Development of natural fiber reinforced polypropylene-based biocomposites

Abstract

El polipropilè és un termoplàstic que exhibeix bones propietats mecàniques similars a les del polietilè. La principal diferència entre aquests dos polímers és la presència d'un grup metil adjuntat als àtoms alterns de carboni que pot modificar les propietats del polipropilè de diverses maneres, les quals seran descrites en més detall. L'ús de fibres naturals en combinació amb aquesta matriu de polímer per crear materials biocomposites ha estat una tendència prominent en investigació en l'última dècada. Això es deu principalment al seu potencial reducció del 80% en pes i consum d’energia. No obstant això, les diferències químiques estructurals, que es poden observar en el caràcter hidrofòbic/hidrofílic de les fibres i la matriu termoplàstica respectivament, és el major inconvenient per generar una bona interacció entre les fibres i la matriu. Com que l’adhesió entre la matriu i les fibres determina les propietats mecàniques dels biocomposites, s’utilitza la modificació química i física per promoure l’adhesió fibra/matriu, resultant en una millora d’aquesta. Un exemple d'això seria l'agent d’acoblament Polipropilè injectat amb Anhídrid Maleic (MAPP). En aquest estudi, biocomposites reforçats amb fibres de pinya incrustades dins d’una matriu de polipropilè amb petits percentatges de MAPP seran desenvolupats per extrusió i injecció. Seguidament, aquests biocomposites seran testats mecànicament amb l’objectiu d’avaluar l’efecte del MAPP a les seves propietats mecàniques finals. El mateix experiment es durà a terme amb materials compostos fets només de polipropilè amb percentatges creixents de MAPP. L’addició de MAPP mostra tenir un impacte positiu en la interacció fibra/matriu, ja que la majoria de les propietats mecàniques obtingudes per a aquests biocomposites milloren. Tot i així, cal fer més recerca en aquest tema perquè el seu efecte no actua sempre en la mateixa direcció. D’altra banda, l’addició de MAPP als compostos de polipropilè no mostra un efecte positiu en termes de les propietats mecàniques finals.

El polipropileno es un termoplástico que exhibe buenas propiedades mecánicas, similares a las del polietileno. La principal diferencia entre estos dos polímeros es la presencia de un grupo metilo adjuntado a los átomos alternos de carbono que puede modificar las propiedades del polipropileno de distintas formas, las cuales serán descritas en mayor detalle. El uso de fibras naturales en combinación con esta matriz de polímero para crear materiales biocomposties ha sido una tendencia prominente en investigación en la última década. Esto se debe principalmente a su potencial reducción del 80% en peso y consumo de energía. Sin embargo, las diferencias químicas estructurales que pueden observarse en el carácter hidrofóbico/hidrofílico de las fibras y la matriz termoplástica respectivamente, son el mayor inconveniente para generar una buena interacción entre las fibras y la matriz. Dado que la adhesión entre las fibras y la matriz determina las propiedades mecánicas del biocomposite, se utiliza la modificación química y física para promover la adhesión fibra/matriz, resultando en una mejora de la misma. Un ejemplo de ello sería el agente de acoplamiento Polipropileno inyectado con Anhídrido Maleico (MAPP). En este estudio, biocomposites reforzados con fibras de piña incrustadas dentro de una matriz de polipropileno con pequeños porcentajes de MAPP serán desarrollados por extrusión e inyección. Seguidamente, estos biocomposites serán testados mecánicamente con el objetivo de evaluar el efecto del MAPP en sus propiedades mecánicas finales. El mismo experimento se llevará a cabo con materiales compuestos hechos solamente de polipropileno con porcentajes crecientes de MAPP. La adición de MAPP muestra tener un impacto positivo en la interacción fibra/matriz, ya que la mayoría de las propiedades mecánicas obtenidas para estos biocomposites mejoraron. Aun así, se necesita realizar más investigación sobre este tema porque su efecto no actúa siempre en la misma dirección. Por otro lado, la adición de MAPP a los compuestos de polipropileno no muestra un efecto positivo en términos de propiedades mecánicas finales.

Polypropylene is a thermoplastic which exhibits good mechanical properties similar to those of polyethylene. The main difference between these two polymers is the presence of a methyl group attached to the alternate carbon atoms which can modify the properties of polypropylene in diverse ways, which will be later discussed in more detail. The use of natural fibers in combination with this polymer matrix to create biocomposite materials has been a prominent trend in research over the last decade. This is mainly due to their potential reduction of 80% in weight and energy consumption. Nonetheless, chemical structural differences, which may be seen in the marked hydrophilic/hydrophobic character of the fibers and the thermoplastic matrix, respectively, are a major drawback for generating robust fiber/matrix interactions. Because adhesion between the matrix and the fibers determines the mechanical properties of biocomposites, chemical and physical modification approaches are utilized to promote fiber/matrix adhesion, resulting in an enhance of them. An example of this would be the coupling agent Maleic Anhydride-grafted Polypropylene (MAPP). In this study, pinecone reinforcement embedded in a polypropylene matrix with small percentages of MAPP biocomposites will be developed by extrusion and injection. Furthermore, these biocomposites will be mechanically tested with the objective of evaluating the MAPP effect on their final mechanical properties. The same experiment was carried out on composites made of only polypropylene with increasing percentages of MAPP. The addition of MAPP shows to have a positive impact on the fiber/matrix interaction, as most of the obtained mechanical properties of these biocomposites improved. Even tough, more research needs to be done on this topic because its effect is not acting always in the same direction. On the other hand, the addition of MAPP to polypropylene composites does not show a positive effect in terms of final mechanical properties.