Effect of jute fibre structure change on interaction with liquid polymer resin

• Autorzy: Bogdan A. , Wieczorek J. , Myalski J. , Koziol M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ zmian struktury juty na oddziaływanie z ciekłą osnową polimerową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Aspiration to reduce product mass while maintaining good mechanical properties contributes to intensive development of composite materials. The main limitations in using of them are: the high cost of components and poor possibilities of recycling. The alternative for expensive mineral and organic fibres (glass, carbon, polyaramides) applied as reinforcements in composites may be plant-originated natural fibres. They come from renewable sources, have low mass density, low price and relatively high specific strength and stiffness. Composites containing natural fibres are easy to utilize in thermic recycling and - when using special sorts of resins - they may be biodegradable. The problem of composite material processing with the use of thermoset resins is to obtain good coupling between the natural fibres and liquid resin. It is one of major obstacles to applying natural fibres as composite material reinforcements. Improvement in the technological properties of natural fibres is possible to obtain by means of physical or chemical treatment of their surface. The paper presents the analysis of structural changes occuring within jute fabric after chemical treatment and the influence of the changes on fibre interaction with the liquid matrix resin. Investigations of the structural changes of treated jute yarn were conducted by the FTIR method with the use of a Bro-RAT FTS 60V spectrometer in the range of middle infrared. Preparations were made by the tablet technique with the use of potassium bromide (KBr) as a support. The following treatments of jute fabric were applied within the study: NaOH 1, 3, 5, 15% water solutions, methanol and vinylsilane. The yarn was exposed to the effect of the substances in various time periods - 0.5 to 6 hours. It was found that partial removal of hemicellulose from the fibres surface and near-surface areas due to treatment results in an increase of cellulose areal fraction giving an increase of polarity. It contributes to improvement in fibre wetting with liquid polyester resin. The hemicellulose contents on the yarn surface is a significant parameter deciding wetting conditions. FTIR spectral analysis of fabric treated with organic substances (methanol, vinylsilane) showed that improvement in wetting by polyester resin took place as a result of adsorption of chemical groups acting as adhesion promoters. For instance, after treatment with silane, Si-OH bonds (1915 cm-1 peak) were detected which do not occur in untreated jute structures.

PL

Dążenie do obniżenia masy wyrobu, przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości mechanicznych, przyczynia się do intensywnego rozwoju materiałów kompozytowych. Głównymi ograniczeniami stosowania materiałów kompozytowych są: wysoki koszt komponentów oraz ograniczone możliwości recyklingu zużytych wyrobów. Alternatywą dla drogich włókien mineralnych i organicznych (szkło, węgiel, poliaramidy) stosowanych jako wzmocnienie w kompozytach mogą być włókna naturalne pochodzenia roślinnego. Cechują się one pochodzeniem z odnawialnego źródła, małą gęstością, niską ceną oraz stosunkowo dużą wytrzymałością i sztywnością właściwą. Kompozyty z ich zawartością są łatwe do utylizacji termicznej, a w sprzyjających okolicznościach (zastosowanie odpowiednich żywic) wykazują biodegradowalność. Problemem związanym z wytwarzaniem kompozytów na osnowach chemoutwardzalnych jest uzyskanie dobrego połączenia pomiędzy włóknami naturalnymi a ciekłą żywicą w procesie wytwórczym, co jest jedną z podstawowych przeszkód stosowania tych włókien jako wzmocnień. Poprawę tych własności można uzyskać na drodze obróbki powierzchni włókien metodami fizycznymi bądź chemicznymi. Praca dotyczy analizy zmian zachodzących w tkaninie juty pod wpływem obróbki chemicznej oraz ich wpływu na procesy oddziaływania z ciekłą osnową. Badania zmian struktury chemicznej przędzy juty, pod wpływem zastosowanej obróbki, wykonano metodą FTIR na spektrometrze firmy Bro-RAT typ FTS 60V, działającym w zakresie środkowej podczerwieni. Preparaty do badań sporządzono techniką pastylkową z bromkiem potasu (KBr) jako nośnikiem. W badaniach zastosowano obróbkę chemiczną włókien wodnymi roztworami NaOH o stężeniach 1, 3, 5 i 15% oraz środkami powierzchniowo czynnymi, tj. metanolem oraz winylosilanem. Włókna poddano oddziaływaniu w poszczególnych roztworach wodnych NaOH przez czas od 0,5 do 6 h. Stwierdzono, że częściowe usunięcie hemicelulozy z powierzchni i obszaru przypowierzchniowego pod wpływem obróbki skutkuje zwiększeniem udziału celulozy na powierzchni włókna, powodując tym samym wzrost jej polarności, co przyczynia się do poprawy zwilżalności tkanin żywicą poliestrową. Zawartość hemicelulozy na powierzchni włókien juty jest zatem istotnym parametrem, decydującym o warunkach ich zwilżania. Analiza widm podczerwieni uzyskanych dla tkanin modyfikowanych związkami organicznymi wykazała, że wzrost zwilżalności przez żywicę poliestrowa nastąpił wskutek adsorpcji w obszarze przypowierzchniowym włókien aktywnych grup chemicznych, działających jako promotory adhezji. Przykładowo, dla tkanin po obróbce silanem wykryto w strukturze wiązania Si-OH (pik 1915 cm-1), które nie występują w strukturze juty w stanie surowym.

Słowa kluczowe

EN

natural fibres; chemical treatment; polymer matrix composites; FTIR method

PL

włókna naturalne; obróbka chemiczna; kompozyty z osnową polimerową; metoda FTIR

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 3
• Strony: 240--246
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bogdan A.

autor

Wieczorek J.

autor

Myalski J.

autor

Koziol M.

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering and Metallurgy, ul. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice,

Bibliografia

• [1] Biswas S., Mittal A., Srikanth G., Composites a vision for the Future, baza publikacji TIFAC 2009.
• [2] Lee, Stuart M., Handbook of Composite Reinforcement, John Wiley & Sons Retrived, 1993.
• [3] Błędzki A.K., Gassan J., Composites reinforced with cellulose based fibers, Prog. Polym. Sci. 1999, 24, 221-274.
• [4] Ashorti A., Wood - plastic composites as promising green - composites for automotive industries, Bioresource Technology 2008, 99, 4661-4667.
• [5] Baksi S., Srikanth G., Babu M.S., Biswas S., Natural Fiber Composites as Building Materials, baza publikacji TIFAC 2009.
• [6] Cherif C., Błędzki A., Mader A., Investigation of jute fibers and their composites based on polypropylene and epoxy matrices, Kassel 2006.
• [7] Gassan J., Gutowski V.S., Błędzki A.K., Abort the surface characteristic of natural fibers, Macromolecular Material Engeenering 2000, 283, 132-139.
• [8] Manzoor - i - Khuda M., Islam A., Chemical constitutes of jute corchorus, capsularis and corchorus oliforius, J. Sci. Ind. Res. 1970, 13, 363.
• [9] Bos H.L., Donald A. M., IN situ ESEM study of the deformation of elementary flax fibers, Journal of Material Science 1999, 34, 3029-3034.
• [10] Błędzki A.K., Reihmane S., Gassan J., Properties and modification methods for vegetable fibres for natural fibers composites, Journal of Applied Polymer Science 1996, 59, 1329-1336.
• [11] Cao Y., Shibata S., Fukumoto I., Mechanical properties of biodegradable composites reinforced with bagasse fibre before and after alkali treatments, Composites: Part A 2006, 37, 423-429.
• [12] Le Troedec M., Sedan D., Peyratout C., Bonnet J.P., Smith A., Guinebretiere R., Gloaguen V., Krausz P., Influence of various chemical treatments on the composition and structure of hemp fibres, Composites: Part A 2008, 39, 514-522.
• [13] Sydenstricker T.H.D., Mochnaz S., Amico S.C., Pull-out and other evaluations in sisal-reinforced polyester biocomposites, Polymer Testing 2003, 22, 375-380.
• [14] Gassan J., Bledzki A., Possibilities for improving the mechanical properties of jute/epoxy composites by alkali treatment of fibres, Composites Science and Technology 1999, 59, 1303-1309.
• [15] Rout J., Misra M., Tripathy S.S., Nayak S.K., Mohanty A.K., The influence of fibre treatment on the performance of coir-polyester composites, Composites Science and Technology 2001, 61, 1303-1310.
• [16] Jandura P., Riedl B., Kokta B. V., Thermal degradation behavior of cellulose Fibers partially esterified with some long chain organic acids, Polymer Degradation and Stability 2000, 70, 387-394.
• [17] Bessadok A., Marais S., Gouanve F, Colasse L., Zimmerlin I., Roudesli S., Metayer M., Effect of chemical treatments of Alfa (Stipa tenacissima) fibres on water-sorption properties, Composites Science and Technology 2007, 67, 685-697.
• [18] Canche-Escamilla G., Cauich-Cupul J. I., Mendizabal E., Puig J.E., Vazquez-Torres H., Herrera-Franco P.J., Mechanical properties of acrylate-grafted henequen cellulose fibers and their application in composites, Composites: Part A 1999, 30, 349-359.
• [19] Zafeiropoulos N.E., Williams D.R., Baillie C.A., Matthews F.L., Engineering and characterisation of the interface in flax fibre/polypropylene composite materials. Part I. Development and investigation of surface treatments, Composites: Part A 2002, 33, 1083-1093.
• [20] Zafeiropoulos N.E., Baillie C.A., Hodgkinson J.M., Engineering and characterisation of the interface in flax fibre/polypropylene composite materials. Part II. The effect of surface treatments on the interface, Composites: Part A 2002, 33, 1185-1190.
• [21] Van de Weyenberg I., Ivens J., De Coster A., Kinob B., Baetens E., Verpoest I., Influence of processing and chemical treatment of flax fibres on their composites, Composites Science and Technology 2003, 63, 1241-1246.
• [22] Topalovic T., Nierstrasz V.A., Bautista L., Jocic D., Navarro A., Warmoeskerken M.M.C.G., XPS and contact angle study of cotton surface oxidation by catalytic bleaching, Colloids and Surfaces A 2007, 296, 76-85.
• [23] Mansikkamaki P., Lahtinen M., Rissanen K., The conversion from cellulose I to cellulose II in NaOH mercerization performed in alcohol-water systems: An X-ray powder diffraction study, Carbohydrate Polymers 2007, 68, 35-43.
• [24] Qin C., Soykeabkaew N., Xiuyuan N., Peijs T., The effect of fibre volume fraction and mercerization on the properties of all-cellulose composites, Carbohydrate Polymers 2008, 71, 458-467.
• [25] Xie K., Hou A., Sun Y., Chemical and morphological structures of modified novel cellulose with triazine derivatives containing cationic and anionic groups, Carbohydrate Polymers 2007, 70, 285-290.
• [26] Stuart T., Liu Q., Hughes M., McCall R.D., Sharma H.S.S., Norton A., Structural biocomposites from flax-Part I: Effect of bio-technical fibre modification on composite properties, Composites: Part A 2006, 37, 393-404.
• [27] Abdelmouleh M., Boufi S., Belgacem M.N., Duarte A.P., Ben Salah A., Gandini A., Modification of cellulosic fibres with functionalised silanes: development of surface properties, International Journal of Adhesion & Adhesives 2004, 24, 43-54.
• [28] Liu L., Yu J., Cheng L., Yang X., Biodegradability of poly(butylene succinate) (PBS) composite with jute fiber, Polymer Degradation and Stability 2009, 94, 90-94.
• [29] Mohanty A.K., Khan M.A., Hinrichsen G., Surface modification jute and its influence on performance of biodegradable jute - fabric / Biopol composites, Composites Science and Technology 2000, 60, 1115-1124.
• [30] Oczos K.E., Liubimov V., Struktura geometryczna powierzchni, Wydawnictwo Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2003.
• [31] Garside P., Wyeth P., Identification of cellulosic fibers by FTIR spectroscopy I: thread and single fibre analysis by attenuated total reflectance, Studies in Conservation 2003, 48(4), 269-275.
• [32] Samanta A.S., Single D., Basu G., Biswas S.K., Thermal behavior and structural features of chemically and biochemically modified jute substrate, Indian Journal of Fiber and Textile Research 2007, 32, 355-365.
• [33] Bogdan-Włodek A., Wieczorek J., Wpływ obróbki chemicznej włókien juty na ich zwilżalność, Kompozyty (Composites) 2010, 2(10), 115-120.