The potential of high-temperature thermomechanical pulp in poly(lactic acid) matrix biocomposites

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2015-10-06
Department
Major/Subject
Kuitutuotetekniikka
Mcode
KM3003
Degree programme
BTT - Biotuotetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
60 + 4
Series
Abstract
The aim of this thesis was to investigate the potential of using high-temperature thermomechanical pulp (HT-TMP) as a reinforcement in poly(lactic acid) (PLA) matrix biocomposites. In previous works, HT-TMP has been found to be energy efficient to produce, but the fibres are hydrophobic and not suitable as a raw material for paper production. PLA is a widely used bioplastic, but it is currently more expensive than conventional plastics. HT-TMP and reference TMP were produced from Norway spruce (Picea abies) using a wing defibrator at three temperatures: 130, 150, and 170 °C. Composite samples of 0—20 w-% TMP consistencies were produced using twin-screw extruder compounding and injection moulding. Fibre deterioration during compounding, the mechanical properties (tensile and impact strength), tensile fracture surface SEM imaging, thermal properties using dynamic scanning calorimetry (DSC), and water absorption rate were determined from the injection moulded samples to assess the compatibility of HT-TMP in PLA reinforcement. The equipment used restricted the fibre fraction to a maximum of 20 w-%. HT-TMP fibres sustained damage during compounding, causing the aspect ratio of HT-TMP fibres to drop from above 70 to less than 10. No tensile strength reinforcement was detected, however, the tensile modulus increased. HT-TMP dispersed effectively into PLA during compounding. DSC analysis showed that the fibres acted as sites of crystalline nucleation, promoting crystallinity in PLA. SEM images showed the tensile failure mechanism of the composites to be a combination of fibre fracture and fibre pull-out. Water absorption rate of the composites suggests a good adhesion between PLA and the HT-TMP fibres. In this study HT-TMP was found to have promising properties for composite production. However, further study is recommended using higher fibre fractions (>20 w-%) and less-abrasive extrusion equipment.

Tämän työn tavoitteena oli tutkia korkeassa lämpötilassa valmistetun kuumahierteen (high temperature thermomechanical pulp, HT-TMP) soveltuvuutta polylaktidi-muovin (poly(lactic acid), PLA) lujiteaineena biokomposiiteissa. Aiemmissa tutkimuksissa on havaittu, että HT-TMP-massan valmistaminen on energiatehokasta, mutta valmistuvan massan kuidut ovat hydrofobisia eivätkä sovellu paperinvalmistuksen raaka-aineeksi. PLA on laajasti käytetty biomuovi, mutta se on nykyisin kalliimpaa valmistaa kuin perinteisiä muoveja. HT-TMP- ja referenssinä käytettyä TMP-massaa valmistettiin metsäkuusesta (Picea abies) siipijauhimella käyttäen kolmea eri valmistuslämpötilaa: 130, 150 ja 170 °C. 0–20 p-% TMP-massaa sisältäviä komposiitteja valmistettiin kaksiruuviekstruuderilla seostamalla ja ruiskuvalamalla näytekappaleita. PLA:n ja HT-TMP:n yhteensopivuutta tutkittiin analysoimalla näytteistä kuitujen muutosta seostuksessa, näytteiden mekaanisia ominaisuuksia (vetolujuus- ja iskulujuuskokeet), vetolujuusnäytteiden murtumakäyttäytymistä pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (scanning electron microscope, SEM), termisiä ominaisuuksia (dynamic scanning calorimetry, DSC) sekä veden imeytymisnopeuden muutosta kuitujen vaikutuksesta. Suurin mahdollinen komposiittien kuitupitoisuus käytetyillä laitteilla oli 20 p-%. Kuidut vahingoittuivat ja lyhenivät seostuksen yhteydessä, jolloin kuitujen pituus-leveys-suhde laski yli 70:stä alle 10:een. Vetolujuuden paranemista ei havaittu, mutta näytteiden kimmomoduuli kasvoi. HT-TMP-kuidut sekoittuivat tasaisesti muoviin. DSC-analyysillä todettiin kuitujen toimivan kiteytymiskeskuksina parantaen PLA:n kiteisyysastetta. SEM-kuvista todettiin vetomurtuman tapahtuvan kuitujen katkeamisena ja kuitujen vetäytymisenä ulos matriisista. Veden imeytymisnopeuden tulokset osoittavat PLA:n ja HT-TMP-kuitujen välillä olevan hyvä adheesio, jonka avulla syntyy vettä TMP:tä paremmin sietävä rakenne. Tulos vahvistaa myös kuitujen hydrofobisuuden. Tutkimuksessa todettiin HT-TMP-kuitujen omaavan lupaavia ominaisuuksia komposiittien raaka-aineeksi. Jatkotutkimusta suositellaan käyttäen suurempia kuitupitoisuuksia (>20 p-%) ja käyttäen kuituja vähemmän vahingoittavaa seostuslaitteistoa.
Description
Supervisor
Vuorinen, Tapani
Thesis advisor
Solala, Iina
Keywords
biocomposite, poly(lactic acid), thermomechanical pulp, PLA, HT-TMP, SEM
Other note
Citation