Development and mechanical characterization of polylactide green composites reinforced with natural fibers

• Autorzy: Mazur Wiktoria , Mazur Kamila E. , Kuciel Stanisław

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2021.2-3.3

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka mechaniczna biopochodnych kompozytów polimerowych na osnowie polilaktydu wzmocnionych naturalnymi włóknami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

An attempt was made to modify compostable polymer composites based on polylactide (PLA). Composites based on PLA with the addition of coconut fibers, wood fibers, flax fibers and corn particles were produced, and their weight friction was 15%. The composites prepared by means of injection molding were subjected to mechanical characteristics (tensile, bending and impact strength). Due to the intended use (elements of small orthoses) of the produced materials, composites were subjected to hydrolytic degradation in physiological saline solution at 38°C. The test results showed that the addition of natural fillers will positively affect the stiffness of the produced composites, with a slight decrease in tensile strength. The highest values were obtained for composites with the addition of wood fibers, where the improvement of Young’s modulus was approx. 50%, while the decrease in tensile strength was only 8% compare to unmodified PLA. Additionally, a decrease in mechanical properties was observed after 42 days of incubation in water. The lowest decrease in the properties obtained during the flexural tests was characteristic of unmodified PLA, while the highest decrease was observed in composites with bamboo fiber. The research objective constructed in this way confirms the validity of the using biobased fillers. The produced composites not only have high mechanical properties, but are also an excellent alternative to petrochemical polymer composites, the recycling of which is burdensome for the human natural environment.

PL

Podjęto próbę modyfikacji kompostowalnych kompozytów polimerowych na osnowie polilaktydu (PLA). Wytworzone zostały kompozyty na bazie PLA z dodatkiem włókien kokosowych, mączki drzewnej, włókien lnianych oraz cząstek kukurydzy, a ich udział wagowy wynosił 15%. Tak przygotowane kompozyty za pomocą formowania wtryskowego zostały poddane charakterystyce mechanicznej (rozciąganie, zginanie oraz udarność). Ze względu na przewidziane zastosowanie (elementy małych ortez) wytworzonych materiałów zostały one poddane hydrolitycznej degradacji w roztworze soli fizjologicznej w temperaturze 38°C. Wyniki badań pokazały, że dodatek naturalnych napełniaczy pozytywnie wpłynął na sztywność wytworzonych kompozytów, przy równoczesnym nieznacznym spadku wytrzymałości na rozciąganie. Najwyższe wartości uzyskano dla kompozytów z dodatkiem mączki drzewnej, gdzie poprawa modułu Younga wynosiła ok. 50%, a spadek wytrzymałości na rozciąganie wynosił tylko 8% w porównaniu z niemodyfikowanym PLA. Dodatkowo zaobserwowano pogorszenie właściwości mechanicznych po 42 dniach inkubacji w wodzie. Najmniejsze różnice we właściwościach otrzymanych podczas próby zginania zaobserwowano dla niemodyfikowanego PLA, a największe dla kompozytów z włóknem bambusowym. Tak skonstruowany cel badań potwierdza słuszność stosowania biopochodnych napełniaczy. Wytworzone kompozyty nie tylko posiadają bardzo dobre właściwości mechaniczne, ale również są doskonałą alternatywą dla petrochemicznych kompozytów polimerów, których recykling obciąża naturalne środowisko człowieka.

Słowa kluczowe

EN

coconut fiber; flax fiber; wood fiber; strength properties

PL

włókno kokosowe; włókna lniane; mączka drzewna; właściwości wytrzymałościowe

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 42, nr 2-3
• Strony: 33--38
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Mazur Wiktoria

• Faculty of Mechanical Engineering, Cracow University of Technology, Warszawska 24,31-155 Kraków

autor

Mazur Kamila E.

• Faculty of Materials Science and Physics, Cracow University of Technology, Warszawska 24, 31-155 Kraków

• https://orcid.org/0000-0003-2562-2773+

autor

Kuciel Stanisław

• Faculty of Materials Science and Physics, Cracow University of Technology, Warszawska 24, 31-155 Kraków

• https://orcid.org/000-0001-9244-7499+

Bibliografia

• [1] Dietrich K., Dumont M.J., Del Rio L.F., Orsat V.: Producing PHAs in the bioeconomy. Towards a sustainable bioplastic. Sustain. Prod. Consum. (2017). https://doi.org/10.1016/j.spc.2016.09.001.
• [2] The World Bank: What a waste. A global review of solid waste management (2012). https://doi.org/10.1111/febs.13058.
• [3] Castro-Aguirre E., Iñiguez-Franco F., Samsudin H., Fang X., Auras R.: Poly(lactic acid). Mass production, processing, industrial applications, and end of life. Adv. Drug Deliv. Rev. 107 (2016) 333–366. https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.03.010.
• [4] Lanzotti A., Grasso M., Staiano G., Martorelli M.: The impact of process parameters on mechanical properties of parts fabricated in PLA with an open-source 3-D printer. Rapid Prototyp. J. (2015). https://doi.org/10.1108/RPJ-09-2014-0135.
• [5] Agüero Á., Lascano D., Garcia-Sanoguera D., Fenollar O., Torres- Giner S.: Valorization of linen processing by-products for the development of injection-molded green composite pieces of polylactide with improved performance. Sustain. 12 (2020) 652–676. https://doi.org/10.3390/su12020652.
• [6] Barczewski M., Mysiukiewicz O., Kloziński A.: Complex modification effect of linseed cake as an agricultural waste filler used in high density polyethylene composites. Iran. Polym. J. (English Ed.) 27 (2018) 677–688. https://doi.org/10.1007/s13726-018- 0644-3.
• [7] Bax B., Müssig J.: Impact and tensile properties of PLA/Cordenka and PLA/flax composites. Compos. Sci. Technol. 68 (2008) 1601–1607. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.01.004.
• [8] Wang F., Yang M., Zhou S., Ran S., Zhang J.: Effect of fiber volume fraction on the thermal and mechanical behavior of polylactide- -based composites incorporating bamboo fibers. J. Appl. Polym. Sci. 135 (2018) 46148. https://doi.org/10.1002/app.46148.
• [9] Yeo J.C.C., Muiruri J.K., Tan B.H., Thitsartarn W., Kong J., Zhang X., Li Z., He C.: Biodegradable PHB-rubber copolymer toughened PLA green composites with ultrahigh extensibility. ACS Sustain. Chem. Eng. 6 (2018) 15517–15527. https://doi. org/10.1021/acssuschemeng.8b03978.
• [10] Ludueña L., Vázquez A., Alvarez V.: Effect of lignocellulosic filler type and content on the behavior of polycaprolactone based eco- -composites for packaging applications. Carbohydr. Polym. 87 (2012) 411–421. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2011.07.064.
• [11] Yan L., Chouw N., Jayaraman K.: Flax fibre and its composites. A review. Compos. Part B Eng. 56 (2014) 296–317. https://doi. org/10.1016/j.compositesb.2013.08.014.
• [12] Bledzki A.K., Faruk O.: Injection moulded microcellular wood fibre-polypropylene composites. Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 37 (2006) 1358–1367. https://doi.org/10.1016/j.compositesa. 2005.08.010.
• [13] Gunning M.A., Geever L.M., Killion J.A., Lyons J.G., Higginbotham C.L.: Mechanical and biodegradation performance of short natural fibre polyhydroxybutyrate composites. Polym. Test. (2013). https://doi.org/10.1016/j.polymertesting. 2013.10.011.
• [14] Wu C.S., Liao H.T.: The mechanical properties, biocompatibility and biodegradability of chestnut shell fibre and polyhydroxyalkanoate composites. Polym. Degrad. Stab. 99 (2014) 274–282. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2013.10.019.
• [15] Kuciel S., Mazur K., Hebda M.: The influence of wood and basalt fibres on mechanical, thermal and hydrothermal properties of PLA composites. J. Polym. Environ. (2020). https://doi. org/10.1007/s10924-020-01677-z.
• [16] Mazur K., Kuciel S.: Biodegradable composites based on polylactide reinforced with basalt and wood fibres. In 1st Conferences of Materilas Design and Applications (2018).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).