Surface modified cellulose and starch biocomposites with a low melting point polyamide
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Author
Date
2022-03-25
Department
Major/Subject
Nordic Master Programme in Polymer Technology
Mcode
CHEM25
Degree programme
Nordic Master in Polymer Technology (N5PolTech)
Language
en
Pages
81 + 22
Series
Abstract
The search for an environmentally friendly general purpose polymeric material has led to biomaterials being an active component in development of plastics. The biomaterials decrease the usage of oil-based polymers, as a proportion of the final material is from the nature. This thesis investigates the benefits of adding biopolymers to a low melting point polyamide (PA1216), which was polymerised through polycondensation of 1,12-diaminododecane and 1,16-hexadecanediocic acid. The low melting point allowed the polymer to be processed with at a lower temperature than conventional polyamides. Furthermore, the lowered temperature allowed thermally stable processing with biopolymers, such as cellulose and starch. Blends of PA1216 and cellulose or starch were extruded into filaments, hot pressed into films, and characterised. The images obtained from Scanning Electron Microscopy (SEM) showed inadequate interaction between the phases. This was further solidified with results from differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, and mechanical testing. In order to improve the interaction between the phases, both cellulose and starch were modified with a surface modification agent. Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Thermal Gravimetric analysis were employed to confirm the modification. Similarly, the modified biopolymers were extruded with PA1216. SEM images showed improved interaction between PA1216 and modified biomaterials. The cellulose surface was roughened, and clusters of starch were fragmented, which led to improved dispersion of cellulose and starch in the matrix. The improved interaction was also observed in mechanical properties, as the modified biomaterial composite were able to withstand a greater amount of force. Finally, the incorporation of cellulose to PA1216 decreased the water vapour permeability, even more so with modified cellulose. The permeability results for starch composites were inconclusive, whenever modified or not. Concluding, the modified cellulose and starch showed improved interaction with PA1216 compared to neat cellulose and starch composites, thus confirming the benefits of surface modification. The modified cellulose and starch composites did not outperform the neat PA1216. However, both modified biopolymers should be further studied, as there are notable benefits to the modification.Biomaterial har blivit en aktiv komponent i utvecklingen för ett allmänt, naturvänligt plastmaterial. Tillsättning av biomaterial i plast minskar förbruket av oljebaserade polymerer för att en del av totala plasten kommer från naturen. Examensarbetet undersöker förmånerna av att tillsätta biopolymerer i en polyamid med en låg smältpunkt (PA1216). PA1216 var polymeriserad från 1,12-diaminododecane och 1,16-hexadecanediodic syra genom polykondensation. Den låga smältpunkten gav möjligheten för behandling av polyamiden vid en lägre temperatur en för traditionella polyamider. Den lägre smältpunkten gav också möjlighet för termiskt stabil bearbetning av biopolymerer, så som cellulosa och stärkelse. Blandningar av PA1216 och cellulosa eller stärkelse strängsprutades till filament, varmpressade till filmer, och karakteriserade. Bilder tagna med svepelektronmikroskop (SEM) visade bristfällig växelverkan mellan faserna. Resultaten från differentiell svepkalorimetri, ’Dynamic mechanical analysis’, och mekanisk provning bekräftade observationerna i SEM bilderna. För att förbättra växelverkan mellan faserna, både cellulosa och stärkelse behandlades med ett ytmodifieringsmedel. Fourier-transform infraröd spektroskopi och termogravimetrisk analys användes för att bekräfta ytmodifieringen. Liksom med obehandlad cellulosa och stärkelse, ytmodifierad cellulosa och stärkelse strängsprutades med PA1216. SEM bilderna bevisade att ytmodifieringen förbättrade växelverkan mellan faserna. Cellulosans yta hade blivit uppruggad, medan klumparna av stärkelse hade splittrats. Båda ytmodifierade biopolymerer visade även förbättrad dispersion inom polyamidmatrisen. Dessa förbättringar höjde mekaniska egenskaperna jämfört med de obehandlade kompositerna. Vattenpermeabiliteten undersöktes som sista undersökningsmetod. Resultaten från mätningarna visade att cellulosan minskade vattenpermeabiliteten i kompositerna och ytmodifierade cellulosan minskade den även mera. Resultaten för kompositerna stärkelse och PA1216 var inte övertygande och kunde inte jämföras med cellulosakompositerna, ytmodifierade eller inte. Slutligen, ytmodifierad cellulosa och stärkelse bevisade förbättrad växelverkan mellan dem och polyamiden jämfört med obehandlad cellulosa och stärkelse. Ytmodifierade kompositerna av cellulosa och stärkelse presterade inte bättre än själva polyamiden, men de få förmånerna man får borde vidare undersökas.Description
Supervisor
Seppälä, JukkaThesis advisor
Hossein, BaniasadiOdelius, Karin
Keywords
biocomposite, low melting point polyamide, cellulose, starch, surface modification
