Agglomeration of fibres during biocomposite manufacturing process
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2022-06-14
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
68
Series
Abstract
Cellulose fibres offer an environmentally friendly option to the typically used synthetic fibres in composite applications due to their light weight, good mechanical properties, and biodegradability. The best properties for the cellulose reinforced composites are achieved when the fibres are long, when there is a good adhesion between the fibres and the matrix, and when the fibres are well dispersed. However, hydrophilic cellulose fibres are not compatible with the hydrophobic plastic matrix, which is why the dispersion and the adhesion between the fibres and the matrix are often poor. In addition, the low bulk density fibres are hard to feed into the compounding processes. Pelletizing is an effective way to improve the feeding of the fibres. Yet, as the fibres are pelletized, it may increase the hydrogen bonding upon drying, hornification, and the forming of entanglements leading to worse dispersion. Some methods to improve the dispersion are using processing aids or coupling agents and performing chemical treatments on fibres. Therefore, the aim of this thesis was to modify fibres prior to pelletizing and drying to improve their dispersion. Never-dried chemical softwood pulp was modified with glycerol, sodium stearate and two types of lubricants. The modifications were mainly done in high consistency (33 %) to maintain a suitable consistency for pelletizing. For the modifications, a few mixing methods were used, and these methods were compared by using a color test and by measuring the basic profile of the fibres. The effects of the modifications were evaluated by a dispersion test in water and by an optical microscope analysis. Glycerol significantly improved the dispersibility of the fibres in water, indicating that glycerol could prevent the formation of hydrogen bonds upon drying. The fibres modified with sodium stearate and the lubricants showed increased hydrophobicity in microscopy analysis. In addition, the drying rate, the additive dissolution, and the consistency, at which the pellets are prepared may play an important role in the dispersion behaviour. In future, the dissolution of sodium stearate and the analysis method for predicting the dispersion behaviour of the fibres in the matrix could be improved. Also, the combination of different modification methods could be examined further.Selluloosakuidut ovat kevyitä, vahvoja ja biohajoavia, minkä takia niitä voidaan käyttää komposiiteissa ympäristöystävällisenä lujitteena. Parhaimmat ominaisuudet tällaisille komposiiteille saadaan käyttämällä mahdollisimman pitkiä kuituja, joilla on hyvä adheesio matriisin kanssa ja jotka ovat jakautuneet tasaisesti koko matriisiin. Selluloosakuidut ovat kuitenkin hydrofiilisia ja polymeerimatriisi on usein hydrofobinen, minkä takia niiden välinen adheesio on huono ja kuidut eivät dispergoidu tasaisesti matriisiin. Tämän lisäksi selluloosakuitujen irtotiheys on alhainen, mikä vaikeuttaa niiden syöttämistä komposiitin valmistusprosessiin jatkuvana virtana. Kuitujen syöttöä voidaan parantaa pelletöimällä niitä. Tämä voi kuitenkin johtaa entistä huonompaan dispergaatioon, koska pelletöinti lisää vetysidosten muodostumista kuitujen kuivuessa, hornifikaatiota ja kuitujen sotkeutumista toisiinsa mekaanisesti. Dispergaatiota voidaan parantaa käyttämällä prosessointia auttavia aineita ja kytkentäaineita tai käsittelemällä kuituja kemiallisesti. Tämän diplomityön tavoite oli parantaa kuitujen dispergaatiota muokkaamalla kuituja ennen pelletöintiä ja kuivaamista. Kuivaamatonta havumassaa muokattiin glyserolilla, natriumstearaatilla ja kahdella voiteluaineella. Muokkaukset tehtiin korkeassa sakeudessa (33 %), jotta sakeus pysyi sopivana pelletöintiä varten. Muokkauksissa käytettiin muutamaa erilaista sekoitustapaa, joita vertailtiin väriainetestillä ja mittaamalla kuidun perusprofiili. Muokkausten vaikutuksia arvioitiin kuitujen dispergoituvuudella veteen ja tutkimalla kuidun pintaa valomikroskoopilla. Glyseroli paransi huomattavasti kuitujen dispergoituvuutta veteen, mikä viittaa siihen, että glyseroli voi estää vetysidosten muodostumista kuitujen kuivuessa. Mikroskooppitutkimuksissa nähtiin, että kuidut, joihin oli lisätty natriumstearaattia tai voiteluaineita, olivat hydrofobisoituneet. Lisäksi kuivausnopeudella, lisäaineen liukenemisella ja massan sakeudella pelletöinnin aikana voi olla tärkeä rooli dispergaatiokäyttäytymisessä. Tulevaisuudessa olisi tärkeää kehittää menetelmä, jolla dispergoituvuutta matriisissa pystyttäisiin arvioimaan paremmin ennen komposiitin valmistusta. Myös natriumstearaatin liuottamista täytyy parantaa ja eri muokkausmenetelmien yhdistelmiä voitaisiin tutkia lisää.Description
Supervisor
Kontturi, EeroThesis advisor
Hirvonen, KirsiKeywords
wood plastic composites, pelletizing, dispersion, glycerol, sodium stearate, lubricants