Forskningen vid Polymera material och kompositer, Material och tillverkningsteknik, Chalmers. Antal Boldizar

Transkript

1 Forskningen vid Polymera material och kompositer, Material och tillverkningsteknik, Chalmers Antal Boldizar

2 Forskargruppens verksamhet Avser allmänt sambandet Materialkomposition Tillverkning Struktur Egenskaper Stark bakgrund i Plasters bearbetning och reologi samt fysikaliska och mekaniska egenskaper hos polymera material Professor Mikael Rigdahl Professor Antal Boldizar Universitetslektor Roland Kádár 10 forskarstuderanden

3 Conductivity Aktuell forskning vid Polymera material och kompositer Elektroaktiva fibrer, beläggningar och textilier Ytors utseende, topografi och kulör, ytdefekter och matchning hos formsprutade produkter 1 Polymera kompositer, exemelvis förstärkta med cellulosafibrer, cellulosananofibriller, kolnanorör och grafen platelets Förnyelsebara polymera material baserade på stärkelse, hemicellulosa och proteiner Återvinning av plast från elektronikskrot och förpackningsmaterial 0,1 0,01 0,001 0,0001 0, , , E-08 1E-09 Filler content 0 0,02 0,04 0,06 0,08

4 Kortfattad presentation av aktuell forskning Elektroaktiva fibrer, beläggningar och textilier Ytors utseende, topografi och kulör; ytdefekter och matchning hos formsprutade produkter Polymera kompositer förstärkta med cellulosafibrer och cellulosananofibriller, kolnanorör och grafen platelets Förnyelsebara polymera material baserade på stärkelse, hemicellulosa och proteiner Återvinning av plast från elektronikskrot och förpackningsmaterial

5 Varför cellulosakompositer? Intressanta mekaniska egenskaper och rationell storskalig tillverkning med kompositer bestående av termoplaster och cellulosabaserad förstärkning Förnyelsebara material, betydande i Sverige Potentiellt kostnadseffektiva material, exempelvis för användning till förpackningar Cellulosans fördelar Förnyelsebart och bionedbrytbart Stor tillgång och potentiellt till lågt pris Låg densitet Hög specifik styrka och styvhet Goda möjligheter till modifieringar

6 Tidiga arbeten om kompositer av cellulosa och C Klason, J Kubát and H-E Strömvall. The efficiency of cellulosic fillers in common thermoplastics. Part I. Filling without processing aids or coupling agents. International Journal of Polymeric Materials, 1984 vol 10 p H Dalväg, C Klason and H-E Strömvall. The efficiency of cellulosic fillers in common thermoplastics. Part II. Filling with processing aids and coupling agents. International Journal of Polymeric Materials, 1985 vol 11 p 9-38 A Boldizar, C Klason, J Kubát, P Näslund and P Sáha. Prehydrolyzed cellulose as reinforcing filler for thermoplastics. International Journal of Polymeric Materials, 1987 vol 11 p termoplaster

7 Problem med cellulosafibrer i termoplaster? Cellulosa är hydrofilt och har hög polaritet, leder till svårigheter med Dålig dispergering av fibrer, tendenser till fiberaggregering Dålig adhesion till relativt lågpolära polymerer Hög fuktupptagning från omgivningen Cellulosafibrer bryts ner vid temperaturer som normalt används vid smältbearbetning av termoplaster (> 150 C) Övriga svårigheter med smältbearbetning Kontinuerlig matning Fiberförkortning Free hammer milled cellulose fibres

8 Intressanta forskningsfrågor Kan flertalet av dessa observerade problem undvikas med en ny komposition? En polär polymer med låg smältpunkt, exempelvis en modifierad polyeten? EAA (Ethylene-Acrylic Acid), 7 % AA, T m 89 C? Cellulosafibrer i matningsbar form, exempelvis träbaserade fibrer i form av agglomerat eller i form av tissue? Polymer pellets Free hammer milled cellulose fibres Agglomerates of cellulose Tissue

9 Ytterligare forskningsfrågor Kan fiberdispergeringen förbättras vid materialblandning? Formsprutbarhet? Konventionell skruv Barriärskruv

10 Delprojekt inom Formulosa Forskningsprojekt Samverkan mellan Chalmers, Södra, BillerudKorsnäs och TetraPak, delfinansierat av VINNOVA Doktorand Ruth Ariño

11 Inverkan av skruvtyp vid blandning? Långa barrfibrer (1,3 mm) Korta barrfibrer (0,6 mm) 30 wt% / 21 v% Konventionell skruv Barriärskruv 2 x Barriärskruv Barriärskruven gav bättre fiberdispergering Två extruderingar förbättrade dispergeringen betydligt Längre fibrer svårare att dispergera

12 Inverkan av blandningsprocess?? Barrfibrer Lövfibrer Första passage dubbelskruv Andra passage barriärskruv Andra passage dubbelskruv Matning av tissue tycks ha stor potential för storskalig industriell tillämpning En andra extrudering med dubbelskruv gav bättre dispergering än en andra med barriärskuv, m a p synliga fiberaggregat Tissue av fibrer från barrträ (längre och tjockare fibrer) var svårare att dispergera än tissue av fibrer från lövträ

13 Fibre Length (mm) Blandningsprocessens inverkan på fiberlängd 1,4 1,2 Softwood short fibres Softwood long fibres 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Starting Lengths Conventional Screw Barrier Screw 2 Extrusions Barrier Screw Korta fibrer förkortades mindre (relativt) än längre fibrer Barriärskruven reducerade fiberlängden mer än den konventionella skruven

14 Inverkan av fiberlängd och dispergering på styvhet? E (MPa) Samples containing 30 wt% fibre content Softwood short fibres 400 Softwood long fibres Korta fibrer resulterade i högre styvhet? Bättre dispergerade korta fibrer resulterade i högre styvhet! Förstyvning som bäst en faktor 7 (EAA 110 MPa) med ca 20 v % fibrer l/d

15 Några övergripande slutsatser från projekt Formulosa Blandningsprocessen har stor inverkan på dispergeringen av fibrer och därmed på mekaniska egenskaper hos studerade fiberkompositer Användning av barrärskruv vid enkelskruvsextrudering eller dubbelskruvsextrudering gav båda betydligt bättre dispergering än enkelskruvsextrudering med konventionell skruv De mekaniska egenskaperna var oväntat mycket beroende av fibrers dispergering, utöver välkända beroenden av fiberlängd, fiberhalt, adhesion och termisk nedbrytning Matningsmetoden med fiber tissue tycks ha god potential för industriell tillämpning 15

16 Presenterade resultat finns utförligt beskrivna i publikationerna R Ariño and A Boldizar. Processing and Mechanical Properties of Thermoplastic Composites Based on Cellulose Fibres and Ethylene-Acrylic Acid Copolymers. Polymer Engineering and Science 52 (2012) p R Ariño and A Boldizar. Barrier screw compounding and mechanical properties of an ethylene-acrylic acid copolymer and cellulose fibers composite. International Polymer Processing 28 (4) p (2013) R Ariño and A Boldizar. Melt processing of wood cellulose tissue and ethylene acrylic-acid copolymer composites. International Polymer Processing 28 (4) p (2013) Fortsatt forskning pågår om tillverkningsprocesser och egenskaper hos kompositer baserade på termoplaster och cellulosafibrer