Preparation and characterization of polypropylene cellulose composites

Abstract

oz Geçtiğimiz yıllarda termoplastik kompozitleri güçlendirmek amacıyla cam elyafı yerine doğal fiberlerin kullanımı konusu önem kazanmıştır. Bu çalışma da selüloz, talaş ve buğday sapı olmak üzere üç çeşit doğal fiberin polipropilen matrisi güçlendirmek amacıyla kullanımını içermektedir. Doğal fiberler içeren polipropilen (PP) kompozitlerinin hazırlanmasında en büyük problem olan ve hidrofilik yapıdaki doğal fiberlerin hidrofobik PP matrisle uyumsuzluğundan kaynaklanan bağlanma güçlüğünü gidermek için üç çeşit bağlayıcı kullanıldı. Bağlayıcılar fiber ile matris arayüzeyinde fiziksel ve kimyasal bağlar oluşturarak iki yüzey arasındaki yapışmayı güçlendirmektedir. Bunu sağlamak amacıyla doğal fiberler iki tür silan ve maleik anhidrid kaplanmış polipropilen (MAPP) ile yüzey işlemlerine tabi tutuldu. Silan bağlayıcı olarak kullanılan (3-aminopropil)-trietoksisilan (AS) ve metoksipropil trimetoksi silan (MS), fiber ağırlığına göre 0.5, 1 ve 2.5 % oranlarında fiberlerle karıştırılarak sulu alkol çözeltisi içinde reaksiyona sokuldu. MAPP ise doğal fiberlerin PP eriyiğine karıştırılması işlemi sırasında PP ağırlığına göre 2.5, 5 ve 10% oranlarında eklenerek kullanıldı. PP/fiber kompozitler iki rotorlu bir karıştırıcı ünitesi bulunan, karıştırma hızı, karıştırma zamanı ve sıcaklığı ayarlanabilir bir reomikserde hazırlandı. Kompozitlerin hazırlanmasında sıcaklık 185 °C, karıştırma hızı ve zamanı ise 50 rpm ve 10 dakika olmak üzere sabit tutuldu. Karıştırma işlemi sırasında uygulanan formülasyonlarm tork değerleri zamana karşı kaydedildi ve böylece örneklerin reolojik özelliklerindeki değişimler belirlendi. Bağlayıcı kullanıldığında PP/ fiber kompozitlerin mekanik özelliklerinin iyileştiği ve en etkili bağlayıcının MAPP olduğu görüldü. Selüloz ve buğday sapıyla karşılaştırıldığında talaşla hazırlanan örneklerin daha iyi mekanik özelliklere sahip olduğu gözlendi. Arayüzey etkileşimleri Pukanski ve Nielsen modellerine göre değerlendirildi ve MAPP'nin gösterdiği üstün performans bu modellerle de doğrulandı. Bağlayıcılar için ideal ağırlık oranları silan için 1 % ve MAPP için 5 % olarak belirlendi. Örnek kompozitlerin su çekişinin ve boşluk oranlarının bağlayıcı kullanıldığında azaldığı ve mekanik testlerde olduğu gibi su çekişi ve boşluk oranı bakımından da en iyi sonuçların MAPP ile alındığı gözlendi. Fiber ve matris arasındaki yapışma özellikleri üzerinde bağlayıcıların etkisi ve kompozitlerin kırılma modu SEM görüntüleriyle vıdesteklendi. FTIR analizi sonuçlan doğrultusunda silan uygulamasıyla fiberlerin hidrofobik özelliklerinin azaldığı ve MAPP katkısıyla gerçekleşen yeni bağ oluşumları bulgulandı. vıı

ABSTRACT In recent years, much effort has been driven to replace glass fibers, which were used to reinforce thermoplastic composites, with natural fibers. In this study, three natural fibers, namely cellulose (CE), sawdust (SD) and wheat straw (WS) were employed as reinforcement to polypropylene (PP) polymer matrix. The most important problem encountered with natural fiber/PP composites is the inherent incompatibility between hydrophilic natural fibers and hydrophobic PP matrix, thus coupling agents were employed to alter incompatibility between fiber and matrix. Coupling agents enhance interfacial interactions by chemical and physical bonding between fiber and matrix. Surface treatment of natural fibers were carried out with two kinds of silanes; (3-aminopropyl)-triethoxysilane (AS) and methacriloxy propyl trimethoxy silane (MS), and maleic anhydride grafted polypropylene (MAPP). Silane coupling agents were agitated in aqueous ethanol solution in the presence of fibers at weight percents of 0.5, 1 and 2.5 with respect to fiber weight. MAPP was compounded during melt mixing of fiber and PP at weight percents of 2.5, 5 and 10 with respect to PP weight. PP/fiber composites were prepared in a rheomixer equipped with two rotor blades and adjustable temperature, mixing rate and mixing time. Composites were prepared at 185 °C, 50 rpm mixing rate and 10 minutes mixing time. Torque values of each composite formulation were recorded with respect to time to determine changes in rheological properties of composites. It was found that increase in fiber loading increases stabilization torque of composites. Mechanical properties of PP/fiber composites were significantly enhanced by employment of coupling agents and MAPP was found to be the most effective coupling agent. Mechanical properties of SD composites were found to exhibit the best performance compared to C and WS. Extent of interfacial interactions were evaluated with Pukanszky and Nielsen model and superior performance of MAPP in enhancing interfacial interactions was confirmed by these two models. Optimum conditions for coupling agents were found to be 1 wt % for silane coupling agents and 5 wt % for MAPP. It was found that water sorption and void fraction of the composites decreased with employment of coupling agents. Among the coupling agents, MAPP exhibited the best performance in decreasing water sorption and void fraction of composites confirming results of mechanical tests. Scanning electron micrographs (SEM) used to IVillustrate the effect of coupling agents on adhesion between fiber and matrix and fracture modes of the composites. In addition, FTIR analysis revealed the decrease in hydrophilicity of fibers with silane treatment and new bond formations with employment of MAPP.