Menu
Categories
Compozite polimerice cu microfibrile celulozice
30/04/2008 Constructii din lemn
Share

Posibilitatea inlocuirii compozitelor din polimeri si fibre de sticla, cu materiale compozite celulozice, nedaunatoare mediului si sanatatii umane, reprezinta un obiectiv important pentru perioada actuala. Abundenta unei materii prime, regenerabila, este un alt avantaj al utilizarii umpluturilor celulozice in aplicatii industriale.

Folosirea microfibrilelor celulo­zice, cu diametre submicronice, determina obtinerea unor materiale noi, inovatoare, cu proprietati mult imbunatatite comparativ cu materialele clasice din polimeri si produse celulozice, tip faina din lemn, rumegus s.a.

 

Dimensiunile fibrelor celulozice (lungime, diametru, factor de forma) influenteaza atat capacitatea de dispersare a acestora in polimer si adeziunea la interfata, cat si caracteristicile compozitului final.

Compozitele cu microfibrile celulozice sunt intens cercetate in perspectiva realizarii unor materiale polimerice cu proprietati similare acelora care contin nanoargile. Premisele sunt incurajatoare, deoarece modulul Young al microfi­brilelor celulozice cristaline, determinat experimental, este de 137 GPa (valoarea teoretica 250 GPa), comparativ cu 75 GPa al fibrelor de sticla si mai mare decat al otelului. Aceasta rigiditate provine din structura cristalina care urmareste un aranjament supramolecular, elicoidal, foarte ordonat (fig. 1).

Microfibrilele au latimi de 10-30 nm si lungimi de cateva sute de nano­metri, astfel incat factorul de forma depaseste valoarea de 20.

Dimensiunile microfibrilelor depind de sursa de celuloza, tratamentul aplicat si de gradul de defibrilizare.

Nanostructurarea umpluturii orga­nice se poate realiza printr-un proces mecanic, plecand de la pasta din lemn. Se pot obtine structuri fibrilare cu diametre intre 20 nm si 100 nm si lungimi peste 200 nm. Cand procesul mecanic este precedat de un tratament chimic, se pot obtine microfibrile cu diametrul de 5-10 nm.

Iata cateva rezultate experimentale ale autorilor, privitoare la obti­nerea microfibrilelor celulozice prin tratamente pur mecanice si a compozitelor din polipropilena si aceste microfibrile, precum si principalele caracteristici corelate cu aspecte morfologice.

 

Materiale folosite

Polipropilena homopolimer HP 501M (indice de fluiditate IF = 7,5 g/10 min, d = 0,90 g/cm3) de la firma Bassel, utilizata ca matrice polimerica. S-a folosit ca agent de compatibilizare o polipropilena maleinizata tip Polybond 3200 (MA-PP; 1% anhidrida maleica, IF = 115 g/10 min, d = 0,91g/cm3).

Microfibrile celulozice obtinute pe cale mecanica

Materia prima din care s-au separat microfibrilele celulozice:lemn de mici dimensiuni, din exploatari si ramasite din fabricile de cherestea, in amestec rasinoase si foioase.

Instalatia de pregatire a pastei mecanice:linia industriala existenta in tara, intr-o fabrica de placi din fibre din lemn.

Metoda de obtinere a microfi­brilelor celulozice. Pentru obtinerea microfibrilelor celulozice s-a pornit de la fibre preparate industrial prin defibrarea aschiilor din lemn provenit din resurse secundare (deseuri). S-au folosit exclusiv procedee mecanice. Materialul fibros (fig. 2) a fost fractionat pe site plane oscilante, pentru aflarea distributiei marimii particulelor in masa fibroasa. Rezultatele obtinute sunt prezentate in tabelul 1.

Aspectul morfologic al probelor de fibre industriale, cu diametre de 40-200 mm, separate mecanic din pasta defibrata, procedeul uscat si vizualizate cu microscopul optic, este prezentat in fig. 3.

Imaginile arata structuri fibrilare cu diametre si lungimi diferite, dependente de natura materiei prime si de marimea fortei de defibrare din instalatiile industriale. Se observa un factor de forma >10, care ofera fibrelor potentialul de ranforsare a matricei polimere.

Metodele de obtinere a micro(nano)­fibrilelor, prin tratamente pur mecanice:

• uscarea fibrelor pana la umiditatea de 2-4%, in etuva, la o tempe­ratura de 103 0C ;

• fractionarea fibrelor uscate pe site plane oscilante, pentru indepartarea particulelor cu diametre mai mari de 800 mm ;

• prelucrarea mecanica a fractiunilor sortate, prin macinare in doua trepte:

Treapta I: macinarea fibrelor prin forfecare, intr-o moara coloidala de turatie medie, in mai multe sarje. Inainte de macinare, fibrele fiecarei sarje au fost plasate intr-un blender de laborator cu apa si agitate cateva minute pentru dispersare. Pasta obtinuta prin macinare a fost filtrata sub vid, pe o sita cu ochiuri de 40 mm. Filtratul a fost uscat la 80 0C, pana la umiditatea de echilibru higroscopic a fibrei. In aceasta etapa, fibrilele desprinse din peretele celular isi mentin aproape toate componentele chimice, mai putin pectinele.

Treapta II: macinarea filtratului obtinut in treapta I, prin actiuni mecanice severe, cu o moara cu bile, ultraturax, 13.000 rpm, in cicluri repetate, pana la aducerea dimensiunilor fibrilelor celulozice la valori micro/ nanometrice. Suspensia rezultata in urma macinarii a fost spalata, omogenizata si filtrata sub vid, pentru separarea si apoi uscarea microfibrilelor celulozice.

Efectul tratamentelor mecanice asupra fragmentarii peretilor celulari in micro(nano)fibrile celulozice a fost investigat prin microscopie optica si electronica. Masuratorile prezentate in imaginile din fig. 4, realizate cu un microscop optic, MOTIC-DMW B-223 ASC, arata variatii ale diame­trului microfibrilelor celulozice, ca rezultat al omogenizarii neuniforme a acestora in instalatia de laborator. Domeniul factorului de forma a fibri­lelor individuale este de 10 la 15 pentru fibrilele lungi si 5 la 10 pentru fibrilele scurte.

Obtinerea lotului de material compozit pentru testare

Lotul de testare de material compozit cu microfibrile celulozice reali­zate de INL Bucuresti a fost obtinut de catre ICECHIM (partener al proiectului), folosind ca polimer matrice o polipropilena homopolimer tip Moplen HP 500 N (granule), produs al firmei Basell. Principalele proprietati ale polipropilenei utilizate ca matrice sunt prezentate in tabelul 2 (date din prospectul firmei).

Pentru realizarea loturilor de material compozit, s-a folosit un extruder dublu snec, tip Leistritz L.S.M. 30-34, prevazut cu zona de degazare.

 

Caracterizarea fizico-mecanica a bio(nano)compozitelor polimerice obtinute

Caracterizarea fizica cu ajutorul microscopului optic si electronic

Microfibrilele celulozice utilizate in testele pilot au fost vizualizate cu un microscop electronic Quanta. Imaginile SEM sunt prezentate in fig. 5.

Se observa microfibrile cu dia­me­trul mediu de ~5 mm si cu diametre disperse, in domeniul 500 nm … 5 mm.

Dispersarea in matricea polime­rica a microfibrilelor celulozice si gradul de deteriorare a factorului de forma sunt vizibile in imaginile rea­lizate cu un microscop optim cu transmisie (MC5), la care s-a atasat o camera video.

In fig. 6 sunt prezentate imagini obtinute cu microscopul optic (500X) pentru compozitul PP/microfibrile, varianta B1 (fara concentrat) si varianta B2 (cu concentrat).

Caracterizarea mecanica

Din loturile de testare realizate s-au obtinut epruvete pentru caracterizarea fizico-mecanica, prin injectie, folosind o masina de injectie orizontala, cu melc-piston, tip Engel ES 40/22.

S-au determinat urmatoarele caracteristici:

• rezistenta la tractiune la rupere conform SR EN ISO 527;

• alungirea la rupere conform SR EN ISO 527;

• rezistenta la soc Izod conform SR EN ISO 180;

• modulul de elasticitate la tractiune conform SR EN ISO 527.

Rezultatele obtinute in urma carac­terizarii mecanice a lotului de testare, in cele doua variante, B1 (fara concentrat) si B2 (cu concentrat), sunt prezentate in tabelul 3.

 

Caracterizarea reologica

Se obtine o crestere a fluiditatii materialului la introducerea microfi­brilelor celulozice, cres­terea fiind mai accentuata in cazul aplicarii procedeului cu concentrat (tabelul 4). Pot exista mai multe cauze ale acestei micsorari de vascozitate, dar cele mai plauzibile sunt influenta celorlalti componenti, mai putin stabili, pre­zenti alaturi de celuloza in microfi­brilele, precum si maruntirea avansata a microfibrilelor cu grosimi mici.

 

Caracterizarea rezistentei La atac biologic

Materialele supuse testarilor sunt: biocompozitele polimerice cu micro­(nano)fi­brile celulo­zice obtinute prin tratamente mecanice, biocompozitele polimerice cu micro­(nano)fi­­brile celu­lozice obtinute prin tratamente chimice si polipropilena, proba martor (fig. 7).

Caracteristicile  dimensionale ale probelor sunt date in tabelul 5.

Metode de incercare

Standarde europene pentru evaluarea durabilitatii naturale, pe cale micologica, a lemnului:

• SR EN 350-1:1997;

• SR EN 460:1998;

• SR EN 335-1:1997;

• SR EN 113:2003;

• SR 649:1994;

• ASTM D 1413:76 (revizuit).

Testarea rezistentei la putrezire

Principiul metodei: expunerea epruvetelor prelevate din biocompozitul polimeric cu microfibrile celulozice la atacul ciupercilor basidio­mycete licnivore, in cultura pura.

Materialul biologic folosit: ciuperca Gloephyllum trabeum (Persoon ex Fries) Murril, susa (BAM.Ebw.109) pastrata in laboratorul de micologie al INL, pentru intretinere (replicari periodice, alternarea mediilor de cultura) conservare si pentru asigura­rea vigorii acesteia.

Mediu de cultura: malt-agar, amestec cu urmatoarea compozitie:

• extract de malt concentrat 50±0,5 g;

• agar-agar, intre 20±0,5 g si 30±0,5 g, care nu cauzeaza inhibitia ciupercilor;

• apa de calitate 3, conform EN ISO 3696: cantitate pentru 1.000 ml.

Aparatura utilizata:

incinta de conditionare, ventilata, mentinuta la 20±2 0C si o umiditate relativa a aerului de 65±5%;

• incinta de cultura, obscura, men­tinuta la o temperatura de 20±2 0C si la o umiditate relativa a aerului de 75±5 %;

• etuva pentru uscare reglata la 103±2 0C;

• recipiente pentru tratament;

• lampi cu ultraviolete pentru ste­rilizarea aerului;

• autoclava pentru sterilizarea mediului de cultura cu ajutorul vaporilor de apa;

• balanta cu o exactitate de precizie 0,001 g si un exicator dotat cu un deshidratant eficace;

• material curent de laborator.

Mod de lucru:

prelevarea epruvetelor;

• sterilizare in abur, la presiunea de 103 Kpa, 30 minute;

• uscare in etuva (105 0C) pana la obtinerea greutatii constante, prin cantariri succesive;

• conditionare in exsicator;

• determinarea masei (m0).

Expunerea la ciuperci:

inocularea cu ciuperci a vase­lor de cultura, in incinta de crestere, in conditii sterile asigurate cu ajutorul lampilor de ultraviolete;

• vasele de cultura cu mediu de cultura proaspat preparat (max. 5-6 zile) se inoculeaza prin introducerea in fiecare vas a unei fractiuni din miceliul ciupercii test;

• vasul de cultura se pastreaza in incinta de crestere pana ce miceliul ciupercilor test acopera in intregime mediul de cultura din vase.

Durata incercarilor: 120 de zile.

Rezultatele incercarilor:

• pierderea de masa P = 0;

• raportul de durabilitate Rc = 100;

• clasa de durabilitate: 1;

• caracterizare: foarte durabil.

Testarea rezistentei la mucegaire

Metoda de laborator: STAS 8022-91, STAS 8864-77

Durata testarilor: 120 de zile

Principiul metodei:

Epruvetele debitate din materialul de proba (L1, B2), impreuna cu epruvetele martor, au fost expuse la atacul ciupercilor lignicole care produc mucegairea.

Dupa terminarea perioadei de expunere, epruvetele au fost examinate vizual pentru a stabili dezvol­tarea mucegaiului, conditionate si cantarite pana la masa constanta. Indicele de durabilitate se determina pe baza pierderii de masa.

Aparatura folosita:

camera de incercare obscura, reglata la 1 atm, cu temperatura de 25±2 0C si 85±5% umiditate relativa;

• camera de lucru prevazuta cu instalatie UV;

• hota pentru inoculari;

• pulverizator de sticla, de 50 cm3, cu ajutajul de pulverizare de 0,2-0,5 mm;

• exicator cu capac, cu orificiu de aerisire;

• diverse instrumente de laborator.

Material biologic

Speciile de ciuperci folosite:

• chactomimum globosum (Kunze);

• paecilomyces varioti (Brainier);

• stachybotrys atra (Corda);

• alternaria tenuis (Ness);

• trichoderma viride (Persoon ex Fries);

Mediu de cultura pentru ciupercile de mucegaire:

fulgi de orz, 50 g;

agar-agar, 15-20g;

• apa distilata, 1.000 ml.

Inocul:

Incercarea micologica s-a efectuat cu un amestec de spori ai ciupercilor (inoculum mixt).

Prepararea inoculului, conform STAS 8864-72 si asimilate.

Mod de lucru:

Epruvetele pentru incercari si cele martor au fost pulverizate cu emulsie de spori din materialul biologic pregatit, hota pentru inoculari, in conditii de sterilitate a mediului si de protectie a muncii.

Dupa pulverizare, cate 4 epruvete au fost  introduse in trei exsicatoare mentinute 120 de zile in camera de incercare.

La sfarsitul perioadei de incercare, epruvetele au fost examinate cu ochiul liber si lupa binoculara, notandu-se stadiul de dezvoltare a sporilor, cresterea miceliului si suprafata acoperita cu miceliu, a epruvetelor.

Dupa indepartarea miceliului ciupercilor, probele au fost conditionate pana la masa constanta. Dupa cantarire, au fost determinate masa finala si pierderea de masa pentru fiecare epruveta.

Rezultatele incercarilor sunt date in tabelul 6 si fig. 8, 9 10, 11.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 36 – aprilie 2008

 

Autor:
Ileana MATASARU – Institutul National al Lemnului,
Denis Mihaela PANAITESCU – INCD Chimie si Petrochimie ICECHIM,
Horia IOVU – UPB –  Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share
Lasă un răspuns
**** *