Dimensionsstabilität und mechanische Eigenschaften von extrudierten Produkten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 10545 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Holz- und Polyethylenmaterialien (PE) mit einer Partikelgröße von 250 µm wurden in Mischungsverhältnissen von 60/40, 70/30 und 80/20 (mit einer Erhöhung des Polymeranteils bei gleichzeitiger Verringerung des Holzanteils) vermischt und mit einem Einschneckenextruder extrudiert einen Temperaturbereich von 110–135 °C. Die Partikel von Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni und Nauclea diderichii wurden mit recyceltem Polyethylen vermischt und bei 175 N/mm komprimiert, um Biopolymer-Verbundwerkstoffe herzustellen. Die Biopolymer-Verbundwerkstoffe wurden einem 24-Stunden-Dimensionsstabilitätstest nach der Wassereinweichmethode unterzogen und die Fähigkeit, der Tragfähigkeit standzuhalten, wurde untersucht. Das Ergebnis der Ergebnisse zeigt, dass extrudierte-komprimierte Biopolymer-Verbundwerkstoffe Werte im Bereich von 0,06–1,43 g/cm3, 0,38–3,41 % und 0,82–6,85 % für die beobachtete Dichte, Wasserabsorption und Dickenquellung nach 24-stündiger Wassereinweichung aufwiesen prüfen. Die mechanischen Eigenschaften lagen im Bereich von 0,28 Nmm-2–21,35 Nmm-2 und 0,44–550,06 Nmm-2 für Biegemodul und Festigkeit; und 191,43 Nmm−2–1857,24 Nmm−2 und 0,35 Nmm−2–243,75 Nmm−2 für Zugmodul und Festigkeit. Es wurde beobachtet, dass die Feuchtigkeitsaufnahme und Festigkeit der Verbundwerkstoffe in den für Holzarten bei unterschiedlichen Mischungsverhältnissen erhaltenen Werten entsprechend variieren. Es wurde festgestellt, dass die Dimensionsstabilität sowie die Biege- und Zugeigenschaften des Holzes umso besser sind, je höher der Polyethylenanteil ist. Die Holzpartikel von Cordia milleni im Mischungsverhältnis 60 zu 40 (Polyethylen/Holz) schnitten hinsichtlich Dimensionsstabilität und Tragfähigkeit am besten ab. Diese Studie bestätigte die Auswirkungen der Methoden auf Holzarten und recyceltes PE zur Herstellung von Verbundwerkstoffen auf Holzpolymerbasis für Innen- und Außenanwendungen.

Seit Beginn des 20. Jahrhunderts expandiert der Polymersektor; Verschiedene Harzproduzenten und Chemieunternehmen auf der ganzen Welt tragen in erster Linie zum Volumen der jährlich produzierten Kunststoffprodukte bei, das über 200 Millionen Tonnen beträgt1,2. Dies ermöglicht es der Polymerverarbeitungsindustrie auf der ganzen Welt, von Zehntausenden kleinen und mittleren Unternehmen zu expandieren. Die meisten Polymerhersteller nutzen für den Betrieb unterschiedliche Maschinen; Die meisten verwenden Extruder und Spritzgussmaschinen. Der erste Arbeitsgang der Polymerproduktion erfolgt durch die Pelletierdüse, während der zweite der endgültigen Formgebung dient (Vlachopoulos und Wagner, 2001). Die beiden Vorgänge umfassen das Erhitzen und Schmelzen des Polymers, indem das geschmolzene Polymer zur Formungseinheit gepumpt wird, um die erforderliche Form und die erforderlichen Abmessungen zu erhalten, und anschließend abgekühlt, um es zu verfestigen. Das Compoundieren von Polymer und anderen Partikeln wie Holz erfolgt typischerweise mithilfe von Schneckenextrudern unter spezifischer Hitze und Druck. Das zusammengesetzte Material kann zu einem Endprodukt gepresst oder geformt oder zur Weiterverarbeitung in einer Spritzgussmaschine zu Pellets geformt werden. Die Polymerprodukte können durch Platten- oder Profilextrusion, Spritzguss, Kalandrieren, Thermoformen oder Formpressen4 hergestellt werden.

Die Polymerprodukte verfügen über einzigartige Eigenschaften, zu denen einfache Herstellung, geringe Dichte, Korrosionsbeständigkeit, elektrische und thermische Isolierung sowie häufig eine günstige Steifigkeit und Zähigkeit pro Gewichtseinheit gehören3. Aufgrund dieser gezeigten Eigenschaften ist die Polymerindustrie in Entwicklungsländern weiter gewachsen, wo ihr Bedarf in den Bereichen Transport, Lebensmittelverpackung, Wohnen und Elektrogeräte von größter Bedeutung ist. Das Interesse an der Zugabe von Holzfasern als Verstärkung zu Polymeren hat im Laufe der Jahre aufgrund der hervorragenden Eigenschaften und Leistungen der Produkte zugenommen5. Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe sind bekanntermaßen ein alternatives Bioprodukt zu organisch gebundenen Spanplatten mit verbesserten Eigenschaften für verschiedene Anwendungen4. Die Kombination von Holz und Polymer hat im Vergleich zu anderen Holzplattenprodukten und Kunststoffprodukten zu mechanisch verbesserten Produkten geführt6. Die Direktextrusion ist die am häufigsten verwendete Technik bei der Herstellung von Biopolymer-Verbundwerkstoffen. Mit dieser Technik können die Rohmaterialien schmelzkompoundiert und zu einem kontinuierlichen Profil extrudiert werden, indem das geschmolzene Material im selben Prozessschritt durch die Düse gedrückt wird7. Mit der indirekten Extrusionstechnik können entweder Profile oder Plattenmaterialien zum Formpressen hergestellt werden. Diese Studie übernimmt beide Techniken zur Herstellung von Biopolymer aus ausgewählten in Nigeria angebauten Holzarten; Ziel war es, deren Einfluss auf spezifische Eigenschaften wie mechanische Stabilität und Dimensionsstabilität des Produkts zu untersuchen. Viele Partikel von Holzarten aus gemäßigten und tropischen Regionen wurden untersucht. Arten wie Pinus, Ahorn und Eiche werden in der gemäßigten Region häufig für die Herstellung kommerzieller Holz-Kunststoff-Verbundprodukte verwendet8. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass Holzarten die mechanischen Eigenschaften von WPCs beeinflussen, wobei Hartholzpartikel Weichholzmehle in Bezug auf Zugeigenschaften und Wärmeformbeständigkeitstemperatur übertreffen5,9. Die meisten Hersteller von Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffen befinden sich in entwickelten Ländern der Welt mit verbesserten und fortschrittlichen Technologien, da sich die Technologie verbessert und auch die Marketingnachfrage wächst. Während die Industrie in den Industrieländern wächst, fällt es den Entwicklungsländern immer noch schwer, sich auf die Technologien einzustellen, obwohl in den zahlreichen Holzverarbeitungsindustrien große Mengen an Holzabfällen anfallen10,11. Die von der Holzverarbeitungsindustrie erzeugten Holzabfälle könnten einer wichtigen industriellen Nutzung für die Herstellung von WPCs zugeführt werden, anstatt auf Mülldeponien zu landen oder verbrannt zu werden12. Der Forschungstrend zu WPCs in Nigeria nimmt allmählich zu, wobei die Verwendung verschiedener Kunststoffbindemittel und Holzarten bewertet wird. Der Einfluss einiger tropischer Holzarten auf die Festigkeitseigenschaften von WPCs wurde ebenfalls untersucht13,14. Untersuchte die Möglichkeit und das Potenzial tropischer Holzarten und Agrarrückstände für die Produktion von WPCs in Nigeria mithilfe eines Schneckenextruders und einer manuell gefertigten Compoundier-Heißpressmaschine. Es ist erwähnenswert, dass in Nigeria angebaute Hartholzarten wie Ceiba pentandra, Triplochiton scleroxylon, Entandrophragma cylindricum, Cordia alliodora, Funtumia Elastica, Brachystegia Kennedy, Khaya ivorensis, Tectona grandis, Terminalia Superba und Milicia excelsa zur Herstellung von WPCs ohne Haftvermittler verwendet wurden ein Einschneckenextruder und/oder formgepresst5,15,16,17,18. Diese Studien ergaben verbesserte Festigkeitsprodukte mit geringen Sorptionseigenschaften, die für Innenanwendungen mit geringer Belastung verwendet werden können17. Alle diese Holzarten kommen regelmäßig im täglichen Holzumwandlungsprozess der nigerianischen Holzverarbeitungsindustrie für strukturelle Zwecke vor. Da die Forschung zu WPCs in letzter Zeit zunimmt, müssen auch immer mehr in Nigeria gewachsene Holzarten untersucht werden. Zu den zuvor untersuchten Holzarten gehören Gmelina Arborea und Tectona grandis, die auf die spezifischen Gewichte 0,42–0,64 und 0,61–0,73 fallen. Diese Holzarten sind in nigerianischen Sägewerken aufgrund der hohen Nachfrage nach Marktwerten für den Export weit verbreitet. Die Holzart eignet sich für die Papierherstellung, das Formen von Möbeln, die Holzverarbeitung im Innenbereich, den Schiffbau und Sperrholz, Stangenholz, Spanplatten, Furnier und einige andere Strukturelemente19,20. Diese Holzarten werden in dieser Studie zum Vergleich mit neuen Arten wie Cordia milleni und Nauclea diderichii verwendet, die noch untersucht werden müssen. Bei diesen Holzarten handelt es sich um halblaubabwerfendes Waldholz mit spezifischen Gewichten von 0,41–0,50 und 0,56–0,63 für Cordia milleni und Nauclea diderichii. Es wurde festgestellt, dass beide Holzarten ein geringeres spezifisches Gewicht als Gmelina Arborea und Tectona grandis haben. Sie verfügen außerdem über gute Eigenschaften, die sie für allgemeine Bau- und Holzplattenprodukte geeignet machen. Insbesondere hat sich Nauclea diderichii als sehr nützlich für Outdoor-Anwendungen wie Eisenbahnschwellen, schwere Bauarbeiten und hydraulische Arbeiten in Kontakt mit Süß- oder Meerwasser erwiesen21,22. Die Verwendung von Holzpartikeln in der Kunststoffindustrie wird voraussichtlich zunehmen, da die Nachfrage nach WPC-Produkten in der Bauindustrie für Dächer, Ziegel und Fensterrahmen allmählich zunimmt5,23. Die kommerziellen Anwendungen von WPCs für Terrassendielen und Außenverkleidungen sind sehr hoch, was ein Beweis für die zukünftige wirtschaftliche Entwicklung und das Wachstum der entwickelten Länder zu sein scheint4,24. WPCs erfreuen sich nach und nach immer größerer Beliebtheit in Entwicklungsländern wie Nigeria, und die Notwendigkeit einer gezielten Kommerzialisierung zur Verbesserung struktureller Anwendungen in Entwicklungsländern erfordert intensive Forschung sowohl im Bereich Materialien als auch in der Technologie.

Die gegenwärtige Herausforderung der WPC-Forschung und -Entwicklung in Nigeria kann mit der Verfügbarkeit von Maschinen zum Mahlen, Verarbeiten und Produzieren zusammenhängen. Obwohl sie über dieselben Techniken wie die Polymerindustrie verfügen, fällt es den meisten Herstellern von Polymerverbundwerkstoffen schwer, ihre Maschinen für die WPC-Forschung einzusetzen. Die meisten Polymerprodukte werden für Verpackungen und für Haushaltszwecke verwendet, die Verbrauchsrate ist hoch und sie werden täglich und regelmäßig auf den Straßen verstreut25. Studien haben gezeigt, dass recycelte Kunststoffe verwendet werden können26,27. In Westeuropa wurden fast 40 % aller recycelten Kunststoffwaren in Vertriebsprodukten wie Folien und Beuteln verwendet, während 30 % in Bauanwendungen wie Rohren, Fenstern und Fliesen verwendet wurden28. Recycelte Kunststoffe haben ein großes Potenzial für die Herstellung von WPCs zu geringeren Kosten und mit besseren Qualitäten als Neukunststoffe. Sägespäne aus Sägewerken und Polymerabfälle sind ernsthafte Umweltschadstoffe, die in den meisten Entwicklungsländern der Welt dringend behandelt werden müssen. Das Recycling von Kunststoff und Sägemehl wird als mögliche Rohstoffe für die Herstellung von Biopolymer-Verbundwerkstoffen dienen, die als Lösung zur Bekämpfung der Umweltverschmutzung und zur Abwendung von Katastrophen dienen können.

Aufgrund dieser Umweltherausforderung möchte diese Studie Informationen über die Dimensionsstabilität und die mechanischen Eigenschaften von extrudierten, komprimierten WPCs liefern, die mit Holzpartikeln aus vier in Nigeria angebauten Holzarten verstärkt sind. In dieser Studie wurden Faktoren wie die spezifische Partikelgröße, die Verarbeitungstemperatur und der Druck als Konstanten gegenüber variablen Faktoren wie dem Kunststoff-/Holzverhältnis und verschiedenen einheimischen Holzarten auf einer vor Ort in Nigeria hergestellten Einschneckenextrudermaschine berücksichtigt.

Die zur Herstellung der Proben in dieser Untersuchung verwendeten Holzarten stammten aus verschiedenen Quellen, darunter Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni und Nauclea diderichii. Die Sägewerksabteilung der Abteilung für Entwicklung und Nutzung von Forstprodukten am Forestry Research Institute of Nigeria, Ibadan, Bundesstaat Oyo, sammelte Holzpartikel dieser Holzarten. Die in Plastik verpackten Wasserbeutel wurden von der Wasserverpackungsfabrik der DFRIN Consultancy Company am Forestry Research Institute of Nigeria geliefert. Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.

Frische Holzpartikel aus Schnittholz von Gmelina Arborea; Tectona grandis, Cordia milleni und Nauclea diderichii wurden gründlich mit einem Drahtgeflecht der Größe 0,25 mm (250 µm) gesiebt, um Holzstaub zu erhalten. Der homogen gesiebte Holzstaub jeder Holzart wurde 24 Stunden lang bei 103 ± 2 °C im Ofen getrocknet, um einen Feuchtigkeitsgehalt von 4 % zu erreichen. Die verpackten Wasserbeutel wurden gründlich gewaschen, um Flecken und unerwünschte Partikel wie Sand zu entfernen. Es wurde getrocknet und mit einer industriellen Hammermühle mit 50 PS (hergestellt von Lucas Engineering Company, Lagos, Nigeria), die im Department of Forest Products Development and Utilization verfügbar ist, zu Partikeln gemahlen und gründlich mit einem Drahtgeflecht der Größe 0,25 mm (250 µm) gesiebt ). Jeder für die Proben erforderliche Anteil an Holz und recyceltem PE wurde gründlich von Hand gemischt und in einen Einschneckenextruder (hergestellt von Lucas Engineering Company, Lagos, Nigeria) eingespeist, der ebenfalls im Department of Forest Products Development and Utilization erhältlich ist (Abb. 1). Der Extruder verfügt über einen Trichter zum Zuführen von Materialien zur Maschine; Diese Materialien wurden vorgemischt und bei einer kontrollierten Temperatur, die durch die Heizgeräte bereitgestellt wurde, durch das Fass strömen gelassen. Der Zylinder verfügt über eine Schnecke, die dazu dient, das geschmolzene Material zu mischen, zu vermischen und durch die Matrize herauszudrücken (Abb. 2). Die geschmolzenen Materialien wurden in eine Metallform mit den Maßen 6 cm × 6 cm × 12 cm eingespritzt und unter einer hydraulischen Pressmaschine mit 175 N/mm 45 Minuten lang komprimiert, um flache Platten herzustellen. Anschließend wurden die Platten aus der Form gelöst und gemäß29,30 in Prüfkörper geschnitten, um die dimensionalen und mechanischen Eigenschaften zu bestimmen.

Einschneckenextruder.

Vormischungsextruder.

Vor dem Wasserimmersionstest wurde die Dichte des Verbundwerkstoffs anhand des Ofentrockengewichts und -volumens berechnet. Die Dichte ist das Verhältnis der Masse eines Prüflings zu seinem Volumen, berechnet auf 0,01 g/cm3 genau gemäß31 und berechnet mit D = m/v, wobei D die Dichte in (g/cm3) und m ist die Masse in (g) und V ist das Volumen in (cm3). Die Teststücke waren quadratisch mit einer Seitenlänge von 100 mm. Die Probe wurde in einer Atmosphäre mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 ± 5 % und einer Temperatur von 20 °C ± 2 °C auf eine konstante Masse konditioniert.

In jedem WPC wurde eine Probengröße von 76,2 mm × 25,4 mm × 6,4 mm gemessen und gemäß29 24 Stunden lang einer Wasserimmersionsbehandlung bei einer Raumtemperatur von 26 ± 1 °C unterzogen, um die Reaktion der WPC-Proben zu beobachten gegenüber Wassereinwirkung. Die Messungen wie Gewicht, Länge und Dicke jeder Probe wurden durchgeführt, nachdem sie in einem festgelegten Zeitraum aus dem Wasser genommen und das gesamte Oberflächenwasser mit einem trockenen Tuch abgewischt worden war. Diese Tests wurden unter Verwendung der Wasserabsorption (%) = Wt − Wo/Wo × 100 % berechnet, wobei Wo und Wt die ofentrockene Masse (g) bzw. die Masse (g) nach der Zeit t im Wasserimmersionstest sind . Die Dicke jeder Verbundprobe wurde während des Wasserimmersionstests gemessen, um die Dickenquellung (TS) mithilfe der folgenden Gleichung zu bestimmen: Dickenquellung (%) = Tt−To/To × 100 %, wobei To und Tt die Plattendicke sind ( mm) vor bzw. nach dem Eintauchen in Wasser.

Dreipunkt-Biegetests wurden an Biegefestigkeitsproben mit Abmessungen von 123,5 mm × 12,7 mm × 6,4 mm (Dicke) unter Verwendung einer Standard-Universalprüfmaschine des WDW-Modells (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, China) durchgeführt. Gemäß30 wurde ein 858-Lastrahmen mit einer 50-kN-Lastzelle und einer Traversengeschwindigkeit von 2,8 mm/min verwendet. Die Biegetests wurden außerdem dreimal für jede Verbundwerkstoffformulierung bei Umgebungstemperaturen von 23,2 °C und 50,5 % relativer Luftfeuchtigkeit wiederholt. Die Biegefestigkeit (MOR) wurde für die Last-Durchbiegungs-Kurve unter Verwendung von S = 3PL/2bh2 berechnet, wobei S die maximale Biegespannung ist, P die Last an einem bestimmten Punkt auf der Last-Durchbiegungs-Kurve in (N) ist; L ist die Stützweite in (mm); b ist die Breite des getesteten Balkens in (mm).; und h ist die Tiefe des getesteten Strahls (mm). In Übereinstimmung mit30, in dem die Bestimmung des Elastizitätsmoduls (MOE) oder Biegemoduls beschrieben wurde, bei dem es sich um das Verhältnis von Spannung zu entsprechender Dehnung handelt. Sie wird berechnet, indem eine Tangente an den steilsten anfänglichen geradlinigen Abschnitt der Last-Durchbiegungskurve gezogen wird, bei der es sich im Wesentlichen um eine Last handelt, bei der sich die Probe um 1 (mm) durchbiegt. Der Biegemodul der Elastizität (MOE) in den Biegetests wird innerhalb der linearen Grenze unter Verwendung von E = PL3/4bh3D berechnet, wobei E der Elastizitätsmodul (Biegemodul) beim Biegen in (N/mm2) ist; P ist die Last am steilsten anfänglichen geradlinigen Abschnitt der Last-Durchbiegungs-Kurve in (N); L ist die Stützweite in (mm); b ist die Breite des getesteten Balkens in (mm); h ist die Tiefe des getesteten Balkens, Zoll (mm); und D ist die Durchbiegung bei der Last P in (mm).

Mit der Universalprüfmaschine wurden Zugstabproben vom Typ I mit den Abmessungen 165 mm × 19 mm × 6,4 mm (Dicke) des 810-Lastrahmens Modell WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, China) mit 50 kN getestet Wägezelle mit einer Traversengeschwindigkeit von 2,8 mm/min und einer unteren Auflage von 100 mm. Mit einem Dehnungsmesser wurde die Dehnung (Dehnung) der Probe entlang einer Messlänge von 25 mm gemessen. Die Zugversuche wurden gemäß32 durchgeführt. Für jede Verbundformulierung wurden alle Messungen bei Umgebungstemperaturen (23,2 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit für mindestens 40 Stunden) durchgeführt und fünfmal wiederholt. Die maximale Belastung in Newton wurde durch die ursprüngliche minimale Querschnittsfläche der Probe in Quadratmetern dividiert, um die Zugfestigkeit zu berechnen. Der Young-Elastizitätsmodul (MOE) wurde anhand des anfänglichen linearen Teils der Last-Dehnungs-Kurven berechnet. Der MOE wird berechnet, indem der Spannungsanstieg über diesen linearen Zeitraum durch den Dehnungsanstieg dividiert wird.

Zur Verarbeitung der gesammelten Testdaten zur Bewertung der in dieser Studie verwendeten Studienvariablen wurden grafische Analysen und Varianzanalysen eingesetzt. Die grafische Analyse macht es einfach, den Trend einer möglichen Beziehung zwischen der Studienvariablen und einem bestimmten Board-Attribut zu erkennen. Es wurden 3 x 4 faktorielle Designs in vollständig randomisiertem Design verwendet, um das Signifikanzniveau des Haupt- und Wechselwirkungseffekts zu bestimmen, der auftreten könnte. In dieser Studie wurde das Paket SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) Version 20.0 für die Varianzanalyse (ANOVA) verwendet. Um den Unterschied zwischen den Mittelwerten zu bewerten und die optimale Behandlungskombination anhand der berücksichtigten Kriterien zu ermitteln, wurde Duncans Multiple Range Test (DMRT) zur Trennung der Behandlungsmittelwerte verwendet. Die ANOVA wurde verwendet, um die relative Bedeutung zahlreicher Variationsquellen für Plattendichte, Wasseraufnahme, Dickenquellung, Bruchmodul und Elastizität bei Biege- und Zuganwendungen zu bestimmen. Unterschiede in der Holzart und im Verhältnisverhältnis waren die wichtigsten untersuchten Auswirkungen. Auch die Wechselwirkungen zwischen den Primärkomponenten wurden berücksichtigt. Die WPCs wurden in drei proportionalen PE/Holz-Verhältnissen von 60/40, 70/30 und 80/20 bei den Holzarten Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni und Naudea diderichii hergestellt.

Die Mittelwerte für alle Eigenschaften sind in Tabelle 1 dargestellt. Daraus geht hervor, dass die beobachteten Werte für Dichte, Wasserabsorption und Dickenquellung, die in dieser Untersuchung erhalten wurden, zwischen 0,06 g/cm3 und 1,43 g/cm3, 0,38 % und 3,41 % lagen 0,82 % bis 6,85 %. Wie in Tabelle 1 dargestellt, variiert die beobachtete Dichte der Verbundwerkstoffe je nach Holzart. In ähnlicher Weise variiert in Tabelle 1 auch die beobachtete Dichte entsprechend den unterschiedlichen Mischungsverhältnissen. Cordia milleni hatte im Vergleich zu den anderen Holzarten die höchste Dichte der in der Studie verwendeten Holzarten. Im Mischungsverhältnis weist 70/30 (PE/Holz) mit 0,38 g/cm3 die höchste beobachtete Dichte auf, gefolgt von 60/40 und 80/20 (PE/Holz) mit 0,20 g/cm3 und 0,20 g/cm3. Hinsichtlich der Wasseraufnahme und der Dickenquellung zeigt Tabelle 1 jedoch, dass die Wasseraufnahmewerte für jede Holzart 0,84 %, 1,37 %, 1,49 % bzw. 0,68 % für Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii und Tectona grandis betrugen. Die für jede Holzart erhaltenen Werte für die Dickenquellung betrugen 1,77 %, 2,13 %, 2,93 % bzw. 4,82 % für Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii und Tectona grandis (Tabelle 1). Unter den in der Studie verwendeten Mischungsverhältnissen variierte der erhaltene Wert unterschiedlich für die Wasseraufnahme und die Dickenquellung und betrug 0,85 %, 0,62 %, 1,82 % und 4,28 %, 2,25 %, 2,20 % für die Mischungsverhältnisse 60/40. 70/30 bzw. 80/20 (Tabelle 1). Wie in den Abb. dargestellt. 3, 4 zeigen die gesamten physikalischen Eigenschaften einen ähnlichen Trend für die beobachtete Dichte, Wasserabsorption und Dickenquellung; die erhaltenen Werte nehmen mit abnehmendem Holzanteil zum Kunststoffanteil ab. Die an den Verbundwerkstoffen beobachteten physikalischen Eigenschaften zeigten, dass die beobachteten Werte für Dichte, Wasseraufnahme und Dickenquellung für jede Holzart unterschiedlich voneinander abweichen (Abb. 3, 4). Die Reaktion der Verbundwerkstoffe auf den Wassereinweichtest ergab, dass sich die Platten ähnlich wie Kunststoff verhalten, da dieser mehr Kunststoff als Matrix aufweist, der die Faser umhüllt und sie daran hindert, Feuchtigkeit aufzunehmen, wodurch sie eine hohe Dimensionsstabilität aufweist. Dies bedeutet, dass mit zunehmendem Kunststoffanteil die Wasseraufnahme- und Dickenquellwerte der Zusammensetzung sinken (Abb. 3 und 4). Auch die Feuchtigkeitsaufnahme der Platten aus unterschiedlichen Holzarten variiert je nach Mischungsverhältnis bei der Herstellung. Die in dieser Studie ermittelten Werte stimmen mit anderen in früheren Studien ermittelten Werten überein8,14,26,33. Das Ergebnis stimmt auch mit den Beobachtungen früherer Studien von26 überein; Er zeigte eine Verschlechterung der Dimensionseigenschaften von WPC, das aus Partikeln von Gmelina Arborea mit hochgradig recyceltem Polyethylen hergestellt wurde. Der Autor bestätigte außerdem, dass ein erhöhter Anteil an recyceltem Kunststoff in den Holzfüllstoffen zu einer besseren Dimensionsstabilität der Platten führt. Eine ähnliche Beobachtung wurde auch in dieser Studie beobachtet, die auf die inhärente Bindungsbeziehung zwischen Kunststoff- und Holzschnittstellen zurückzuführen sein könnte. In dieser Studie wurde festgestellt, dass die strukturelle Grenzfläche zwischen Kunststoff und Holzfüllstoff hoch ist. Die Poren waren aufgrund der auf die geschmolzene Mischung ausgeübten Druckkraft begrenzt, und es wurde festgestellt, dass die winzigen Poren auch an den Oberflächen der Verbundwerkstoffe auftraten. Der in diesem Verbundwerkstoff enthaltene Kunststoff verhindert, dass das von Natur aus hydrophile Holz Feuchtigkeit aufnimmt, wenn es mit Wasser in Kontakt kommt. Wie bereits berichtet, ist der Kunststoffanteil von Bedeutung, wenn Biopolymer-Verbundprodukte Feuchtigkeitskontakt ausgesetzt sind; Ein höherer Kunststoffanteil als ein Holzanteil verringert die Wasserverweilstellen für die Wasseraufnahme auf dem Verbundwerkstoff. Das Ergebnis der Varianzanalyse für die beobachtete Dichte, Wasserabsorption und Dickenquellung ist in Tabelle 2 dargestellt. Wie in Tabelle 2 dargestellt, waren alle Faktoren (Haupt- und Zwei-Faktor-Wechselwirkung) mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % für die beobachtete Dichte signifikant, aber nicht signifikant bei der Wasseraufnahme. Bei der Dickenquellung sind mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % nur die Hauptfaktoren von Bedeutung.

Dichte, beobachtet von extrudierten-komprimierten Biopolymer-Verbundwerkstoffen.

Beobachtete Dimensionsstabilität von extrudierten und komprimierten Biopolymer-Verbundwerkstoffen. WA Wasseraufnahme, TS Dickenquellung, PE Polyethylen, WD Holz.

Tabelle 1 zeigt die mittleren Biegeeigenschaften von Biopolymer-Verbundwerkstoffen, die aus verschiedenen Holzarten und Mischungsfraktionen hergestellt wurden. Wie in Tabelle 3 dargestellt, lagen die erhaltenen Werte für Biegefestigkeit und Modul zwischen 8,34 Nmm-2 und 21,35 Nmm-2 bzw. 185,05 Nmm-2 und 550,8 Nmm-2. Wie in Tabelle 1 dargestellt, betrugen die Biegefestigkeits- und Modulwerte der Holzarten 14,79 Nmm-2, 19,69 Nmm-2, 12,52 Nmm-2, 12,90 Nmm-2, 341,99 Nmm-2, 494,97 Nmm-2, 350,52 Nmm −2 bzw. 353,81 Nmm−2 für Gmelina Arborea, Cordia milleni, Tectona grandis und Nauclea diderichii. Bei den Mischungsverhältnissen betrugen der Biegemodul und die Festigkeit 17,52 Nmm-2, 11,97 Nmm-2, 15,43 Nmm-2 und 457,30 Nmm-2, 302,04 Nmm-2, 396,62 Nmm-2 für 60/40, 70/ 30 bzw. 80/20 (Tabelle 1). Wie in den Abb. dargestellt. 5, 6, Biegemodul und Festigkeit weisen den gleichen Trend auf. Mit abnehmendem Holzfaseranteil sinken auch die erhaltenen Biegewerte.

Biegemodul von extrudierten-komprimierten Biopolymer-Verbundwerkstoffen.

Biegefestigkeit extrudierter-komprimierter Biopolymer-Verbundwerkstoffe.

Darüber hinaus variieren die Biegefestigkeit und der Elastizitätsmodul der Biopolymer-Verbundwerkstoffe je nach Holzart unterschiedlich (Abb. 5, 6). Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der Biegeeigenschaftenanalyse der Varianzdaten. Wie in Tabelle 2 dargestellt, war nur der Holzartenfaktor für den Biegemodul von Bedeutung, während der Mischungsverhältnisfaktor mit einer Wahrscheinlichkeit von 5 % auch für die Biegefestigkeit von Bedeutung war. Das Ergebnis dieser Ergebnisse lässt darauf schließen, dass Holzarten den Biegemodul von Biopolymer-Verbundwerkstoffen beeinflussen, während das Mischungsverhältnis von PE/Holz auch die Festigkeitseigenschaften von Biopolymer-Verbundwerkstoffen beeinflusst. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse des Duncan-Multiple-Range-Tests (DMRT), der auf dem Signifikanzniveau durchgeführt wurde; Die Ergebnisse wurden als Mittelwerte mit alphabetischen Buchstaben dargestellt, die den Grad der Signifikanz zwischen den in dieser Studie berücksichtigten Hauptfaktoren zeigten. Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus Partikeln von Nauclea diderichii, Tectona grandis und Gmelina Arborea unterschieden sich im Biegemodul nicht voneinander und Festigkeit, aber von Bedeutung für Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus Cordia milleni. Der Folgetest bestätigte auch, dass Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus 70/30 und 80/20 untereinander nicht signifikant waren, wohl aber signifikant für solche aus 60/40 (PE/Holz).

Tabelle 1 zeigt die Mittelwerte der Zugeigenschaften, die in dieser Untersuchung für Biopolymer-Verbundwerkstoffe ermittelt wurden, die aus mehreren Holzarten in verschiedenen Mischungsverhältnissen hergestellt wurden. Wie in Tabelle 1 dargestellt, lagen die erhaltenen Werte für Zugfestigkeit und Zugmodul im Bereich von 1015,00 Nmm-2 bis 1885,72 Nmm-2 und.

11,43 Nmm−2 bis 24,38 Nmm−2. Wie in Tabelle 1 dargestellt, betrugen die für die Holzarten erhaltenen Zugmodul- und Festigkeitswerte 18,83 Nmm-2, 18,84 Nmm-2, 19,04 Nmm-2, 17,35 Nmm-2 und 1541,01 Nmm-2, 1404,21 Nmm-2, 1273,25 Nmm −2, 1346,75 Nmm−2 für Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii bzw. Tectona grandis. Gleichzeitig wurden für die Mischungsverhältnisse Zugmodul und Festigkeit Werte von 1481,87 Nmm-2, 1398,59 Nmm-2, 1294,76 Nmm-2 und 20,79 Nmm-2, 17,02 Nmm-2 17,73 Nmm-2 für 60/ 40, 70/30 bzw. 80/20 (Tabelle 3). Wie in Abb. 7 und 8 dargestellt, zeigten Zugmodul und Festigkeit den gleichen Trend; Mit abnehmendem Holzanteil sinken die Werte für die Zugfestigkeit.

Zugmodul von extrudierten-komprimierten Biopolymer-Verbundwerkstoffen.

Zugfestigkeit von extrudierten-komprimierten Biopolymer-Verbundwerkstoffen.

Darüber hinaus variieren die erhaltenen Zugfestigkeits- und Modulwerte je nach Holzart (siehe Abb. 7 und 8). Wie in Tabelle 2 dargestellt, zeigt die Varianzanalyse bei einem Wahrscheinlichkeitsniveau von 5 %, dass sowohl die Holzart als auch der Mischungsanteil von Bedeutung sind. Der anschließende Test zeigt, dass der Zugmodul für Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus Nauclea diderichii, Tectona grandis und Cordia milleni untereinander nicht signifikant war, für Gmelina Arborea jedoch signifikant. Im Mischungsverhältnis waren Biopolymer-Komposite von 80/20 und 70/30 nicht signifikant füreinander, aber signifikant für 60/40 (PE/Holz). Im Gegensatz zum Modulbericht war die Festigkeit unterschiedlich; Alle aus Gmelina Arborea, Nauclea diderichii, Tectona grandis und Cordia milleni hergestellten Biopolymer-Verbundwerkstoffe waren füreinander nicht signifikant. Das gleiche Muster mit dem Modul zeigte sich jedoch im Mischungsverhältnis für die Festigkeit, und die Biopolymer-Verbundstoffe lagen bei 70/30 und 80/20, also nicht signifikant zueinander, aber signifikant bei 60/40 (Tabelle 3). In dieser Studie wurde beobachtet, dass mit zunehmendem Anteil von Kunststoff zu Holz die Zug- und Biegeeigenschaften abnehmen (Abb. 5, 6, 7, 8).

Die in dieser Studie ermittelten Biege- und Zugmodulwerte stimmen mit der von34,35 durchgeführten Studie überein. Wie in Tabelle 3 zu sehen ist, können die von den Biopolymer-Verbundwerkstoffen erzielten Festigkeitswerte auf die Inkompatibilität zwischen den verwendeten Holzpartikeln und der Polymermatrix zurückgeführt werden. Es wurde festgestellt, dass die Grenzflächenhaftung zwischen den Zweikomponentenmaterialien dem Verbundwerkstoff bessere mechanische Eigenschaften verleiht36. Dies könnte auch auf die interstrukturelle Bindung der Faser-zu-Faser-Anordnung (verwoben) zurückzuführen sein, die sich überlappte, um die Spannungskonzentration zu erhöhen, was zu einer höheren Festigkeit führte.12 Außerdem wurde berichtet, dass das niedrigere MOE der Verbundwerkstoffe hauptsächlich auf die unzureichende Grenzflächenwechselwirkung zwischen der Polymermatrix zurückzuführen sein könnte und Holzpartikel, die möglicherweise keine effiziente Spannungsübertragung zwischen den beiden Materialphasen ermöglichen, die vom verwendeten Anteil abhängen. Es gab Unterschiede in der Festigkeit und dem Modul von Verbundwerkstoffen aus verschiedenen Holzarten. Dies könnte auf die Wechselwirkung der Festigkeit oder Dichte jeder Holzart mit dem Polymer zurückzuführen sein, die die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe bestimmt. In einer von34 durchgeführten Studie wurde festgestellt, dass Hartholzpartikel Weichholzmehl in Bezug auf Zugeigenschaften und Wärmeformbeständigkeit (die Temperatur, bei der sich eine Polymer- oder Kunststoffprobe unter einer bestimmten Belastung verformt) übertreffen. Dies bedeutet jedoch, dass die mechanischen Eigenschaften einiger Holzpartikel stärker verbessert werden als bei anderen Holzarten. In dieser Studie wurde beobachtet, dass Cordia Milleni- und Gmelina Arborea-Partikel bessere Biege- und Zugeigenschaften aufweisen als andere Holzarten. In dieser Studie wurde außerdem festgestellt, dass Verbundwerkstoffe aus Tectonia Grandis und Nauclea diderichii höhere Zugeigenschaften aufweisen als Holzarten mit geringerer Dichte wie Cordia milleni und Gmelina Arborea (Abb. 7 und 8), wenn der Kunststoffanteil auf den Holzanteil ansteigt. Diese Beobachtung stimmte mit dem Bericht von34 überein, erwies sich jedoch mit dem Verhältnis von 80/20 des Kunststoffanteils zum Holzanteil als zutreffend. Diese Beobachtung unterschied sich in den Biegeeigenschaften von Biopolymer-Verbundwerkstoffen, wie in den Abbildungen zu sehen ist. 5 und 6, Partikel aus Holzarten mit geringerer Dichte (Cordia milleni behielten bei allen Biegeeigenschaften den Vorsprung gegenüber anderen). Das proportionale Verhältnis bedeutet, dass Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus Cordia milleni bei einem verringerten Gehalt an Holzpartikeln in der Polymermatrix eine hohe Biegeverbesserung aufweisen Dies könnte auf die Art und den Prozentsatz der chemischen Zusammensetzung von Cordia milleni zurückgeführt werden.37 Berichten zufolge bestätigte das Vorhandensein von Zellulose, Hemizellulosen, Lignin und anderen in Cordia milleni vorkommenden Bestandteilen im richtigen Verhältnis, dass das Holz für verschiedene Bauarbeiten sehr wirksam ist. Diese Eigenschaft zeigt, dass Cordia milleni ein idealer Rohstoff für die lignochemische Industrie ist, der die petrochemische Industrie zur Herstellung von Kunststoffen ersetzen und auch bei der Herstellung aller Arten von chemischen Produkten für Lebensmittel und Textilprodukte helfen kann37. Es ist möglich, dass dies insbesondere der Fall ist Die chemische Komponente von Cordia milleni hätte die vorhandene Matrixunterstützung für Holzfasern verbessern und so zu stärkeren interstrukturellen Bindungen führen können, die die Spannungsübertragung und Spannungskonzentration in den Verbundwerkstoffen erhöhten und so zu höheren Festigkeitseigenschaften und besserer Dimensionsstabilität führten.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigten, dass Mischungsverhältnis und Holzarten einen erheblichen Einfluss auf die physikalischen und mechanischen Eigenschaften von Biopolymer-Verbundwerkstoffen hatten. Der Anteil von PE/Holz und Holzarten beeinflusst maßgeblich die Geschwindigkeit der Wasserbewegung in Biopolymer-Verbundwerkstoffen und kann auch die mechanischen Eigenschaften der Biopolymer-Verbundwerkstoffe verändern. Es zeigte sich, dass Biopolymer-Verbundwerkstoffe mit einem geringen Anteil an Kunststoff und Holz die besten mechanischen Eigenschaften hinsichtlich Tragfähigkeit und Steifigkeit aufwiesen und dennoch eine hohe Dimensionsstabilität aufwiesen. Daher kommt man in dieser Studie zu dem Schluss, dass Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus 60/40 (PE/Holz) die besten Gebrauchseigenschaften für die Herstellung von Produkten wie Boden- und Wandfliesen aufweisen. Darüber hinaus erwies sich Cordia milleni unter allen untersuchten Holzarten unter anderem als das beste Holz, das für Biopolymerprodukte für Außen-, Innen- und tragende Anwendungen verwendet werden kann.

Das Ergebnis dieser Forschungsuntersuchung ergab die folgenden Empfehlungen:

Cordia milleni-Partikel könnten auch als Rohstoff für die Herstellung von Biopolymerprodukten für Außen- und Innenanwendungen dienen

Bei der Bestimmung der Nutzungseigenschaften spielt das Anteilsverhältnis PE/Holz eine entscheidende Rolle. Alle aus allen Verhältnissen hergestellten Biopolymer-Verbundwerkstoffe hatten sehr niedrige Dimensionswerte. Dennoch zeigen Verbundwerkstoffe aus 80/20 die beste herausragende Leistung in Bezug auf Dimensionsstabilität.

Holzarten mit höherer Dichte wie Nauclea diderichii und Tectona grandis zeigen mit 80/20 eine bessere Festigkeitsleistung als Holzarten mittlerer und niedriger Dichte (Cordia milleni und Gmelina Arborea).

Hinsichtlich der Tragfähigkeit können Cordia milleni-Partikel zur Herstellung von Biopolymerprodukten für Innen- und Außenanwendungen verwendet werden. Im Gegensatz dazu können Gmelina arborea, Nauclea diderichii und Tectona grandis in einer feuchten Umgebung verwendet werden.

Es sollte mehr Forschung zu verschiedenen einheimischen Holz- und Nichtholzarten als Rohstoffen für die Herstellung von Produkten aus Biopolymer-Verbundwerkstoffen betrieben werden. Darüber hinaus sollte auch deren chemische Zusammensetzung untersucht werden, da auch diese ein Einflussfaktor auf die Leistungsfähigkeit dieser Holzarten sein kann.

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DO Oguntayo

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KSA, AOO und FZA haben die vorgestellte Idee konzipiert. KSA und AOO entwickelten die Theorie und überwachten die Datenerhebung. FZA und DOO überprüften die Analysemethoden und analysierten die Daten. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und trugen zum endgültigen Manuskript bei.

Korrespondenz mit DO Oguntayo.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Aina, KS, Oladimeji, AO, Agboola, FZ et al. Dimensionsstabilität und mechanische Eigenschaften extrudierter Biopolymer-Verbundwerkstoffe aus ausgewählten in Nigeria gewachsenen Holzarten in unterschiedlichen Anteilen. Sci Rep 12, 10545 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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Eingegangen: 16. Dezember 2021

Angenommen: 10. Juni 2022

Veröffentlicht: 22. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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