Novel high performance regenerated cellulose composite reinforcement fibers

Thumbnail Image

Files

master_Hakala_Ville_2016.pdf (4.43 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2016-12-13

Department

Major/Subject

Kuitu- ja polymeeritekniikka

Mcode

CHEM3024

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

65 + 4

Series

Abstract

Natural fibers are known for their good specific properties and biodegradability. Their inherent weakness is naturally occurring defects. To overcome the effects of these weaknesses the cellulosic material of the natural fibers can be regenerated to fabricate a manmade or regenerated cellulose fiber. Regenerated cellulose fibers include, including viscose and lyocell, have a homogenous defect free structure and higher overall technical quality. The newest development among regenerated cellulose fibers is the Ioncell fiber (Ioncell-F). Ioncell-F fibers are produced by the new Ioncell process. This process is developed by Aalto University in conjunction with the University of Helsinki, Ioncell process is designed to be an upgraded version of the lyocell process. Ioncell process is based on ionic liquids (IL) and their superb ability to solubilize cellulosic matter. Using ionic liquids, the Ioncell process can produce high quality fibers with lower environmental impacts from a broader range of cellulosic raw materials. Natural fibers have long been used for common composite materials such as chip boars and plywood. Natural fibers can also be used for fiber reinforced composites. In this thesis, mechanical properties of Ioncell-F are studied, to determine how suitable Ioncell-F is as a composite reinforcement. Ioncell-F is stated to have a high elastic modulus, thus, being a suitable composite reinforcement (Sixta et al. 2015). In this thesis, tests were conducted on Ioncell fibers and Ioncell-F reinforced composites. The mechanical properties of composites reinforced by Ioncell-F were studied by tensile testing and Raman spectroscopy. Composites reinforced by 10% lignin containing Ioncell-F were also studied by tensile testing, however, due to the lignin it contained they were unsuitable for Raman spectroscopy. In addition to the composite testing, single fiber Raman spectroscopy was used to compare the differences of three different types of Ioncell fibers with draw ratios (dr) 1, 3 and 14. The results showed that, of the Ioncell-F the draw ratio 14 is the most suitable composite reinforcement at higher volume fractions (40 - 60 V%). However, the draw ratio had little effect on the 20 V% composite mechanical properties. Fiber and composite Raman spectroscopy suggests also that dr14 would be the most suitable reinforcement. Although Ioncell-F cannot outperform glass fiber as a reinforcement, it has shown to perform well in composite applications when compared to other similar fibers.

Luonnonkuidut ovat tunnettuja niiden hyvistä mekaanisista ominaisuuksistaan sekä niiden luontaisesta biohajoavuudestaan. Luonnonkuituitujen heikkous on kuitenkin niiden luontaisesti sisältämät virheet. Näiden virheiden vaikutuksen välttämiseksi, luonnonkuidun selluloosa voidaan regeneroida. Regeneroidusta selluloosasta voidaan valmistaa keinoteknoinen luonnonkuitu. Tällaisia luonnonkuituja edustavat mm. viskoosi- ja lyocell-kuidut. Näillä kuiduilla on yleensä hyvin homogeeniset mekaaniset ominaisuudet, minkä takia tuotteiden tekninen laatu on korkea. Uusin kehitysaskel keinotekoisten luonnonkuitujen saralla on Ioncell-kuitu (Ioncell-F tai IF). Tämä Aalto Yliopiston ja Helsingin Yliopiston hankkeiden pohjalta suunniteltu kuitu perustuu paranneltuun lyocell prosessiin. Ero lyocell prosessiin on se, että Ioncell prosessi perustuu niin sanottuihin ionisiin liuottimiin, joiden avulla Ioncell prosessilla pystytään tuottamaan korkealaatuisia kuituja pienemmillä ympäristövaikutuksilla sekä laajemmasta raaka-aine valikoimasta. Luonnonkuituja käytetään yleisesti komposiiteissa esimerkiksi lastulevyssä partikkelimaisessa muodossa. Luonnonkuituja voidaan myös käyttää komposiittien kuituvahvisteina. Tässä diplomityössä tutkitaan IF-kuitua ja sen soveltuvuutta kuituvahvisteeksi komposiittimateriaalissa. IF-kuidun sanotaan omaavan korkean kimmokertoimen ja soveltuvan tältä osin hyvin komposiittivahvisteeksi (Sixta et al. 2015). Ioncell-F soveltuvuutta kuituvahvisteeksi tutkittiin mittaamalla yksittäisten kuitujen sekä Ioncell-F:llä vahvistettujen komposiittien Raman siirtymä sekä komposiittien vetolujuuskokein. Kokeissa vertailtiin useaa Ioncell-F tyyppiä vetosuhteilla (draw ratio, dr) 1, 3 ja 14. Myös 10 % ligniiniä sisältävällä kuidulla (dr5) vahvistetun komposiitin kimmokerroin määriteltiin, mutta kuitujen ligniini esti Raman spektroskopian hyödyntämisen. Rämän spektroskopialla tutkittiin kuidun kykyä vastaanottaa komposiittimateriaaliin kohdistuvaa kuormitusta. Tulosten mukaan Ioncell-F-kuidut vetosuhteella 14 soveltuivat tulosten perusteella parhaiten komposiitti materiaalien kuituvahvisteeksi niiden korkean kimmokertoimen takia. Vetosuhteiden ero korostui suuremmilla kuitusuhteilla (40 – 60 V%), kun taas 20 V% komposiittien kimmokertoimet olivat yhtä pienet. Ioncell kuidun havaittiin Raman siirtymän perusteella myös soveltuvan komposiitti vahvikkeeksi verrattain hyvin. Lasikuidun mekaanisia ominaisuuksia Ioncell kuitu ei kuitenkaan saavuttanut, mutta tulosten perusteella Ioncell-F kuidulla on suhteellisen hyvät mekaaniset ominaisuudet verrattuna muihin saman tyyppisiin kuituihin.

Description

Supervisor

Hughes, Mark

Thesis advisor

Bulota, Mindaugas

Keywords

regenerated, cellulose, ioncell, composite, reinforcement, Raman

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201612226226

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM