Morphological Effects of Lignocellulosic Fibres on Poly(Lactic Acid) Biocomposites

Abstract

Kasvavan ympäristötietoisuuden ja EU:n lainsäädännön myötä biopohjaiset materiaaliratkaisut kiinnostavat entistä enemmän. Lignoselluloosapohjaiset kuitulujitetut biokomposiitit voivat tarjota ympäristöystävällisen materiaalivaihtoehdon monille erilaisille muovituotteille. Biokomposiiteissa fossiilisista lähteistä peräisin olevaa materiaalia korvataan uusiutuvilla raakaainelähteillä, kuten puukuiduilla, joka usein myös laskee tuotteen hiilijalanjälkeä. Puukuitujen käyttö voi parantaa myös materiaalin muita ominaisuuksia, kuten mekaanisia ja haptisia piirteitä. Biokomposiitteja voi myös kierrättää mekaanisesti, mutta taloudellisesti kannattavan kierrätyssysteemin rakentaminen on vaikeaa biokomposiittien toistaiseksi alhaisen volyymin ja jakeiden heterogeenisuuden vuoksi. Sen vuoksi biokomposiitit, jotka pohjautuvat biohajoaviin tai kompostoituviin materiaaleihin, voivat tukea kiertotaloutta tarjoamalla vaihtoehtoisen käsittelytavan tuotteille, jotka eivät sovi kierrätykseen. Toisaalta näiden materiaalien kierrättäminen ei ole poissuljettua.

Tässä väitöskirjassa keskitytään puukuitujen morfologian vaikutukseen polylaktidi (PLA) –pohjaisten biokomposiittien ominaisuuksiin. Työn päätavoite oli luoda lisää tietoa näiden materiaalien ominaisuuksiin vaikuttavista tekijöistä, jonka kautta materiaalien laajempi kaupallinen hyödynnettävyys lisääntyy. Tavoitteen saavuttamiseksi tutkimuksessa keskityttiin erityisesti siihen, miten materiaalien sulatyöstö vaikuttaa kuitujen morfologiaan sekä siihen, miten kuidun valinta ja erilaiset kuidun pinnan muokkaukset vaikuttavat ruiskuvalettujen biokomposiittien ominaisuuksiin. Työssä kiinnitettiin erityisesti huomiota kuidun pilkkoontumiseen, dispersioon ja niiden riippuvuuteen komposiitin mekaanisesta suorituskyvystä. Näiden lisäksi työssä tarkasteltiin uusia kevyitä sovellusalueita arvioimalla kuidun lisäyksen vaikutusta PLA:n vaahtoavuuteen ekstruusiovaahdotusprosessissa.

Työssä todettiin, että puukuitujen sulatyöstö PLA:n kanssa vaikuttaa väistämättä kuitujen morfologiaan. Kaikki valitut puukuitutyypit lyhenivät samalle tasolle riippumatta kuidun alkuperäisestä pituudesta, kun taas kuitujen halkaisija pysyi muuttumattomana. Näin ollen kuitujen pituus/leveyssuhde oli riippuvainen kuitujen loppupituudesta ja lähtöleveydestä. Kuitujen teollinen valkaisu näytti olevan yksi kuidun tuhoutumiseen vaikuttaneista tekijöistä, sillä valkaistu kuitu on ominaisuuksiltaan helpommin jauhautuvaa. Kuitudispersioiden eroavaisuuden vuoksi suoria johtopäätöksiä kuidun pituus/leveyssuhteen ja komposiitin mekaanisten ominaisuuksien välillä ei voitu kuitenkaan tehdä. Toisaalta kuitujen dispersio ja hienoainepitoisuus näyttivät osittain peilaavan komposiitin mekaanista suorituskykyä. Komposiittien ominaisuudet paranivat käyttämällä lujitteena valkaisematonta sellukuitua, joka säilytti paremmin mittansa sulatyöstön aikana, sekä käyttämällä termomekaanista sellua, fraktioitua kuitua tai dispergointi-/ kompatibilisointiainetta. Pintaligniini ja epoksoitu pellavansiemenöljy näyttivät parantavan myös kuidun ja matriisin välistä yhteensopivuutta. Työssä todettiin myös, että kierrätyskuiduilla, kuten siistaamattomilla sanomalehdillä ja nestepakkauskartongilla, on potentiaalia PLA:n kuitulujitteena. Ekstruusiovaahdotuksessa kuidun lisäys mahdollisti keveiden vaahtojen valmistamisen. Kuitulisäyksellä saavutettiin pienempi solukoko ja suurempi solutiheys kuin puhtaalla PLA:lla. Kaiken kaikkiaan työn yhteenvetona voidaan todeta, että oikealla kuidunvalinnalla ja kuitukäsittelyillä voidaan saavuttaa merkittävä parannus puukuitulujitteisten PLA-biokomposiittien suorituskykyyn.

Increasing environmental awareness and tightening EU legislations have gained significant interest towards bio-based material solutions. Lignocellulosic fibre reinforced biocomposites can provide a sustainable material alternative for several plastic products. In biocomposites, renewable raw material sources, such as wood fibres, replace typically fossil-based resources, often decreasing also the carbon footprint of the material. Utilisation of wood fibres also provide additional material improvements to plastics, such as increased mechanical performance and natural haptics. However, while biocomposite materials can be mechanically recycled, building up an economically viable municipal recycling system is challenging due to low material volumes and heterogeneous material streams. Thus, biocomposites based on biodegradable or compostable matrix materials can complement the circular economy by providing an alternative end-of-life solution for products that are not applicable for recycling, but on the other hand, not excluding recyclability.

This thesis concentrates on the effects of wood fibre morphologies on biocomposite performance using compostable poly(lactic acid) (PLA) as the matrix material. The main objective was to increase knowledge of the factors influencing the material characteristics to enable their wider use in commercial applications. To reach this objective, the study focused especially to the effect of melt processing on fibre morphologies, as well as the effect of various fibre surface treatments and fibre selection on performance of injection moulded bicomposites. Particular attention was paid to fibre attrition, dispersion and their correlation to mechanical performance. In addition, new light-weight application areas were considered by evaluating the effect of fibre addition on PLA foamability in extrusion foaming process.

As a conclusion, it was observed that melt processing of wood fibres with PLA has unpreventable effect on wood fibre morphology. All selected bleached wood fibre types shortened to the same level independent of the initial fibre length while fibre diameters remained unchanged. Thus, aspect ratio depended on retaining fibre length and initial fibre width of the fibres. Industrial fibre bleaching was found to be one factor influencing the increased fibre attrition due to higher refinability of bleached fibres. However, due to differences in fibre dispersion, no straight conclusions could be made of the correlation between fibre aspect ratio after processing and the mechanical properties of the composites. On the other hand, fibre dispersion and fines content seemed to partly reflect the mechanical performance. Improved mechanical properties were obtained by utilisation of unbleached hardwood kraft pulp fibres with low fibre attrition during processing, thermomechanical pulp, fibre fractionation or addition of compatibiliser/dispersing agent to the system. The presence of lignin and epoxidated linseed oil also indicated improvement in fibre-matrix adhesion. The work also presented that recycled fibres, such as non-deinked newspapers and liquid packaging board scratch, have potential to be used as PLA reinforcement. In extrusion foaming process, addition of wood fibres to PLA still enabled the production of low-density foams with decreased cell size and increased cell density. As an overall conclusion, careful selection of fibre type and treatments can provide significantly improved properties for wood fibre reinforced PLA biocomposites.