aalto1 untyped-item.component.html
Bio-oil based polymeric composites for additive manufacturing
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
CHEM3046
Degree programme
Language
en
Pages
64
Series
Abstract
Plastics and composites have been a growing industry for decades, and the always growing world and new technologies demand even greater amounts of polymeric composites for a variety of applications. Nowadays the negative environmental aspects of polymer production and plastic waste are known, but despite that crude oil is still the primary material for most polymers. Finding bio- based materials with sufficient properties to replace the fully synthetic ones is crucial in sustainable development. This master’s thesis studies both glass fiber and microcrystalline cellulose reinforced bio-oil based polyamide, how they could be compatibilized, the mechanical properties and applicability for additive manufacturing.
Compatibilization is an important aspect when two compounds are mixed to make a composite. A proper compatibilizer will enhance the interfacial adhesion between the reinforcement and matrix, thus increasing the mechanical properties of the material. The glass fiber/polyamide11 composite was compatibilized with vinyltrimethoxysilane, and the microcrystalline cellulose/polyamide11 composite was compatibilized with 4,4'-diphenylmethane diisocyanate. Both composites were analyzed to obtain information about thermal, mechanical, and rheological properties. The surface and fracture morphology are examined, as well.
The results indicate that reinforcing resulted to enhanced mechanical properties, even though the desired compatibilization was not acquired in the experiment. The most encouraging result was that the bio-based cellulose reinforcement enhanced mechanical properties, by visual examination the fully bio-based polymeric composite was found to be more ductile than the glass fiber reinforced one.
For future prospect, there are few issues to be addressed and overcome for these materials to be made suitable for additive manufacturing. The key is finding a compatibilizer that can withstand high processing temperatures repeatedly. Maintaining uniform properties requires proper dispersion of reinforcement, which is achieved by optimizing the manufacturing method. In addition, cellulose is prone to thermal degradation, so the processing temperatures for both reinforcement and matrix should be considered carefully.
Muovit ja komposiitit ovat jo vuosikymmenien ajan ollut kasvava teollisuuden ala, ja alati kehittyvä maailma sekä uudenlainen teknologia vaatii entistä enemmän polymeerikomposiitteja erilaisiin käyttökohteisiin. Nykyään polymeerituotannon ja käytöstä poistuvien muovituotteiden negatiivisista ympäristövaikutuksista ollaan tietoisia. Tästä huolimatta raakaöljy on pääraaka-aine polymeerien valmistuksessa. Ympäristövaikutusten minimoimiseksi olisi tärkeää löytää biopohjaisia materiaaleja, jotka ominaisuuksiensa puolesta ovat riittäviä korvaamaan täysin synteettisiä materiaaleja. Tässä työssä on tutkittu sekä lasikuidulla että mikrokiteisellä selluloosalla vahvistetun bioöljypohjaisen polyamidin kompatibilisointia ja mekaanisia ominaisuuksia, sekä kyseisten komposiittien soveltuvuutta materiaalia lisääviin valmistusmenetelmiin.
Kompatibilisaatio on tärkeää, kun yhdistetään kaksi eri komponenttia yhdeksi komposiittimateriaaliksi. Sen tarkoituksena on vahvistaa molekyylien rajapinnan adheesiota lujitteen ja sidemassan välillä, jolloin materiaalin mekaaniset ominaisuudet paranevat. Lasikuidulla lujitettujen polyamidikomposiittien kompatibilisointiin käytettiin vinyylitrimetoksisilaanilla ja mikrokiteisellä selluloosalla lujitettu polyamidikomposiitti kompatibilisoitiin 4,4'-difenyylimetaani di-isosyanaatilla. Molempien komposiittien termiset, mekaaniset ja reologiset ominaisuudet arvioitiin. Lisäksi tutkittiin pinnan ja murtumakohdan morfologiaa.
Tulokset osoittavat, että polymeerin lujittaminen parantaa mekaanisia ominaisuuksia, vaikka tavoiteltua kompatibilisaatioita materiaalien välillä ei tapahtunutkaan. Työn lupaavin tulos oli biopohjaisen mikrokiteisen selluloosan tuoma parannus materiaalin kestävyysominaisuuksille. Etenkin silmämääräisesti tarkastellessa täysin biopohjainen polymeerikomposiitti oli taipuisampaa kuin lasikuidulla lujitettu komposiitti.
Muutamaan asiaan tulee kiinnittää erityisesti huomiota, jos tämänkaltaisia materiaaleja halutaan käyttää materiaalia lisäävissä menetelmissä. Tärkeintä on löytää kompatibilisoija, joka kestää korkeita lämpötiloja toistuvasti. Lujitteen tasainen dispersio on tärkeää, jotta saadaan aikaan tasaista laatua ja ominaisuudet ovat samanlaiset koko materiaalissa. Tämä saavutetaan valmistusmenetelmän optimoinnilla. Lisäksi tulee ottaa huomioon selluloosan taipumus termiseen hajoamiseen, jolloin sekä lujitteen että sidemassan prosessointilämpötilat tulisi olla samansuuruiset.
Description
Supervisor
Seppälä, JukkaThesis advisor
van Bochove, BasNguyễn, Phan Huy