Development of Ioncell fibres reinforced bio-based epoxy composite via vacuum infusion technique

Abstract

The interest in composites reinforced with cellulose-based fibres is surging due to their eco-friendliness and cost-efficiency. However, their application in high-strength areas is limited, a domain where synthetic/inorganic fibres currently leading. The main concern with synthetic/inorganic fibre composites is their non-biodegradable nature and environmental unfriendliness. Composites made from regenerated cellulose fibres could potentially replace of synthetic/inorganic fibre composites, given their superior strength compared to other cellulosic fibres. “Ioncell fibre” was used in this study, a unique cellulose fibre developed by Aalto University and the University of Helsinki, to produce a composite for comparison with carbon, cellulosic, and glass fibre composites. The main objective is to assess the potential of the biodegradable composite produced from plain weave fabric of Ioncell fibres and a bio-based epoxy matrix via vacuum infusion technique.

This thesis delves into the properties of fibres, including their mechanical attributes, degree of polymerization, and morphological structure. It also examines the mechanical and thermal characteristics, water absorption capacity, and hydrophilic/hydrophobic properties of the resulting composite. The study further explores its potential as a substitute for petroleum-based fibre composites, specifically carbon fibre composites. The findings reveal that while the strength of Ioncell fibre is four times less than that of carbon fibre, the strength of the Ioncell composite is nearly half that of the carbon fibre composite. These results could potentially lead to a wider acceptance of biobased Ioncell composites as alternatives to carbon and other synthetic as well as cellulosic fibre composites, contributing to a more sustainable future.

Kiinnostus selluloosapohjaisilla kuiduilla vahvistettuja komposiitteja kohtaan on kasvussa niiden ympäristöystävällisyyden ja kustannustehokkuuden vuoksi. Niiden käyttö erittäin korkeaa lujuutta vaativissa sovelluksissa on kuitenkin rajallista, ja näillä alueilla synteettiset ja epäorgaaniset kuidut ovat tällä hetkellä käytetyimpiä. Synteettiset ja epäorgaaniset kuitukomposiitit eivät kuitenkaan ole biohajoavia ja niitä pidetään ympäristölle haitallisina. Regeneroiduista selluloosakuiduista valmistetuilla komposiiteilla voitaisiin mahdollisesti korvata synteettisistä ja epäorgaanisista kuiduista valmistettuja komposiitteja, sillä regeneroitujen kuitujen lujuusominaisuudet ylittävät muut selluloosakuidut. Tässä tutkimuksessa käytettiin Aalto-yliopistossa ja Helsingin yliopistossa kehitettyä ainutlaatuista selluloosapohjaista Ioncell-kuitua komposiittien valmistukseen ja sitä verrattiin hiili-, selluloosa- ja lasikuitukomposiitteihin. Päätavoitteena on arvioida Ioncell-kuiduista ja biopohjaisesta epoksimatriisista tyhjiöinfuusiotekniikalla valmistetun biohajoavan komposiitin potentiaalia.

Tässä työssä tarkastellaan kuitujen ominaisuuksia, mukaan lukien niiden mekaaniset ominaisuudet, polymeroitumisaste ja morfologinen rakenne. Työ tutkii myös kuiduista valmistetun komposiitin mekaanisia ja termisiä ominaisuuksia, veden absorptiokykyä ja hydrofiilisiä/hydrofobisia ominaisuuksia. Tutkimuksessa tarkastellaan edelleen biopohjaisen komposiitin mahdollisuuksia öljypohjaisten kuitukomposiittien, erityisesti hiilikuitukomposiittien, korvikkeena. Työn tulokset paljastavat, että vaikka Ioncell-kuidun lujuus on neljä kertaa pienempi kuin hiilikuidun, Ioncell-komposiitin lujuus on lähes puolet hiilikuitukomposiitin lujuudesta. Nämä tulokset voivat mahdollisesti johtaa biopohjaisten Ioncell-komposiittien laajempaan tunnistamiseen vaihtoehtoina hiili- ja muille synteettisille sekä selluloosakuitukomposiiteille, mikä osaltaan edistää kestävämpää tulevaisuutta.