Hydrophobicity of foam-formed cellulose fiber-reinforced thermoplastic composites

Abstract

Tässä Pro gradu tutkielmassa tutkittiin vaahtorainaamalla valmistettujen selluloosakuituvahvisteisten termoplastisten komposiittien hydrofobisia, rakenteellisia ja lujuusominaisuuksia. Komposiiteissa käytettiin hydrofobointikemikaaleina maleiinihappoanhydridilla oksastettuja polymeerejä, alkyyliketeenidimeerejä (AKD) ja hartsiestereitä. Vaahtorainaus on uusi menetelmä, joka säilyttää selluloosakuitujen pituuden ja parantaa näin komposiitin lujuutta. Selluloosakuituvahvisteisten komposiittien hydrofobisuuden tutkiminen on tärkeää, koska luonnonkuidut ovat alttiita hajoamiselle.

Kirjallisuusosassa esitellään kuituvahvisteisten termoplastisten komposiittien lähtömateriaaleja ja valmistusmenetelmiä, keskittyen erityisesti vaahtorainausteknologiaan. Lisäksi esitellään kemiallisia käsittelyjä, jotka parantavat kuitujen hydrofobisuutta ja adheesiota. Erityisesti keskitytään niihin menetelmiin, joita käytettiin kokeellisessa osassa. Lisäksi tarkastellaan veden tunkeutumisen ja imeytymisen mekanismeja sekä menetelmiä hydrofobisuuden mittaamiseen. Kokeellisessa osassa valmistettiin vaahtorainattuja komposiitteja, jotka koostuivat 30 paino-% termoplastisesta polymeerimatriisista ja 70 paino-% selluloosakuiduista ja jotka käsiteltiin hydrofobisilla kemikaaleilla. Valmistus tehtiin kaksivaiheisella prosessilla, johon kuuluivat vaahtorainaus sekä lämpömuovaus. Kemiallisten käsittelyjen vaikutuksia hydrofobisiin ominaisuuksiin karakterisoitiin veden kontaktikulmamittauksilla, Cobb-testeillä ja kosteuspitoisuuden mittauksilla upottamalla näyte 20 °C veteen. Muita mitattuja ominaisuuksia olivat neliöpaino, paksuus, tiheys, röntgenmikrotomografia, väri, FTIR-ATR ja lujuus.

Tulokset osoittivat, että kaikki kemialliset käsittelyt tarjosivat tehokkaan suojan vesiroiskeilta perustuen kontaktikulmamittaukseen vedellä. Maleiinihappoanhydridilla oksastetut polymeerit sekä AKD tarjosivat myös erinomaisen suojan vesikerrosta vastaan mitattuna Cobb600 mittauksella, kun taas hartsiesterit osoittivat vaihtelevaa suorituskykyä. Veden tunkeutumisen kestävyys kahden päivän upotustestissä oli heikko kaikilla vaahtorainatuilla komposiiteilla näytteiden huokoisuudesta johtuen. Maleiinihappoanhydridilla oksastetut polymeerit ja AKD hidastivat tunkeutumista tehokkaimmin, todennäköisesti vahvojen kuitusidosten vuoksi, kun taas hartsiesterit olivat vähemmän tehokkaita heikomman sidoskyvyn vuoksi. Vaahtorainatuilla komposiiteilla oli erinomaiset lujuusominaisuudet. Kemialliset lisäaineet eivät parantaneet lujuusominaisuuksia referenssitasoon verrattuna. Johtopäätöksenä on, että vaahtorainaamalla valmistetut komposiitit sopivat hyvin sovelluksiin, joissa tarvitaan suojaa vesiroiskeilta ja lyhytaikaiselta altistukselta ohuilta vesikerroksilta, mutta soveltuvat ääriolosuhteisiin vain erillisen pinnoitekerroksen kanssa.

This thesis investigated the hydrophobic properties, alongside structural and strength properties, of foam-formed cellulose fiber-reinforced thermoplastic composites treated with maleic anhydride grafted polymers, alkyl ketene dimers (AKD), and rosin esters. Foam-forming is a novel technique that maintains cellulose fibers' length, enhancing composite strength. The hydrophobicity of cellulose fiber-reinforced composites is an important topic, as materials containing natural fibers are prone to degradation.

The literature part introduces raw materials and manufacturing methods for thermoplastic composites, focusing on foam-forming technology. It also covers chemical treatments enhancing hydrophobicity and fiber adhesion, particularly those applied in the experimental part. Additionally, water penetration and absorption mechanisms and methods for evaluating material hydrophobicity are discussed. In the experimental part, foam-formed composites, comprising 30 wt% thermoplastic polymer matrix and 70 wt% cellulose fibers, were produced in a two-phase process including foam-forming and thermoforming phases, and treated with hydrophobic chemicals during the foam-forming phase. The effects of these chemical treatments on hydrophobic properties were evaluated using water contact angle, Cobb test, and moisture content during immersion at 20°C. Additional measurements included grammage, thickness, density, X-ray tomography, color analysis, FTIR-ATR, and strength properties.

The results indicated that all chemical treatments provided effective water splash protection as demonstrated by water contact angle measurements. Maleic anhydride grafted polymers and AKD also provided excellent repellency against water puddles, as indicated by Cobb600 results, while some rosin ester products exhibited good but variable performance. Resistance to water penetration during 2-day immersion was generally poor due to the porosity of the composite; however, maleic anhydride grafted polymers and AKD resisted water penetration most effectively, likely due to strong bonding with cellulose fibers. Rosin esters were less effective, possibly due to weaker fiber contact. The composites displayed excellent strength properties overall. The chemical additions did not enhance strength properties beyond the untreated levels. In conclusion, foam-formed composites studied in this thesis are suitable for applications requiring resistance to water splashes and puddles but are recommended for extreme conditions only with a separate coating layer.