Analysis of the Nucleation Activity of Wood Fillers for Green Polymer Composites

Odalanowska, M.; Borysiak, S.

doi:10.5604/01.3001.0011.5741

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Analysis of the Nucleation Activity of Wood Fillers for Green Polymer Composites

Autorzy

Odalanowska M. , Borysiak S.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

10_odalanowska_borysiak_fibres_2018_2.pdf

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0011.5741

Warianty tytułu

Kompozyty polimerowe na bazie surowców odnawialnych: analiza aktywności nukleacyjnej napełniaczy drzewnych

Języki publikacji

Abstrakty

In this work, the surface of pine wood used as a filler in polypropylene/wood composites was successfully modified by the mercerization process. It is a very significant process because it removes low-molecular components, which improves interactions between the filler and matrix and leads to a better dispersion of the filler in the matrix. Unfortunately chemical treatment may affect nucleation of the lignocellulosic filler. On the basis of XRD results, the transformation of native cellulose I to cellulose II was observed. In the present study, the effect of the mercerisation of pine wood on the nucleation ability of polypropylene was investigated by means of polarising microscopy. The results showed that the chemical modification of pine wood had a significant effect on nucleation activity in polymer composites. This effect is explained by differences in the chemical compositions of wood fibres. The content of simple sugars obtained from the methanolysis and acidic hydrolysis of cellulose and hemicellulose was determined through gas chromatography investigations. It was found for the first time that the formation of transcrystalline structures is possible for composites with a high content of glucose derived from cellulose. It is also worth emphasising that the chemical modification process can lead tocellulose depolymerisation processes and the formation of degradation products with a lower molecular weight.Knowledge of the phenomena taking place in the interphase boundary polymer/ filler is very important because it permits optimisation of the processing, leading to products of target properties.

W pracy przeanalizowano kompozyty polipropylenu z drewnem sosnowym, które poddano merceryzacji. Proces ten jest odpowiedzialny za usunięcie związków małocząsteczkowych z powierzchni napełniacza lignocelulozowego, co prowadzi do poprawy oddziaływań i lepszej dyspersji cząstek drewna w matrycy polimerowej. Jednakże, przeprowadzenie modyfikacji chemicznej drewna może wpływać na proces nukleacji i krystalizacji semikrystalicznej matrycy polipropylenowej. Na podstawie badań rentgenowskich stwierdzono transformację polimorficzną celulozy natywnej I do celulozy II. Przeprowadzone badania mikroskopowe w świetle spolaryzowanym wykazały, że transformacja fazowa ma duży wpływ na aktywność nukleacyjną stosowanych napełniaczy. Uzyskane wyniki interpretowano w oparciu o analizę składu chemicznego napełniaczy lignocelulozowych. W tym celu przeprowadzono procesy metanolizy oraz hydrolizy kwasowej, a na podstawie techniki chromatograficznej wyznaczano zawartość cukrów prostych pochodzących od celulozy i hemicelulozy zawartych w napełniaczach sosnowych. Na podstawie tych badań, po raz pierwszy odnotowano, że tworzenie struktur transkrystalicznych jest związane z zawartością glukozy pochodzącej od celulozy zawartej w napełniaczu lignocelulozowym. Ponadto, chemiczna modyfikacja może prowadzić do częściowej depolimeryzacji celulozy i tworzenia związków o mniejszej masie cząsteczkowej. Opisywane zjawiska międzyfazowe w układach kompozytowych są niezwykle istotne w kontekście optymalizacji parametrów technologicznych prowadzących do otrzymywania materiałów o założonych właściwościach.

Słowa kluczowe

wood polymer composites cellulose modification nucleation

kompozyty polimerowe z drewna celuloza modyfikacja zarodkowanie

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny

Czasopismo

Fibres & Textiles in Eastern Europe

Rocznik

2018

Tom

Vol. 26, no. 2 (128)

Strony

66--72

Opis fizyczny

Bibliogr. 37 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Odalanowska M.

Poznan University of Technology, Institute of Chemical Technology and Engineering, 60-965 Poznan, Berdychowo 4, Poland

autor

Borysiak S.

slawomir.borysiak@put.poznan.pl

Poznan University of Technology, Institute of Chemical Technology and Engineering, 60-965 Poznan, Berdychowo 4, Poland

Bibliografia

1. Borysiak S, Doczekalska B. The influence of chemical modification of wood on its nucleation ability in polypropylene composites. Polimery 2009; 54: 820-827.
2. Bhaskar J, Haq S, Pandey AK, Srivastava N. Evaluation of properties of propylenepine wood Plastic composite. J. Mater. Environ. Sci. 2012; 3: 605-612.
3. Sanjay MR, Madhu P, Jawaid M, Senthamaraikannan P, Senthil S, Pradeep S. Characterization and properties of natural fiber polymer composites: A comprehensive review. J. Clean. Prod. 2018; 172: 566-581.
4. Ansari F, Granda LA, Joffe R, Berglund L, Vilaseca F. Experimental evaluation of anisotropy in injection molded polypropylene/wood fiber biocomposites. Compos. Part. A-Appl. S. 2017; 96: 147-154.
5. Borysiak S, Paukszta D, Helwig M. Flammability of woodepolypropylene composites. Polym. Degrad. Stabil. 2006; 91: 3339-3343.
6. Girones J, Vo L, Haudin J, Freire L, Navard P. Crystallization of polypropylene in the presence of biomass-based fillers of different compositions. Polymer 2017; 127:220231.
7. Thakur V, Thakur M. Processing and characterization of natural cellulose fibers/thermoset polymer composites. Carbohyd. Polym. 2014; 109: 102-117.
8. Yáñez-Pacios AJ, Martín-Martínez MJ. Surface modification and improved adhesion of wood-plastic composites (WPCs) made with different polymers by treatment with atmospheric pressure rotating plasma jet. Int. J. Adhes. Adhes. 2017; 77: 204-213.
9. Joffre T, Segerholm K, Perssona C, Bardage S, Luengo Hendriks C, Isaksson P. Characterization of interfacial stress transfer ability inacetylation-treated wood fibre composites using X-ray microtomography. Ind. Crop. Prod. 2017; 95: 43-49.
10. Revol JF, Goring D A I. On the mechanism of the mercerization of cellulose in wood. J. Appl. Polym. Sci. 1981; 26: 1275-1282.
11. Borysiak S. Fundamental Studies on Lignocellulose/Polypropylene Composites: Effects of Wood Treatment on the Transcrystalline Morphology and Mechanical Properties. J. Appl. Polym. Sci. 2013; 127: 1309-1322.
12. Hill C A S. Wood Modification. Chemical, Thermal and Other Processes. Chichester: John Wiley & Sons Ltd; 2006.
13. Burley J, editor. Encyclopedia of forest sciences. Oxford: Elsevier Ltd; 2004.
14. Dányádi L, Janecska T, Szabó Z, Nagy G, Móczó J, Pukánszky B. Wood flour filled PP composites: Compatibilization and adhesion. Compos. Sci. Technol. 2007; 67: 2838-2846.
15. Wang C, Liu CR. Transcrystallization of polypropylene composites: nucleating ability of fibres. Polymer 1999; 40: 289-298.
16. Quan H, Li Z, Yang M, Huang R. On transcrystallinity in semi-crystalline polymer composites. Compos. Sci. Technol. 2005; 65: 999-1021.
17. Huanga J, Xua C, Wu D, Lv Q. Transcrystallization of polypropylene in the presence ofpolyester/cellulose nanocrystal composite fibers. Carbohyd. Polym. 2017; 167: 105114.
18. Wang K, Guo M, Zhao D, Zhang Q, Du R, Fu Q, Dong X, Han C. Facilitating transcrystallization of polypropylene/glass fiber composites by imposed shear during injection molding. Polymer 2006; 47: 8374-8379.
19. Wang C,. Liu CR. Transcrystallization of polypropylene on carbon fibres. Polymer 1997; 38: 4715-4718.
20. Wan Y, An F, Zhou P, Liu Y, Lu C, Chen H. Effect of the polymorphs of cellulose on its pyrolysis kinetic and char yield. J. Anal. Appl. Pyrol. 2017; 127: 223-228.
21. Chen X, Chen J, You T, Wang K, Xu F. Effects of polymorphs on dissolution of cellulose in NaOH/ureaaqueous solution. Carbohydrate Polymers 2015; 125: 85-91.
22. Gupta PK, Uniyal V, Naithani S. Polymorphic transformation of cellulose I to cellulose II by alkali pretreatment and urea as an additive. Carbohyd. Polym. 2013; 94: 843-849.
23. Gray DG. Polypropylene transcrystallization at the surface of cellulose fibers. Polym. Lett. 1974; 12: 509-515.
24. Quillin DT, Caulfield DF, Koutsky JA. Crystallinity in the polypropylene/cellulose system. I. Nucleation and crystalline morphology. J. Appl. Polym. Sci. 1993; 50: 11871194.
25. Felix JM, Gatenholm P. Effect of transcrystalline morphology on interfacial adhesion in cellulose/polypropylene composites. J. Mater. Sci. 1994; 29: 3043-3049.
26. Hindeleh A M, Johnson D J J. The resolution of multipeak data in fibre science. Phys. Appl. Phys. 1971; 4: 259-263.
27. Rabiej S. A comparison of two X-ray diffraction procedures for crystallinity determination. Eur. Polym. J. 1991; 27: 947-954.
28. Oka D, Kobayashi K, Isobe N. et al. Enzymatic hydrolysis of wood with alkaline treatment. J Wood Sci. 2013; 59: 484.
29. Borysiak S. A study of transcrystallinity in polypropylene in the presence of wood irradiated with gamma rays. J. Therm. Anal. Calorim. 2010; 101: 439-445.
30. Borysiak S, Garbarczyk J. Applying the WAXS method to estimate the supermolecular structure of cellulose fibres after mercerization. FIBRES & TEXTILE Eastern Europe 2003; 11, 5(44): 104-106.
31. Dinand E, Vignon M, Chanzy H, Heux L. Mercerization of primary wall cellulose and its implication of cellulose I → cellulose II. Cellulose 2002; 9:7-18.
32. Amash A, Zugenmaier P. Morphology and properties of isotropic and oriented samples of cellulose fibre–polypropylene composites. Polymer 2000; 41: 1589-1596.
33. Lenes M, Gregersen OW. Effect of surface chemistry and topography of sulphite fibres on the transcrystallinity of polypropylene. Cellulose 2006; 13: 345-355.
34. Arbelaiz A, Fernandez B, Ramos JA, Mondragon I. Thermal and crystallization studies of short flax fibre reinforced polypropylene matrix composites: Effect of treatments. Thermochimica Acta 2006; 440: 111-121.
35. Lee BG, Lee S, Via BK. Influence of surface morphology of the kraft pulp fibers on the growth of the transcrystalline layer of polypropylene. J. Appl. Polym. Sci. 2010; 116: 1958-1966.
36. Ishikawa A, Okano T, Sugiyama J. Fine structure and tensile properties of ramie fibres in the crystalline form of cellulose I, II, III and IV. Polimer 1997; 38: 463-468.
37. Wittman JC, Lotz B. Epitaxial crystallization of polymers on organic and polymeric substrates. Prog. Polym. Sci. 1990; 15: 909-948.

Uwagi

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

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-f6ce79f2-bd70-409d-bfb7-807417ae843c