Surface modified cellulose and starch biocomposite with a low melting point polyamide
2022 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesisAlternative title
Biokompositer av en polyamid med låg smälttemperatur och ytmodifierad cellulosa och stärkelse (Swedish)
Abstract [sv]
Bio-baserade material är en viktig komponent för att skapa nya, miljövänliga plastmaterial, då inblandning av bio-baserade material i plast minskar användandet av oljebaserade polymerer. I detta arbete undersöktes fördelarna av att tillsätta biopolymerer i en polyamid som har en låg smältpunkt. Polyamid1216, PA1216, polymeriserades genom stegvis polymerisation av 1,12-diaminododecane och 1,16-hexadecanediodic syra. Den låga smältpunkten PA1216 har gjorde det möjligt att bearbeta av polyamiden vid en lägre temperatur än vad som vanligen används för traditionella polyamider. Detta i sin tur gjorde det möjligt att blanda in biopolymerer, så som cellulosa och stärkelse, utan att dessa bröts ned. Blandningar av PA1216 och cellulosa eller stärkelse strängsprutades till filament, varmpressade till filmer, och karakteriserades. Bilder tagna med svepelektronmikroskop (SEM) visade dock bristfällig växelverkan mellan faserna, vilket bekräftades av resultaten från termisk analys, dynamisk-mekanisk testning och mekanisk provning. För att förbättra växelverkan mellan faserna mellan PA1216 och cellulosa eller stärkelse behandlades biopolymererna med ett ytmodifieringsmedel. Fourier-transform infraröd spektroskopi och termogravimetrisk analys användes för att bekräfta ytmodifieringen och därefter bearbetades dessa blandningar på samma sätt som de obehandlade cellulosa- och stärkelseblandningarna. SEM bilderna visade att ytmodifieringen förbättrade växelverkan mellan faserna där cellulosans yta hade blivit uppruggad, medan aggregat av stärkelse hade splittrats. Båda de ytmodifierade biopolymererna visade även förbättrad dispersion inom polyamidmatrisen. Denna ökade växelverkan förbättrade de mekaniska egenskaperna jämfört med kompositerna med obehandlad cellulosa och stärkelse. De skapade kompositernas vattenpermeabilitet undersöktes och visade att kompositer med obehandlad cellulosa minskade vattenpermeabiliteten i kompositerna och att ytmodifierad cellulosa minskade den ännu mera. Resultaten för kompositerna med stärkelse och PA1216 varierade och kunde inte jämföras med cellulosakompositerna, oavsett om de var ytmodifierade eller inte. Slutligen, ytmodifierad cellulosa och stärkelse i en matris av PA1216 visade på en förbättrad växelverkan mellan faserna jämfört med obehandlad cellulosa och stärkelse i PA1216. De ytmodifierade kompositerna med cellulosa och stärkelse presterade inte bättre än PA1216, men de förbättringar som åstadkommits är intressanta och bör undersökas vidare.
Abstract [en]
The search for an environmentally friendly general purpose polymeric material has led to biomaterials being an active component in development of plastics. The biomaterials decrease the usage of oil-based polymers, as a proportion of the final material is from the nature. This thesis investigates the benefits of adding biopolymers to a low melting point polyamide (PA1216), which was polymerised through polycondensation of 1,12-diaminododecane and 1,16-hexadecanediocic acid. The low melting point allowed the polymer to be processed with at a lower temperature than conventional polyamides. Furthermore, the lowered temperature allowed thermally stable processing with biopolymers, such as cellulose and starch. Blends of PA1216 and cellulose or starch were extruded into filaments, hot pressed into films, and characterised. The images obtained from Scanning Electron Microscopy (SEM) showed inadequate interaction between the phases. This was further solidified with results from differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, and mechanical testing. In order to improve the interaction between the phases, both cellulose and starch were modified with a surface modification agent. Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Thermal Gravimetric analysis were employed to confirm the modification. Similarly, the modified biopolymers were extruded with PA1216. SEM images showed improved interaction between PA1216 and modified biomaterials. The cellulose surface was roughened, and clusters of starch were fragmented, which led to improved dispersion of cellulose and starch in the matrix. The improved interaction was also observed in mechanical properties, as the modified biomaterial composite were able to withstand a greater amount of force. Finally, the incorporation of cellulose to PA1216 decreased the water vapour permeability, even more so with modified cellulose. The permeability results for starch composites were inconclusive, whenever starch was modified or not. Concluding, the modified cellulose and starch showed improved interaction with PA1216 compared to neat cellulose and starch composites, thus confirming the benefits of surface modification. The modified cellulose and starch composites did not outperform the neat PA1216. However, both modified biopolymers should be further studied, as there are notable benefits with the modification.
Place, publisher, year, edition, pages
2022.
Series
TRITA-CBH-GRU ; 2022:033
Keywords [en]
Biocomposite, low melting point polyamide, cellulose, starch, surface modification
Keywords [sv]
Biokomposit, polyamid, cellulosa, stärkelse, ytmodifiering
National Category
Polymer Technologies
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-311870OAI: oai:DiVA.org:kth-311870DiVA, id: diva2:1656187
External cooperation
Aalto University
Subject / course
Polymer Technology
Educational program
Degree of Master - Macromolecular Materials
Examiners
2022-11-052022-05-052022-06-25