COMPOZITE BIODEGRADABILE CU APLICATII IN · PDF fileCa materiale de ranforsare s-au folosit :...

Simpozionul Impactul Acquis-ului comunitar asupra echipamentelor şi tehnologiilor de mediu 1

2 5 - 2 8 . 0 9 . 2 0 0 9 ; A c q u is t e m; A g i g e a S t a ţ i a I C P E .

COMPOZITE BIODEGRADABILE CU APLICATII IN REALIZAREA AMENAJARILOR INTERIOARE ALE AUTOMOBILELOR

Caramitu Alina Ruxandra

1, Ion Ioana

1 Sbarcea Beatrice

1, Mitrea Sorina

1, Buruntia Nicoleta

1, Groza

Claudia1, Budrugeac Petru

1, Avadanei Lidia

2 Cotescu Sanda

2

1Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Inginerie Electrica INCDIE ICPE CA, Bucuresti,

030138, Romania, [email protected];

2Institutul de Cercetari Electrotehnice, Bucuresti, 030138, Romania, [email protected];

In aceasta lucrare se prezinta rezultatele obtinute in cadrul proiectului de cercetare PN2 cu acronimul BIOCOMP – faza 3.

In cadrul acestui proiect s-au realizat prin colaborare cu firma ICPE SA mai multe recepturi de materiale compozite cu matricea polimerica din polipropilena. Ca materiale de ranforsare s-au folosit : faina de lemn si fibrele de in. Totodata s-a realizat si un material cu umplutura minerala de talc. Aceste materiale de ranforsare naturale au fost introduse in matricea polimerica pentru a ii conferi acesteia un caracter de biodegradare in scopul de a putea inlocui anumite materiale compozite cu material de ranforsare fibra de sticla care se utilizeaza in prezent.

In urma incercarilor efectuate se constata ca materialele compozite polimerice luate in studiu au in general proprietati mecanice usor inferioare fata de proprietatile materialului compozit polimeric cu matricea polimerica identica dar utilizand ca ranforsant fibra de sticla. Totusi aceste materiale prezinta o importanta deosebita datorita biodegradabilitatii si greutatii mici. Aceste proprietati sunt rezultate din utilizarea in compozitia acestor materiale materiale de ranforsare naturale.

Introducere Polimerii sintetici, conceputi pentru a fi rezistenti la diversi factori de mediu (radiatii

luminoase, oxigen, umiditate, caldura, atac microbian) au devenit in timp o problema acuta prin acumularea lor in mediu, mai ales dupa perioada de utilizare a produsului. Reglementarile din ce in ce mai severe privind protectia mediului au impus abordarea, intensificarea si largirea cercetarilor referitoare la materiale biodegradabile.

Biodegradabilitatea reprezinta proprietatea unui material (inclusiv cel polimeric) de a-si modifica structura chimico-morfologica sub actiunea diverselor specii de microorganisme. Atacul microorganismelor asupra materialelor plastice are loc printr-un mecanism complex care se desfasoara pe trei nivele in functie de alterarea suportului. Astfel, biodegradarea primara se caracterizeaza prin aceea ca produce modificari numai la nivelul grupelor functionale ale unui polimer fara a afecta catena principala. Biodegradarea partiala determina degradarea unei substante polimerice tradusa prin fragmentarea volumului concomitent cu o distrugere redusa a suportului. Biodegradarea completa implica distrugerea completa a suportului macromolecular concomitent cu formarea unor produse secundare de reactie [1].

POLIPROPILENA + FIBRA NATURALA + FAINA DE LEMN

+PIGMENTI+ STABILIZATORI LA TEMPERATURA SI UV

CANTARIRE

PREGATIRE SARJA

OMOGENIZARE

ALIMENTARE SARJA IN PALNIA EXTRUDERULUI

COMPOUNDARE PE EXTRUDER

EXTRUDARE CABLURI

SUFLARE CABLURI

GRANULARE

USCARE

AMBALARE

1. PREPARAREA ESANTIOANELOR 1.1. Materii prime Materialele compozite au fost realizate din matricea polimerica a polipropilenei.

Matricea polimerica utilizata a fost a polipropilenei in care s-au adaugar diferiti agenti de ranforsare.

Materialele luate in studiu sunt materiale compozite pe baza de polipropilena si fibre naturale realizate in colaborare intre INCDIE ICPE CA si ICPE SA [2].

S-au studiat comparativ urmatoarele compozitii (tabelul 1):

Tabelul 1 Nr. crt.

Notatie Compozitie

1 10% FL/PP - M6 PP cu 10% FL

2 20% FL/PP - M7 PP cu 20% FL

3 30% FL/PP- M8 PP cu 30% FL

4 20% FL+5% in/PP M9 PP cu 20% FL si 5% in

5 30% FS/PP- M10 PP cu 30% FS

6 5% in/PP*- M11 PP ignifugata cu 5% in

7 PP* – M12 PP ignifugata

1.2 Fluxul tehnologic

Fluxul tehnologic si instalatia de obtinere a acestor materiale sunt prezentate in fig. 1.

Fig. 1 Fluxul tehnologic, instalatia si materialele obtinute A1 – Feeder Fillers; A3-Feeder Fiber Glass; A4 –Feeder Polymer; B1-Hooper Fillers; B3-Hooper

Fiber Glass; B4- Hooper Polymer; D1- Feeder Filers; D2- Feeder Pigments; D3- Feeder Fiber Glass; D4- Feeder Polymer; M- Motor; GB-Gear Box; E- Twin Screw Extruder; D-Die; P-Cooled Pump; R1-

Water Bath I; R2-Water Bath II; G-Granulator; S-Vibrator Screen



II. REZULTATE EXPERIMENTALE Pentru materialele obtinute s-au realizat urmatoarele teste :

• Analize structurale : Microscopie optica (Microdurimetru Vickers, Knoop – AHOTEC – Germania, 2007) si difractie de raze X (Difractometru de raze X tip D8 Advance)

• Rezistenta la rupere prin indoire- Masina de incercari mecanice Zwick T1 – FR005TN [3,4]

• Duritate Vikers - Microdurimetru Vickers, Knoop – AHOTEC – Germania, 2007 [3,4]

• Densitatea hidrostatica – Balanta analitica cu kit de densitate – Precisa • Estimarea rapida a duratei de viata prin analiza termica cu tehnici cuplate (TG-

DTA-DSC)- aparatul de analiza termica cu tehnici cuplate (TG-DTA-DSC- FTIR) cu domeniul de temperatura: 25 … 1500

0C; viteza de incalzire: 0 … 50 K/min;

atmosfera controlata.

• Analiza actiunii micromicetelor asupra acestor materiale se utilizand o etuva Memmert si o camera climatica [4]

II.1. ANALIZE STRUCTURALE

A. Microscopie optica Din imaginile in care se prezinta structura morfologica a acestor materiale compozite

folosind ca matrice polimerica polipropilena se constata dispunerea fibrelor de sticla precum si materialelor de umplutura (talc) si de ranforsare (faina de lemn si fibra de in).

Pentru materialele compozite cu diferiti ranforsanti (faina de lemn, sau faina de lemn impreuna cu fibre de in in diferite proportii) se constata o structura neomogena. Aceasta neomogenitate este evidentiata prin aglomerarea fainii de lemn si a fibrei de in datorita incarcarii electrostatice a acestora. In imaginile prezentate acest lucru se constata in existenta unor pete. Culoarea neagra este datorata negrului de fum adaugat pentru eliminarea incarcarii electrostatice a acestor materiale naturale.

In fig.2.este prezentata pentru exemplificare materialul PP ignifugata+5% fibra de in + pigment negru (M11).

(a) (b) (c)

Fig. 2 Imagini cu microscopul optic pentru materialul M11 la a) 0,05 mm (obiectivul de x20) si b) 0,1 mm (obiectivul de x10) c) 0,025 (obiectivul de x50)

Materialele compozite ignifugate se prezinta mult mai omogen. Pentru acest material se constata ca in structura lui morfologica apar fibre de in lungi

care se observa si in fig. 2 (c). Din analiza microscopica a acestor materiale compozite se constata ca acest material este cel mai omogena.

Pentru aceste materiale nu exista aglomerari ca in cazul materialelor M2-M10 si nici formatiuni datorate diferentei granulometrice.

In urma analizei microscopice se recomanda pentru folosirea ca varianta optima materialul POLIPROPILENA ignifugata + 5% fibra de in – M11 datorita omogenitatii pe care o prezinta acesta. B. Difractie de raze X

In fig. 3 sunt prezentate toate spectrele materialelor compozite luate in studiu. Componenta majoritara este polipropilena. Polimerii pot avea un anumit grad de cristalinitate, atunci cand in anumite zone ale materialului apar legaturi care ordoneaza structura 3D a polimerului. In aceste cazuri, prin difractie de raze X se poate identifica tipul de polimer.

Astfel, s-a determinat ca in probele analizate, polipropilena este de doua tipuri, adica cristalizeaza in doua structuri diferite.

Din spectrul fainii de lemn natur se (1) constata existenta a doua picuri unul mai larg (intre 10 si 20) si celalalt mai intens (intre 20 si 25). Aceste picuri se regasesc la toate spectrele care contin in compozitie lemn (respectiv la 3,4,5,6,7,8, 9).

In spectrul PP martor fara pigment (2) constatam ca polipropilena pe langa faza amorfa prezinta si o faza cristalina care se manifesta prin picurile din zona 14-24 grade. Aceste picuri apar la majoritatea spectrelor ceea ce reiese si din faptul ca matricea polimerica este aceiasi la toate materialele.

La spectrele (3, 4, 5, 7, 8, 9, 11, 12, 13) care sunt probe in care s-a adaugat ca pigment negrul de fum se constata existenta unui pic la aproximativ 30 grade.



Se observa de asemenea o usoara texturare a polipropilenei sindiotatice, prin faptul ca exista diferente intre rapoartele intensitatilor relative ale peak-urilor acestei faze. Acest fapt indica o influenta a procesului mecanic de obtinere a probelor asupra ordonarii in spatiu.

In cazul talcului se constat aparitia picurilor caracteristice acestui produs la 9 grade si la 29 grade. Totodata aceste picuri se mai regasesc si la M12 si M13 (ignifugat) precum si la materialul M11. Acest lucru se poate explica prin faptul ca talcul este folosit in procesul tehnologic de obtinere a acestor materiale compozite, pentru a preveni aderarea materialului pe snecul extruderului. In acelasi timp se asigura eliminarea riscului de blocare a snecului extruderului.

Dimensiunea medie de cristalit este prezentata in tabelul nr.2.

Tabelul nr. 2. Probe D (nm)

PP martor 20.8

PP+10% faina de lemn 21.2

PP+20% faina de lemn 20.1

PP+30% faina de lemn+pigment 20.5 PP+10% faina de lemn fara pigment 18.6 PP+20% faina de lemn+5% fibra de in 23.7

PP+20% faina de lemn+10% fibra de in 23.2

PP+25% faina de lemn+5% fibra de in 19.2

PP+30% fibra de sticla 24.4

PP+30% fibra de sticla+pigment 25.9

PP ignifugata+5% fibra de in 25.1 PP ignifugata 17.4

PP + 30 % talc 28.6

Analiza fiecarui material compozit in parte este prezentata detailat in rapoartele de incercare atasate.

In fig. 4 am prezentat ca exemplu doua materiale compozite cu fibra de in prezentate comparativ. Acestea sunt PP + 5% fibra de in si 25% faina de lemn + pigment - M3 SI PP+10% fibra de in si 20% faina de lemn + pigment – M5

Probele M3 (a) si M5 (b), sunt indicate cu “o” peak-urile care nu apar la polipropilena si

se datoreaza structurii lemnului. In urma incercarilor de difractie de raze X realizate pe materialele luate in studiu se

constata ca :

• Intensitatiile peak-urilor variaza fin cauza texturarii.

• Polimerii de regula sunt amorfi, in cazul acestor materiale compozite apar zone cristaline astfel se constata ca portiunea ordonata (cristalina) cea mai mare este pentru materialul compozit cu fibre de sticla, iar cea mai mica valoare fiind in cazul polipropilenei simple neranforsate. Acest lucru este imprimat materialului compozit de catre fibrele de sticla.

• Intre materialele compozite cu ranforsant faina de lemn si fibra de in se constata ca materialul care poseda cele mai mari portiuni de faze ordonate (cristaline) este materialul compozit cu continutul cel mai mare in fibra de in. Pentru aceste materiale se observa un peak specific structurii lemnului

• Toate materialele compozite luate in studiu (in afara de materialul compozit cu 30% talc) cristalizeaza in sistem ortorombic

• In cazul materialului compozit cu umplutura talc se constata ca atat talcul (albastru) cat si cloritul (rosu) cristalizeaza in sistem triclinic si in proba nu se observa decat peak-urile care corespund directiilor de cristalizare paralele cu baza celulei. Totodata aceste picuri se mai regasesc si la M12 si M13 (ignifugat) precum si la materialul M11. Acest lucru se poate explica prin faptul ca talcul este folosit in procesul tehnologic de obtinere a acestor materiale compozite, pentru a preveni aderarea materialului pe snecul extruderului. In acelasi timp se asigura eliminarea riscului de blocare a snecului extruderului.

• Spectrele pentru fiecare material compozit sunt prezentate in rapoartele de incercare

II.2. REZISTENTA LA RUPERE PRIN INDOIRE

Rezultatele obtinute pentru materialele luate in studiu sunt prezentate in tabelul nr. 3.



Tabelul 3

Nr crt.

Materialul compozit luat in studiu Media rezistentelor la rupere prin incovoiere

1 PP 446

2 PP+30% fibra de sticla alb 456

3 PP+30% faina de lemn 316

4 PP+30% talc 356 5 PP+25% faina de lemn +5%fibra de in 314

6 PP+20% faina de lemn +10% fibra de in 358 7 PP+10% faina de lemn 385



10 PP+20% faina de lemn +5% fibra de in 299 11 PP+30% fibra de sticla negru 339

12 PP ignifugata + 5% fibra de in 362

13 PP ignifugata 409

Din aceste rezultate se constata ca :

o prin adaugarea unui material de ranforsare in matricea polimerica rezistenta mecanica creste cu 10 unitati;

o prin adaugarea de procente crescatoare de faibna de lemn in matricea polimerica (10%, 20 % si 30%) rezistenta mecanica scade fata de matricea polimerica cu 61, 139 si respectiv 150 de unitati

o prin adaugarea de procente crescatoare de fibra de in cu procentul corespunzator de faina de lemn se constta o scadere a rezistentei mecanice fata de matricea polimerica cu 132 de unitati pentru PP+25% faina de lemn +5%fibra de in cu 88 pentru PP+20% faina de lemn +10% fibra de in cu 147 unitati pentru PP+20% faina de lemn +5% fibra de in si cu 84 unitati pentru materialul PP ignifugata + 5% fibra de in

o prin adaugarea pigmentului se rezistenta mecanica scade cu 117 unitati pentru materialul PP+30% fibra de sticla – acest lucru ne mai poate duce la o concluzie : adaugarea pigmentului in compozitia materialului compozit afecteaza rezistenta mecanica a materialului

o intre cele doua materiale i9gnifugate analizate p rezitenta mecanica mai buna o prezinta materialul ignifugat fara adaus de fibra de in. Totusi scaderea rezistentei mecanice a acesteia nu este foarte mare (aproximativ 47 unitati).

o Rezistenta mecanica a materialului ingnifugat cu fibra de in este mai mare chiar decat a materialului compozit cu umplutura de talc.

Prin compararea valorilor obtinute pentru materialele compozite care contin fibre de in (obiectul proiectului nostru) se constata ca cel mai bun din punct de vedere mecanic este materialul PP ignifugata + 5% fibra de in. Acest material va fi ales ca varianta optima si dupa acest criteriu de incercare.

II.3 DURITATEA ROCKWELL

Rezultatele experimentala obtinute sunt prezentate in tabelul nr.4.

Tabelul nr. 4 Nr crt. Materialul compozit luat in studiu Duritatea Rockwell



9 PP+30% faina de lemn 93,5

10 PP+20% faina de lemn +5% fibra de in 81,25

11 PP+30% fibra de sticla negru 111,8 12 PP ignifugata + 5% fibra de in 111 13 PP ignifugata 113,3

Pentru aceste ultime recepturi de materiale s-a determinat si o duritate Rockwell.

• Indiferent de ranforsantul folosit duritatea Rockwell scade, raportata la polipropilena ignifugata simpla folosita ca matrice.

• Aditivul de ingnifugare scade rezistenta la rupere cu 1.7 unitati ( 1,5%)pentru PP simpla • Valori apropiate ale duritatii Rockwell au fost determinate pentru polipropilena ranforsat cu

30 % faina de lemn si 5 % fibra scurta de in. • Difernta fiind mica, mai mica de o unitate , nu este seminifcativa , tinind cont si de pretul

de cost ridicat al fibrei de sticla. • Este indicat inlocuirea unui ranforsant cu potential iritant pentru muncitori, fibra de sticla,

cu un ranforsant neiritant, mai ieftin si care introduce propietatea de biodegradabilitate compozitului final.

• Din punctul de vedere al duritatii Rockwell utilizarea ranforsantului natural (5% in) este indicata si da cele mai bune rezultate.

O clasificare din punct de vedere al duritatilor masurate se poate face astfel : PP > PP ignifugata > PP+30% fibra de sticla negru > PP ignifugata + 5% fibra de in > PP+30% talc > PP+30% faina de lemn > PP+10% faina de lemn > PP+30% fibra de sticla alb > PP+25% faina de lemn +5%fibra de in > PP+20% faina de lemn +10% fibra de in > PP+30% faina de lemn > PP+20% faina de lemn > PP+20% faina de lemn +5% fibra de in.

Din rezultatele obtinute pentru aceste ultime recepturi de materiale compozite bio-degradabile, care fac obiectul acestui proiect, se constata ca cea mai buna duritate o prezinta materialul : PP ignifugata + 5 % fibre de in.

II. 4. DENSITATE HIDROSTATICA Rezultatele masuratorilor sunt prezentate in raportul de incercare.

Tabelul 5

Nr crt.

Materialul compozit luat in studiu Densitatea Hidrostatica

1 PP 0,879

2 PP+30% fibra de sticla alb 1,069 3 PP+30% faina de lemn fara colorant 0,998

4 PP+30% talc 1,1

5 PP+25% faina de lemn +5%fibra de in 0,945

6 PP+20% faina de lemn +10% fibra de in 0,906 7 PP+10% faina de lemn 0,837

8 PP+20% faina de lemn 0,889 9 PP+30% faina de lemn cu colorant 0,943

10 PP+20% faina de lemn +5% fibra de in 0,519

11 PP+30% fibra de sticla negru 0,657

12 PP ignifugata + 5% fibra de in 0,953

13 PP ignifugata 0,945



In urma acestor teste se constata ca densitatea hidroostatica variaza direct proportional cu cresterea procentului de ranforsanti.

O clasificare a acestor materiale din punctul de vedere al densitatii hidrostatice se poate face mai jos : PP+30% talc > PP+30% fibra de sticla alb > PP+30% faina de lemn fara colorant > PP ignifugata + 5% fibra de in > PP+25% faina de lemn +5%fibra de in > PP ignifugata > PP+30% faina de lemn > PP+20% faina de lemn +10% fibra de in > PP+20% faina de lemn > PP > PP+10% faina de lemn

PP+30% fibra de sticla negru > PP+20% faina de lemn +5% fibra de in. Daca comparam materialele care contin ranforsantii naturali micsti constatam ca

ordinea de crestere a densitatii este urmatoarea : PP ignifugata + 5% fibra de in > PP+25% faina de lemn +5%fibra de in > PP+20% faina de lemn +10% fibra de in > PP+20% faina de lemn +5% fibra de in.

Se constata ca :

• cele mai bune valori se constata la ranforsantii nebiodegradabili din FS si din talc,

• prin adaugarea in matricea polimerica de orice ranforsant densitatea creste.

• valoarea densitatii hidrostatice cea mai mare dintre materialele cu ranforsanti micsti o prezinta : PP ignifugata + 5% fibra de in

• fata de polipropilena ranforsata cu ranforsanti nebiodegradabila acest material prezinta o densitate hidroostatica mai mica ceea ce implica o greutate mai mica

• acesta reducere a greutatii este foarte importanta deoarece implica si o reducere a greutatii totale a profilului pe care il vom obtine din acest material fata de cel clasic. Acest lucru duce la scaderea masei totale a autoturismului.

II.5 ESTIMAREA RAPIDA A DURATEI DE VIATA PRIN ANALIZA TERMICA CU

TEHNICI CUPLATE (TG-DTA-DSC)

Rezultatele experimentale sunt prezentate comparativ in tabelul nr.7. iar in raportul de experimentare sunt prezentate pe larg rezultatele obtinute, precum si diagramele obtinute pentru fiecare material in parte.

Probele prezinta termograme similare. La inspectarea acestor termograme se constata ca la incalzirea progresiva a unui material au loc procesele :

♦ Procesul I – pierderea de apa. Acest proces este suferit numai de materialele M2, M3, M5 si M8.

♦ Procesul II - Topirea (Tmin DSC,°°°°C) materialelor compozite. Se constata ca la toate materialele se evidentiaza punctul de topire apropiat de cel al polipropilenei. Diferentele nesemnificative intre aceste puncte de topire sunt date de materialele de ranforsare folosite precum si datorita neomogenitatii probelor,

♦ Procesul III – Oxidarea cu formare de produsi solizi

♦ Temperatura initiala a primului proces de oxidare (TIN°°°°C) cu formare de hidroperoxizi solizi indica stabilitatea materialelor la oxidare.

a. Stabilitatea la termo-oxidare depinde de temperatura initiala a procesului cu formare de hidroperoxizi solizi. In cazul unei serii de materiale stabilitatea termica creste odata cu cresterea acestei temperaturi. Pentru seria investigata ordinea este: M0≈M1<M6<M11≈M10≈M12≈M5≈M3< M2<M8=M9<M1<M7

b. Daca dintre aceste materiale le consideram doar pe cele care contin ranforsanti nebiodegradabili si le comparam pe cele care contin fibre de in obtinem urmatoarea ordine de crestere a stabilitatii la termo-oxidare : M3≈M5≈M11<M9.

In tabelul 6 se prezinta comparativ cateva informatii obtinute in urma analizei termice pentru aceste materiale compozite.

Tabelul 6



II.6 ESTIMAREA RAPIDA A DURATEI DE VIATA PRIN ACTIUNEA ACCELERATA A UNOR CIUPERCI ASUPRA MATERIALELOR COMPOZITE

STUDIATE

Au fost analizate 2 loturi de compozite pe baza de polipropilena avand urmatoarea codificare si compozitie a umpluturii biodegradabile:

Lotul 1: Mo -polipropilena martor; M1-PP+30%fibra de sticla; M4-PP+30%talc; M5-PP+10%in+20%faina de lemn; M3-PP+5%in+25%faina de lemn; M2-PP+30%faina de lemn.

Lotul 2: M6-pr.1-PP-10L; M7-pr.2-PP-20L; M8-pr.3-PP-30L; M9-pr.4-PP-20L-5in ; M10-pr.5-PP-30fibra de sticla ; M11-pr.12-PP-5in-ignifugata ; M12-pr.13-PP-30FR300- agent de ignifugare

Primul lot, la care epruvetele au avut grosimea de 0,75mm, a avut o perioada de biodegradare de 6 luni, analizele efectuandu-se la 45,90 si 180 de zile.La cel de-al doilea lot epruvetele au ramas la grosimea initiala iar perioada de biodegradare a fost de3luni,observatiile si analizele efectuandu-se la 45 si 90zile.

Rezultatele obtinute privind pierderile de greutate sunt prezentate in tabelele nr.8. Determinarea variatiei de masa (sau a pierderii de greutate) s-a facut conform metodei standardizate pentru materiale plastice SR EN ISO 846/2000.

Remarcam cresterea cu preponderenta a ciupercilor cu potential biodeteriogen pentru lemn si materiale textile: Chaetomium globosum, Myrothecium verrucaria si Stachybotris atra (foto nr. 1, 2 si 3) dar si a altor specii de ciuperci celulozolitice precum Trichoderma viride, Aspergillus flavus, Paecilomyces variotii, specii de Penicillium.

Analizand rezultatele prezentate in tabelul nr.7 si in fig.5 se constata ca

♦ proba 20% faina de lemn si10% fibra de in are viteza cea mai mare de biodegradare - 6,906% pierdere in greutate in 3 luni si respectiv. 12,58% in 6 luni, urmata de proba cu 25% faina de lemn si 5% in si de proba cu 30% faina de lemn.

♦ Dintre probele cu viteze mici de biodegradare, pe ultimul loc se afla proba cu 30% fibra de sticla, care a pierdut doar 0,17% in 3 luni si absoarbe apa la 6 luni, urmata in ordine crescatoare de probele PP martor si PP * 30% talc

In cazul lotului 2 de compozite-tabelul nr.8, notam urmatoarele aspecte:

♦ dupa 45 de zile de expunere pe mediul de biodegradare, viteza cea mai mare de biodegradare o are proba simbolizata PP-ignifugata cu 5% fibre de in (M11) avand o pierdere de greutate de 1,44%.

♦ pentru toate celelalte probe valorile date in tabel se refera la pierderile in greutate a unei probe sau a doua probe din cele 4 testate in paralel.Restul probelor au absorbit apa,atat dupa 45 de zile cat si dupa 90 de zile, datorita prezentei fainei de lemn cat si mai ales datorita grosimii prea mari a epruvetelor. La aceste probe, valoarea cea mai mare a pierderii in greutate a fost de 1,03% la proba PP-30L, iar valoarea cea mai mica a fost de 0,16% pentru proba PP ignifugata.

♦ dupa 90 de zile de biodegradare,singura proba care a pierdut din greutate a fost proba PP-ignifugata cu 5%in-3,45% iar proba PP ignifugata (M12) a ramas la aceeasi greutate. Restul probelor au absorbit apa.

Tabelul 7


2 5 - 2 8 . 0 9 . 2 0 0 9 ; A c q u i s t e m ; A g i g e a S t a ţ i a I C P E .

Fotografii realizate cu obiectivul de 4x la Stereomicroscop NIKON SNZ 1000 magnitudine intre x8 si x 80cu aparat foto digital (inclus) NIKON D60x cu obiectiv macro de 60x (aparat existent in dotarea ICCR): Fig. 5 Peritecii de Chaetomium globosum pe proba PP-20L-5in

Fig. 6 – Sporodochii de Myrothecium verrucaria pe proba PP-20L

Fig. 7 – Stachybotrys atra pe proba PP-5in-ignifug

Fig. 8 Chaetomium globosum si Stachybotris atra, fisuri pe – PP 30% faina de lemn

CONCLUZII GENERALE

Rezultatele obtinute in urma :

• analizelor structurale sunt prezentate dupa cum urmeaza astfel : � pentru analiza spectrelor de difractie de raze X. Din aceste incercari se

constata ca: intensitatiile peak-urilor variaza fin cauza texturarii; polimerii de regula sunt amorfi, in cazul acestor materiale compozite apar zone cristaline astfel se constata ca portiunea ordonata (cristalina) cea mai mare este pentru materialul compozit cu fibre de sticla, iar cea mai mica valoare fiind in cazul polipropilenei simple neranforsate. Acest lucru este imprimat materialului compozit de catre fibrele de sticla; intre materialele compozite cu ranforsant faina de lemn si fibra de in se constata ca materialul care poseda cele mai mari portiuni de faze ordonate (cristaline) este materialul compozit cu continutul cel mai mare in fibra de in. Pentru aceste materiale se observa un peak specific structurii lemnului. Toate materialele compozite luate in studiu (in afara de materialul compozit cu 30% talc) cristalizeaza in sistem ortorombic. In cazul materialului compozit cu umplutura talc se constata ca atat talcul (albastru) cat si cloritul (rosu) cristalizeaza in sistem triclinic si in proba nu se observa decat peak-urile care corespund directiilor de cristalizare paralele cu baza celulei. Totodata aceste picuri se mai regasesc si la M12 si M13 (ignifugat) precum si la materialul M11. Acest lucru se poate explica prin faptul ca talcul este folosit in procesul tehnologic de obtinere a acestor materiale compozite, pentru a preveni aderarea materialului pe snecul extruderului. In acelasi timp se asigura eliminarea riscului de blocare a snecului extruderului.

� pentru analiza structurala-microscopie optica Din imaginile in care se prezinta structura morfologica a acestor materiale compozite folosind ca matrice polimerica polipropilena se constata dispunerea fibrelor de sticla precum si materialelor de umplutura (talc) si de ranforsare (faina de lemn si fibra de in).

Pentru materialele compozite cu diferiti ranforsanti (faina de lemn, sau faina de lemn impreuna cu fibre de in in diferite proportii) se constata o structura neomogena. Aceasta neomogenitate este evidentiata prin aglomerarea fainii de lemn si a fibrei de in datorita incarcarii electrostatice a acestora. In imaginile prezentate acest lucru se constata in existenta unor pete. Culoarea neagra este datorata negrului de fum adaugat pentru eliminarea incarcarii electrostatice a acestor materiale naturale.

Prin compararea imaginilor obtinute pentru materialele compozite luate in studiu putem trage conluzia ca materialul PP ignifugata + 5% fibra de in este cel mai omogen.

• determinarea variatiei proprietatilor mecanice de suprafata precum si a rezistentei mecanice pentru toate recepturile obtinute :

• pentru rezistenta la incovoiere Prin adaugarea unui material de ranforsare in matricea polimerica rezistenta

mecanica creste cu 10 unitati, totodata procente crescatoare de faina de lemn in matricea polimerica (10%, 20 % si 30%) implica o scadere a rezistentei mecanice fata de matricea polimerica cu 61, 139 si respectiv 150 de unitati. Procente crescatoare de fibra de in cu procentul corespunzator de faina de lemn se constata o scadere a rezistentei mecanice fata de matricea polimerica cu 132 de unitati pentru PP+25% faina de lemn +5%fibra de in cu 88 pentru PP+20% faina de lemn +10% fibra de in cu 147 unitati pentru PP+20% faina de lemn +5% fibra de in si cu 84 unitati pentru materialul PP ignifugata + 5% fibra de in. Adaugarea pigmentului rezistenta mecanica scade cu 117 unitati pentru materialul PP+30% fibra de sticla – acest lucru ne mai poate duce la o concluzie : adaugarea pigmentului in compozitia materialului compozit afecteaza rezistenta mecanica a materialului

Intre cele doua materiale ignifugate analizate prezistenta mecanica mai buna o prezinta materialul ignifugat fara adaus de fibra de in. Totusi scaderea rezistentei mecanice a acesteia nu este foarte mare (aproximativ 47 unitati).

Rezistenta mecanica a materialului ingnifugat cu fibra de in este mai mare chiar decat a materialului compozit cu umplutura de talc.

Prin compararea valorilor obtinute pentru materialele compozite care contin fibre de in (obiectul proiectului nostru) se constata ca cel mai bun din punct de vedere mecanic este materialul PP ignifugata + 5% fibra de in.

• pentru duritatea Rockwell Indiferent de ranforsantul folosit duritatea Rockwell scade, raportata la polipropilena

ignifugata simpla folosita ca matrice. • Aditivul de ingnifugare scade rezistenta la rupere cu 1.7 unitati ( 1,5%)pentru PP simpla • Valori apropiate ale duritatii Rockwell au fost determinate pentru polipropilena ranforsat

cu 30% faina de lemn si 5% fibra scurta de in. • DiferEnta fiind mica, mai mica de o unitate , nu este seminifcativa , tinind cont si de

pretul de cost ridicat al fibrei de sticla. • Este indicat inlocuirea unui ranforsant cu potential iritant pentru muncitori, fibra de

sticla, cu un ranforsant neiritant, mai ieftin si care introduce propietatea de biodegradabilitate compozitului final.

• Din punctul de vedere al duritatii Rockwell utilizarea ranforsantului natural (5% in) este indicata si da cele mai bune rezultate.

O clasificare din punct de vedere al duritatilor masurate se poate face astfel : PP > PP ignifugata > PP+30% fibra de sticla negru > PP ignifugata + 5% fibra de in > PP+30% talc > PP+30% faina de lemn > PP+10% faina de lemn > PP+30% fibra de sticla alb > PP+25% faina de lemn +5%fibra de in > PP+20% faina de lemn +10% fibra de in > PP+30% faina de lemn > PP+20% faina de lemn > PP+20% faina de lemn +5% fibra de in.

• pentru densitatea hidrostatica Daca comparam materialele care contin ranforsantii naturali micsti constatam ca

ordinea de crestere a densitatii este urmatoarea : PP ignifugata + 5% fibra de in > PP+25% faina de lemn +5%fibra de in > PP+20% faina de lemn +10% fibra de in > PP+20% faina de lemn +5% fibra de in.

Se constata ca :

♦ cele mai bune valori se constata la ranforsantii nebiodegradabili din fibra de sticla si din talc,

♦ prin adaugarea in matricea polimerica de orice ranforsant densitatea creste.

♦ valoarea densitatii hidrostatice cea mai mare dintre materialele cu ranforsanti micsti o prezinta: PP ignifugata + 5% fibra de in


2 5 - 2 8 . 0 9 . 2 0 0 9 ; A c q u i s t e m ; A g i g e a S t a ţ i a I C P E .

♦ fata de polipropilena ranforsata cu ranforsanti nebiodegradabila acest material prezinta o densitate hidroostatica mai mica ceea ce implica o greutate mai mica

♦ acesta reducere a greutatii este foarte importanta deoarece implica si o reducere a greutatii totale a profilului pe care il vom obtine din acest material fata de cel clasic. Acest lucru duce la scaderea masei totale a autoturismului.

• determinarea duratei de viata a materialelor compozite din fibre naturale si rasini termoplastice

Probele prezinta termograme similare. La inspectarea acestor termograme se constata ca la incalzirea progresiva a unui material au loc procesele :

-Procesul I – pierderea de apa. Acest proces este suferit numai de materialele M2, M3, M5 si M8.

-Procesul II - Topirea (Tmin DSC,°C) materialelor compozite. Se constata ca la toate materialele se evidentiaza punctul de topire apropiat de cel al polipropilenei. Diferentele nesemnificative intre aceste puncte de topire sunt date de materialele de ranforsare folosite precum si datorita neomogenitatii probelor,

-Procesul III – Oxidarea cu formare de produsi solizi

Temperatura initiala a primului proces de oxidare (TIN°C) cu formare de hidroperoxizi solizi indica stabilitatea materialelor la oxidare.

o Stabilitatea la termo-oxidare depinde de temperatura initiala a procesului cu formare de hidroperoxizi solizi. In cazul unei serii de materiale stabilitatea termica creste odata cu cresterea acestei temperaturi. Pentru seria investigata ordinea este: M0≈M1<M6<M11≈M10≈M12≈M5≈M3< M2<M8=M9<M1<M7 o Daca dintre aceste materiale le consideram doar pe cele care contin ranforsanti

nebiodegradabili si le comparam pe cele care contin fibre de in obtinem urmatoarea ordine de crestere a stabilitatii la termo-oxidare : M3≈M5≈M11<M9.

• Evaluarea biodegradabilitatii prin actiunea accelerata a unor factori de mediu asupra materialelor compozite studiate . In urma acestor analize se recomanda folosirea ca varianta optima a materialului PP

ignifugata cu 5% fibra de in. Aceasta prezinta cea mai buna comportare la actiunea micromicetelor

• Alegerea variantei optime se realizeaza comparand rezultatele obtinute In urma realizarii acestor incercari pe aceste materiale compozite se poate trage

concluzia ca pentru etapa urmatoare am ales ca varianta optima polipropilena ignifugata cu 5 % fibra de in deoarece prezinta cele mai bune caracteristici pentru majoritatea testelor la care a fost supusa

REFERENCE

1. Thomas G. Schuh, Daimler-Chrysler AG, Stuttgart 2000 “Renewable Materials for Automotive Applications” pg. 1-10.

2. SR EN ISO 1873-2:2000A1:2003 – “Materiale Plastice. Polipropilena (PP) pentru injectie si extrudare:Partea 2 : Prepararea epruvetelor si determinarea proprietatilor Amendament 1”

3. SR EN ISO 527-1: 2000 – “Materiale plastice. Determinarea proprietatilor de tractiune. Partea 1 : Principii generale”

4. SR EN ISO 527-2: 2000 - Materiale plastice. Determinarea proprietatilor de tractiune. Partea 2 : Conditii de incercare a materialelor plastice pentru injectie si extrudare

5. SR EN ISO 604:2004 – “Materiale plastice. Evaluarea actiunii microorganismelor.” 6. A. R. Caramitu, I. Ion,

V. Nicolae, L.Avadanei, S. Cotescu, N.M. Popescu, I. Pauna, G.

Anghelache, V. Lazar, M.Badita Natural - fiber-reinforced polymer composites in automotive applications la conferinta : “The 3

rd International Conference “Smart Materials, Structures and

Systems” care a avut loc in Acireale Sicilia in perioada 8-13 iunie 2008.

COMPOZITE BIODEGRADABILE CU APLICATII IN · PDF fileCa materiale de ranforsare s-au folosit :...

Documents

Transcript of COMPOZITE BIODEGRADABILE CU APLICATII IN · PDF fileCa materiale de ranforsare s-au folosit :...