Processing and properties of thermoplastic composites containing cellulose nanocrystals or wood-based cellulose fibres

Doctoral thesis, 2020

Minskad användning av fossila material kan åstadkommas genom att i större utsträckning använda material från förnyelsebara källor eller att göra material med bättre mekaniska egenskaper för att kunna använda tunnare eller lättare konstruktioner som t.ex. kan minska bränsleförbrukningen inom transportsektorn. Kompositmaterial är en blandning av två eller flera material där egenskaperna hos de olika materialen kombineras. Polymera material, som plaster, är relativt veka material som kan förstyvas med hjälp av olika förstärkningsmaterial, tex. glasfiber eller kolfiber, för att skapa mer hållbara och starka konstruktioner med låg vikt. Båda dessa fibrer är i nuläget framställda från en fossil råvara, men cellulosafibrer från skogsindustrin har lovande egenskaper för att kunna fungera som ett förstärkningsmaterial. Cellulosa finns i alla växter på jorden och skapas av växterna via fotosyntesen. Den är lätt, stark och styv, samtidigt som den är både förnyelsebar och nedbrytbar.

Men det finns utmaningar med att använda cellulosa i plastkompositer och några av dem har behandlats i denna avhandling. Cellulosa är svår att blanda homogent med plast på grund av skillnader i hydrofila egenskaper. Dessutom är det viktigt att försöka få en stabil och pålitlig tillverkningsprocess som ger önskvärda egenskaper vid storskalig produktion.

Studien visar att den mekaniska styvheten hos materialet kan ökas med 50 - 300 % genom att tillsätta 5 - 20 % cellulosa av olika storlek och typ. Formpressade kompositer med 10 % nanokristallin cellulosa gav den bästa förstärkningseffekten, men när kontinuerliga tillverkningsprocesser användes, som extrudering och formsprutning, var förstyvningseffekten inte lika hög utan snarare i samma nivå som att använda större cellulosafibrer som förstärkning. Detta trots att cellulosafibern rent teoretiskt borde ha en klart lägre förstyvningseffekt på grund av lägre styvhet och troligvits lägre förhållande mellan längd och tjocklek. Detta visar på hur avgörande tillverkningsmetoderna och de rådande betingelserna är för egenskaperna hos de färdiga komponenterna. Försöken visade även att missfärgning på grund av höga temperaturer vid tillverkning av kompositerna inte behöver betyda en minskad mekanisk styrka hos materialet. Accelererad åldring av cellulosa kompositer visade också att tillsats av cellulosa inte minskar materialets hållbarhet mot nedbrytning på grund av värme och syre, utan snarare att en tillsats med lignininnehåll kan öka beständigheten mot nedbrytning, särskilt i kombination med tillsatta anti-oxidanter.