Environmentally-friendly, high strength lignin filled polypropylene composites

Abstract

Gelişmekte olan bir alan olarak doğal elyaf katkılı kompozit malzemeler, literatürde yaygın olarak çalışılmaktadır. Lignin hem doğal bir dolgu malzemesi hem de biyoetanol ve kâğıt endüstrilerinin atığıdır. Lignin, katma değerli ürünler yaratmak için son yirmi yıldır çalışılmakta olan bir takviye malzemesidir. Bu çalışmada, doğal elyaf olarak Soda lignin kullanılmıştır. Soda lignin yapısal olarak sülfür içermeyen ve diğer lignin tiplerine kıyasla ligninin doğal yapısına en yakın olanıdır. Lignin dolgulu/takviyeli kompozitler literatürde farklı matris malzemeleri ve lignin tipleri kullanılarak; karıştırma, tek vidalı eriyik harmanlama, çift vidalı eriyik harmanlama veya çözeltide harmanlama ile üretilmiştir. Yapılan çalışmaların sadece üçünde çift vidalı harmanlama yöntemi kullanılarak lignin katkılı kompozit üretildiği görülmüştür. Bu üç çalışma içerisinde sadece bir çalışmada Polipropilen matris malzemesi olarak kullanılmış ve bir diğer çalışmada da kompozitlerin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla birleştirici ajan kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar incelendiğinde lignin katkılı polimer kompozit malzeme üretiminde matris malzemesinin polipropilen olup üretim yöntemi olarakda çift vidalı extrüder kullanılan yalnızca bir çalışma bulunmaktadır. Bu durum konunun hali hazırda çalışılan güncel ve gelişmeye açık olduğunun göstergesidir.Bu çalışmada, PP-lignin kompozitleri çift vidalı ekstrüder ile üretilmiştir. Polipropilen matrisden daha hidrofilik olan lignin birleşiminin yarattığı arayüzey uyumsuzluğundan dolayı birleştirici ajan kullanılmasına ihtiyaç duyulmuştur. Bundan dolayı farklı birleştirici ajanın etkisini incelemek amacı ile kütlece 10% lignin katkılı kompozitler yüzey modifikasyonlu ve modifikasyonsuz olarak çift vidalı ekstruder kullanılarak üretilmiştir. POSS (oligomerik yüzlü silseskioksan) ve ticari bir birleştirme ajanı olan FUSABOND® E265 kullanılarak 0.1%, 0.3% ve 0.5%'lik konsantrasyonlarda birleştirici ajan kullanılmıştır. Yapısal özellikleri görmek amacıyla kompozit malzemelere Fourier Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) analizi yapılmıştır. Termal kararlılık ısıl kütle kaybı analizi (TGA) yardımı ile belirlenmiştir. Mekanik özellikler çekme testi ve üç nokta eğme ile değerlendirilmiştir. Termomekanik özellikler dinamik mekanik analiz (DMA) kullanılarak karakterize edilmiştir. Taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ile arayüz morfolojisi gözlenmiştir.Sonuçlar kompozitlerdeki FUSE ve POSS'un optimum miktarının lignin ve polimer arasında en iyi etkileşim olması için 0.3% olarak seçilebileceğini göstermiştir. DMA sonuçları kompozitlerin deformasyonun sıcaklıkla arttığını göstermektedir. Lignin dolgulu kompozitlerin bağ özellikleri, katkısız kopolimer. lignin ve bağlayıcı ajanların arasındaki etkileşimlerin FTIR ile analiz edilmesiyle belirlenmiştir. TGA analizlerine göre kompozitlerin bozunan kütlesi, kompozit yapısında FUSE ve POSS bağlayıcı ajanların kullanılmasıyla nispeten azalmıştır. Arayüzey morfolojisi SEM analizi ile incelenmiştir. Lignin boyutlarının homojen olmadığı ve ayrıca üretilen kompozitlerde hava boşlukları bulunduğu ve düzgün lignin dağılımının elde edilemediği görülmüştür. Mekanik test sonuçlarına göre kompozitlerin çekme mukavemeti neredeyse kopolimerin çekme mukavemeti ile aynıdır. Lignin ve birleştirici ajan ilave edilmesi ile daha rijit kompozitler üretilmiştir.

Natural fiber filled/reinforced composite materials are studied in the literature as an emerging area. Lignin is both a natural filling material and a waste material of bioethanol and paper industries. Lignin has been used as a filling/reinforcing material for twenty years in order to create value-added products. In this study soda lignin was used as a natural filler. Soda lignin has no sulphur content structurally and it's the closest to native lignin structure compared to that of the other lignin types.In the literature, lignin filled/reinforced composites with difference matrix materials and lignin types produced by using blending, single screw extrusion, twin-screw extrusion or solvent casting methods. It is seen that there are only three studies about lignin filled/reinforced composite production made by using twin-screw extruder. Among these three studies, only there is one study used PP as a matrix component and in another study a coupling agent used in order to enhance the mechanical properties of the composites. The studies in the literature were investigated, there is only one study that matrix material used is PP and production method is twin-screw extruder in the production of lignin filled polymer composite. This indicates the subject of the study is up to date and promising.In this study, PP-lignin composites were prepared via twin-screw extruder. Addition of coupling agent was needed because of the interface mismatch created by the combination of lignin which has more hydrophilic than polypropylene matrix. Therefore, 10 wt. % lignin reinforced polypropylene composites with and without coupling agents was produced by using twin-screw extruder in order to investigate the effect of coupling agent in this study. Coupling agent was used with the concentrations of 0.1%, 0.3% and 0.5% by using POSS (Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane) and a commercial coupling agent FUSABOND®E265. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) was used to observe interaction between the components. Thermal stability was measured with the help of thermogravimetric Analysis (TGA). Mechanical properties were evaluated by tensile and 3-point bending tests. Thermomechanical analysis was characterized by using dynamic mechanic analysis (DMA). Morphology of interface was observed by scanning electron microscopy (SEM).The results showed that the optimum amount of FUSE and POSS in composites could be selected as 0.3% for the best interaction with lignin and polymer. DMA results showed that the deformation of composites increases by the temperature increases. The linkages of the lignin filled composites determined by (FTIR) for the interactions of neat copolymer, lignin and coupling agents.According to TGA analysis, the degraded weight of the composites slightly decreased with using FUSE and POSS coupling agents in the composite structure. Morphology of interface was observed by SEM analysis. It is seen that lignin has not homogeneous in size and also, the composites produced has air voids and proper lignin dispersion could not be achieved. According to mechanical testing results, the tensile strength of the composites is almost the same with tensile strength as copolymer. With the addition of lignin and coupling agents, more rigid composites are produced.