Selected properties of biocomposites on the basis of PHBV with cellulose fillers

• Autorzy: Frącz W. , Janowski G.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2018.38

Warianty tytułu

PL

Wybrane właściwości biokompozytów o osnowie PHBV z napełniaczami celulozowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents selected properties of the developed biocomposites based on PHBV poly (3-hydroxybutyric co-3-hydroxyvaleric acid) biopolymer. The PHBV biopolymer is obtained by the copolymerization of 3-hydroxybutyric acid and 3-hydroxyvaleric acid. The biopolymer used for the tests contained 8% of poly (3-hydroxyvaleric acid). For the preparation of the composite, three types of fillers: wood flour, hemp fiber and flax fiber were used in search for the best possible mechanical properties of composite. During the selection of filler types, the availability and price in the geographical area of Poland as well as mechanical properties were taken into account. Fillers were alkalized and fiber modification parameters were determined. The following mass percentages of fillers in the tests: 15%, 30%, 45%, 50% and various fiber lengths were used. To produce the biocomposites the single- and twin screw extruders made by Zamak Company were used. The initial processing parameters were determined using DSC thermogram analyses. The technological parameters depended on the type of filler and its percentage content. The best mechanical properties, compared to generally available polymers like PP, PE, PVC or PS were obtained for the composite with hemp fiber. The developed composite is completely biodegradable. Better mechanical properties of produced composite in relation to e.g. PE or PP allow using it for the production of parts that are used in various branches of the economy.

PL

W pracy przedstawiono wybrane właściwości wytworzonego biokompozytu w osnowie biopolimeru PHBV – poli(kwas 3-hydroksymasłowy-co-3-hydroksywalerianowy), który otrzymuje się przez kopolimeryzację poli(kwasu 3-hydroksymasłowego) i poli(kwasu 3-hydroksywa-lerianowego). Biopolimer stosowany w badaniach zawierał 8% poli(kwasu 3-hydroksywa-lerianowego). Do wytworzenia kompozytów użyto trzech rodzajów napełniaczy w formie włókien: drzewnych, lnianych i konopnych w celu otrzymania najlepszych właściwości mechanicznych kompozytu. Podczas doboru rodzajów napełniaczy uwzględniono dostępność i koszt w obszarze geograficznym Polski, a także właściwości mechaniczne. Napełniacze poddano zabiegowi merceryzacji oraz określono parametry modyfikacji włókien. W badaniach stosowano następujące zawartości masowe napełniaczy: 15%, 30%, 45%, 50% oraz różne długości włókien. Do produkcji biokompozytów wykorzystano wytłaczarkę jedno- i dwuślimakową firmy Zamak. Początkowe parametry przetwarzania zostały określone za pomocą analizy DSC. Parametry technologiczne dobrano w zależności od rodzaju napełniacza i jego zawartości procentowej. Najlepsze właściwości mechaniczne w porównaniu z ogólnie dostępnymi polimerami, takimi jak PP, PE, PVC lub PS, otrzymano dla kompozytu z włóknem konopnym. Opracowany kompozyt jest całkowicie biodegradowalny. Lepsze właściwości mechaniczne wytwarzanego kompozytu w stosunku do np. PE lub PP pozwalają na wykorzystanie go do produkcji wyrobów znajdujących zastosowanie w różnych obszarach gospodarki.

Słowa kluczowe

EN

PHBV; natural fibers; composites; biopolymers; injection moulding

PL

PHBV; włókna naturalne; kompozyty; biopolimery; formowanie wtryskowe

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Mechanika
• Rocznik: 2018
• Tom: z. 90 [298], nr 4
• Strony: 441--452
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Frącz W.

• Rzeszow University of Technology, 8 Powstańców Warszawy Ave., 35-959 Rzeszów

autor

Janowski G.

• Rzeszow University of Technology

Bibliografia

• [1] Malinowski R.: Biotworzywa jako nowe materiały przyjazne środowisku naturalnemu, Inżynieria Ochrona Środowiska, 18 (2015) 215-231.
• [2] Report: BIOPLASTICS facts and figures 2017. http://docs.european bioplastics.org/publications/EUBP_Facts_and_figures.pdf (access: 30.04.2018 r.).
• [3] Serafim L.S., Lemos P.C., Albuquerque M.G., Reis M.A.: Strategies for PHA production by mixed cultures and renewable waste materials, Appl. Microbiology Biotechnology, 81 (2008) 615-628.
• [4] Alper R., Lundgren D.G., Marchessault R.H., Cote W.A.: Properties of poly--hydroxybutyrate. I. General considerations concerning the naturally occurring polymer, Biopolymers, 1 (1963) 545-556.
• [5] Hobbs J.K., McMaster T.J., Miles M.J., Barham P.J.: Direct observations of the growth of spherulites of poly (hydroxybutyrate-co-valerate) using atomic force microscopy, Polymer, 39 (1998) 2437-2446.
• [6] Bassett D.C.: Developments in Crystalline Polymers, Elsevier, Londyn 1988.
• [7] Barham P.J., Barker P., Organ S.J.: Physical properties of poly (hydroxybutyrate) and copolymers of hydroxybutyrate and hydroxyvalerate, FEMS Microbiology Reviews, 9 (1992) 289-298.
• [8] Zinn M., Hany R.: Tailored material properties of polyhydroxyalkanoates through biosynthesis and chemical modification, Adv. Eng. Mater., 7 (2005) 408-411.
• [9] Fei B., Chen C., Wu H., Peng S., Wang X., Dong L., Xin J.H.: Modified poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) using hydrogen bonding monomers, Polymer, 45 (2004) 6275-6284.
• [10] Scott G.: Green’polymers. Polymer degradation and stability, 68 (2000), 1-7.
• [11] Chiellini E., Solaro R.: Biodegradable polymeric materials, Adv. Mater., 8 (1996) 305-313.
• [12] Vogel R., Tändler B., Voigt D., Jehnichen D., Häußler L., Peitzsch L., Brünig H.: Melt spinning of bacterial aliphatic polyester using reactive extrusion for improvement of crystallization, Macromolecular Bioscience, 7 (2007) 820-828.
• [13] Arakawa K., Yokohara T., Yamaguchi M.: Enhancement of melt elasticity for poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) by addition of weak gel, J. Appl. Polymer Sci., 107 (2008) 1320-1324.
• [14] Blackburn R.S.: Biodegradable and Sustainable Fibres, 1st edition, Woodhead Publishing Limited Cambridge 2005.
• [15] Vogel R., Tändler B., Häussler L., Jehnichen D., Brünig H.: Melt Spinning of Poly (3-hydroxybutyrate) fibers for tissue engineering using a-cyclodextrin/polymer inclusion complexes as the nucleation agent, Macromolecular Bioscience, 6 (2006) 730-736.
• [16] Błędzki A.K., Jaszkiewicz A.: Mechanical performance of biocomposites based on PLA and PHBV reinforced with natural fibres – A comparative study to PP, Composites Sci. Technol., 70 (2010) 1687-1696.
• [17] Chen G.X., Hao G.J., Guo, T.Y., Song M.D., Zhang B.H.: Structure and mechanical properties of poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV)/clay nanocomposites, J. Mater. Sci. Letters, 21 (2002) 1587-1589.
• [18] Mohanty A.K., Khan M.A., Sahoo S., Hinrichsen G.: Effect of chemical modification on the performance of biodegradable jute yarn-Biopol® composites, J. Mater. Sci., 35 (2000) 2589-2595.
• [19] Lee B.H., Kim H.J., Yu W.R.: Fabrication of long and discontinuous natural fiber reinforced polypropylene biocomposites and their mechanical properties, Fibers Polymers, 10 (2009) 83-90.
• [20] Li X., Tabil L.G., Panigrahi S.: Chemical treatments of natural fiber for use in natural fiber-reinforced composites, J. Polymers Environment, 15 (2007) 25-33.
• [21] Mehta G., Mohanty A.K., Thayer K., Misra M., Drzal L.T.: Novel biocomposites sheet molding compounds for low cost housing panel applications, J. Polymers Environment, 13 (2005) 169-175.
• [22] Mohanty A.K., Misra M., Drzal L.T.: Sustainable bio-composites from renewable resources: opportunities and challenges in the green materials world, J. Polymers Environment, 10 (2002) 19-26.
• [23] Mohanty A.K., Misra M.A., Hinrichsen G.: Biofibres, biodegradable polymers and biocomposites: an overview, Macromolecular Mater. Eng., 276 (2000) 1-24.
• [24] Bos H.L., Van Den Oever M.J.A., Peters O.C.J.J.: Tensile and compressive properties of flax fibres for natural fibre reinforced composites, J. Mater. Sci., 37 (2002) 1683-1692.
• [25] Pickering K.L., Beckermann G.W., Alam S.N., Foreman N.J.: Optimizing industrial hemp fibre for composites, Composites Part A: Appl. Sci. Manuf., 38 (2007) 461-468.
• [26] Charlet K., Baley C., Morvan C., Jernot J. P., Gomina M., Bréard J.: Characteristics of Hermès flax fibres as a function of their location in the stem and properties of the derived unidirectional composites, Composites Part A: Appl. Sci. Manuf., 38 (2007) 1912-1921.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).