Nanocellulose-polypropylene composites

Abstract

Malzeme seçimi günlük yaşantımımızda önemli bir role sahip olmasının yanısıra mühendislik uygulamalarda ve tasarımlarda ürün sürdürülebilirliği açısından da önemlidir. Özellikle, çevre dostu malzemelerin önemi günümüzde artmaktadır. Bu bağlamda, endüstriyel uygulama alanları ve eşsiz özelliklerinden ötürü doğal elyaf takviyeli kompozit malzemelerin önemi artmaktadır. Doğal elyafların kullanılabilirlik, yenilenebilirlik, düşük yoğunluk ve fiyata sahip olma gibi özelliklerinin yanı sıra tatmin edici mekanik özellikleri onları kompozit üretiminde kullanılan cam, karbon ve diğer insan yapımı elyafların çekici bir alternatifi yapmaktadır.Bu çalışmada, nanoselüloz polipropilen kompozitleri çift vidalı ekstrüzyon tekniği ile birleştirme maddesi kullanılarak ve kullanılmadan üretilmiştir. Bu çalışma üç bölümden oluşmaktadır. İlk ve en kapsamlı bölümünde, ağırlıkça % 2 nanocellulose içeren nanocellulose-polipropilen kompozit üretilmiştir. İkinci bölümde, nanoselüloz-polipropilen kompozit iki farklı birleştirme maddesi ile takviye edilmiştir. Son bölümde, kompozit malzemeler mekanik, termal, spektroskopik ve morfolojik özellikleri bakımından karakterize edilmiştir. Kompozitlerin spektroskopik karakterizasyonu nanoselüloz ve polipropilenin arayüz etkileşimini göstermek için gerçekleştirilmiştir. Bundan başka, kompozitlerin termal davranışları ve hidrofobikliği, sırasıyla, termogravimetrik analiz tekniği ve temas açısı ölçümleri ile incelenmiştir. Kompozit morfolojisi taramalı elektron mikroskobu aracılığıyla araştırılmıştır. Son olarak, çekme testi ve dinamik mekanik analiz malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla yapılmıştır.Sonuçlar, saf polipropilen ile karşılaştırıldığında birleştirme maddesi içeren nanoselüloz ve polipropilenin kompozitinin mekanik dayanımının %38 ve elastik modül değerinin %87 oranında arttığını göstermiştir. Ayrıca, kompozitin termal kararlılığında önemli bir değişiklik olmamıştır fakat bağlama maddelerinin eklenmesi ile az miktarda artış göstermiştir. Kompozit örneklerin spektroskopik karakterizasyonlarına göre, matris ve takviye fazı arasındaki etkileşim bağlama maddesinin eklenmesi ile geliştirilmiştir. Sonuç olarak, nanoselüloz-polipropilen kompozitleri ile gerçekleştirilen bu kapsamlı çalışmada kompozit numunenin özelliklerinin bağlama maddesinin eklenmesi ile geliştirilmiştir olduğu gözlemlenmiştir.

Material selection plays critical role not only for human life but also for engineering design of a successful sustainable product. Especially, importance of eco-friendly materials increases nowadays. In this regard, the importance of natural fiber reinforced composites is growing rapidly both in terms of their industrial application areas and unique properties. Natural fibers availability, renewability, low density and price as well as satisfactory mechanical properties make them an attractive ecological alternative to glass, carbon and other man-made fibers used for the manufacturing of compositesIn this study, nanocellulose–polypropylene composites were manufactured via twin-screw extrusion technique with and without coupling agents. This study has three parts.In the first and most comprehensive part, nanocellulose–polypropylene composite containing 2wt % nanocellulose was manufactured. In the second part, nanocellulose–polypropylene composite was reinforced with the two different coupling agents such as MAPP and Fusabond. In the last step, composite materials were characterized in terms of their mechanical, thermal, spectroscopic, and morphological properties. The spectroscopic characterizations of the composites were performed to confirm the interfacial adhesion of polypropylene and nanocellulose. Furthermore, thermal behaviors and hydrophobicity of composites were studied by thermogravimetric analysis technique and contact angle measurements, respectively. The morphology of the composite was investigated via scanning electron microscopy (SEM). Finally, tensile test and dynamic mechanic analysis were conducted to determine the mechanical properties of materials.The results showed a 38% increase in the tensile strength and showed an 87% increase in the Young's Modulus of nanocellulose–polypropylene composite containing coupling agent compared to that of neat polypropylene. Furthermore, the thermal stability of composite samples did not change much but slightly increase with addition of coupling agents. According to spectroscopic characterizations of the composite samples, the interfacial interaction between matrix and reinforcement phase was improved with addition of coupling agent. To conclude this comprehensive work on nanocellulose–polypropylene composites, it was observed that the properties of composite sample were improved with addition of coupling agent.