdistettiin märkäprosessissa arkkimuotoon rumpuformerilla, jonka jälkeen kaksiruuvisella ekstruuderilla suoritettiin varsinainen kompaundointi. Märkäprosessilla saadaan aikaiseksi materiaalien hyvä sekoittuminen, samalla minimoiden kuidunpituuden aleneminen. Ruiskuvaletuista testisauvoista tehdään lujuusmittauksia, joiden perusteella lopputuotteissa käytettävien massojen soveltuvuutta arvioidaan. Työn tuloksena osoitettiin, että kaikkien seitsemän koivu- ja olkimassan kuidut olivat käyttökelpoisia valmistusprosessissa. Valmistettujen komposiittilopputuotteiden vetoja taivutuslujuudet olivat samansuuruisia, parhaiten pärjäsivät kemiallisesti käsittelemättömät koivumassat sekä olkimassat ennen alkaliuutettuja koivumassoja. Yksittäisten massa- tai kuituominaisuuksien yhteyttä parantuneisiin lopputuotteen ominaisuuksiin ei pystytty tilastollisesti merkittävällä tasolla osoittamaan. Lisätutkimus on tarpeen, jotta prosessisuureet ja kuidunvalmistusmenetelmä saadaan optimoitua komposiittilopputuotteen valmistukseen.
Description
Supervisor
Paltakari, Jouni
Thesis advisor
Hanni, Eeva
Keywords
natural fiber, luonnonkuitu, composite, komposiitti, pulping, kemiallinen kuidutus, wheat straw, vehnäolki
Other note
Citation