Performance and processing evaluation of thermoplastic wood fiber composites

Abstract

Thermoplastic based composites that contain a variable amount of wood and additives are commonly known as Wood Plastic Composites (WPC). Usually, WPC-manufacturers use wood flour as a filler, due to its relatively easy processability, low cost and good availability. Wood fibers compared to wood flour differ in size and shape. Fibers exhibit a high length to diameter ratio, which can potentially provide reinforcement to the polymer matrix. A drawback of wood fibers is their low bulk density and tendency to form bridges when processed with conventional compounding equipment, such as extruders. Thus, processing at industrial scale is difficult. Thermomechanical wood fibers, as one specific group of fibers, are processed by defibration of wood chips in a refining process. Characteristics such as a high aspect ratio make these fibers a promising candidate for the utilization in polymer composites. The present thesis evaluates a novel compounding process, which enables the utilization of thermomechanical wood fibers in WPC. The potentials of thermomechanical wood fibers are identified by conducting a literature review and an experimental setup. The reviewed literature is catalogued according to wood fiber pretreatments, composite processing equipment, fiber contents, polymer types and coupling agents. Furthermore, the feed-in and dosing issue is described and possible solutions are discussed. It is concluded, that the composite properties are determined by the fiber morphology and the processing technology used. The reinforcement was found to be peaking at a fiber content of around 40 - 50 wt. %. The experimental study confirmed the challenge of wood fiber feed-in. Regarding the reinforcement of the composite, a threshold value is reached at fiber contents between 40 - 50 wt. %. No significant increment of tensile strength is observed at higher fiber contents. The mechanical properties decreased with increasing fiber content for wood fiber based composites without coupling agent. Additionally, the fiber length was investigated after compounding and injection-molding. The compounding process was found to be the major lever regarding fiber length degradation. The initial fiber aspect ratio of around 30 is reduced between 1 and 7 after injection-molding. To solve the fiber feed-in challenge and fiber agglomeration, the novel developed process comprises an approach using refiner technology to defibrate wood chips simultaneously with polymer granulates under wet and pressurized conditions. Refiner systems are usually applied for fiber production in the panelboard or papermaking industry. For the experimental evaluation different refiner systems (Sprout-Waldron 12”, atmospheric, batch pressurized and continuous pressurized) were used. The process was found to be stable and continuously operating at different shares of wood chips and polymer granulates. The obtained fiber / polymer compound showed typically high aspect ratio wood fibers with entangled chopped polymer flakes, which are inseparably attached to the fibres. However, issues regarding the defibration process, such as polymer behavior during defibration, are open and have to be improved in further studies. The compound was further proccesed to bulk material by different processes. The mechanical properties of the produced composite are depending on the further process applied. With each study, however, the mechanical properties of the composites were improved. It is believed that the novel compounding process can save production steps compared to the conventional WPC compounding process. Hence, a less expensive product is expected.

Wood Plastic Composites (WPC) zählen zu den thermoplastisch basierten Verbundwerkstoffen, die aus unterschiedlichen Anteilen von Kunststoff, Holzpartikeln und Additiven zusammengesetzt werden können. Auf Grund der guten Verarbeitbarkeit und der günstigen Beschaffung wird üblicherweise Holzmehl als Füllstoff in WPC eingesetzt. Holzfasern haben im Vergleich zu Holzmehl, auf Grund ihres vorteilhaften Längen zu Durchmesser Verhältnisses (Aspekt-Verhältnis), zusätzlich das Potential die Festigkeiten der Kunststoffmatrix zu verstärken. Holzfasern haben jedoch ein geringes Schüttgewicht und die Neigung sich ineinander zu verhaken, was nachteilig bei der Verarbeitung mit den üblichen Aggregaten der Kunststoffindustrie ist. Daher ist der industrielle Einsatz von Holzfasern in WPC bisher schwer umsetzbar. Die vorliegende Arbeit untersucht die Eigenschaften von thermomechanischen aufgeschlossenen Holzfasern, die in thermoplastischen Verbundwerkstoffen eingesetzt wurden. Des Weiteren wird ein neu entwickeltes Verfahren sowie die daraus hergestellten Werkstoffe, bzw. deren Eigenschaften, evaluiert. Die Arbeit basiert auf bereits veröffentlichten und nichtveröffentlichten Publikationen. Der bisherige Einsatz von thermomechanischen Holzfasern in WPC wurde durch eine Untersuchung der aktuellen Literatur und Forschungsarbeiten begutachtet. Die Ergebnisse der begutachteten Literatur wurden den eingesetzten Verarbeitungsverfahren und Technologien, dem verwendeten Fasergehalt im Komposit, dem Polymertyp und der Faser-Vorbehandlung zugeordnet. Des Weiteren wurden das Verarbeitungsproblematik von Holzfasern diskutiert und mögliche Lösungsansätze aufgezeigt. Es zeigt sich, dass das Verstärkungspotential von holzfaserbasierten Kompositen von der Fasermorphologie und dem jeweilig eingesetzten Verarbeitungsverfahren abhängig ist. Ein Effekt der Faserverstärkung kann bis zu einem Faseranteil von 40 - 50 mass. % erreicht werden. Das Verstärkungspotential von thermomechanischen Holzfasern in einer Polypropylen-Matrix konnte durch eine experimentelle Untersuchung bestätigen werden. Eine Faserverstärkung in spritzgegossenen Kompositen kann bis zu einem Faseranteil von 50 mass % erzielt werden, wenn ein Haftvermittler verwendet wird. Ohne Haftvermittler sinkt die Festigkeit mit steigendem Faseranteil. Unabhängig des Haftvermittlers steigt das E-Modul linear. Eine Untersuchung der Faserlänge nach der Compoundierung und dem Spritzgießen zeigte, dass bereits nach der Compoundierung die Fasern erheblich eingekürzt sind. Vor der Compoundierung lag für die Holzfasern ein Aspekt-Verhältnis von 30 vor. Nach dem Herauslösen der Fasern aus der Matrix eines Spritzgußprüfkörpers konnte ein Aspekt-Verhältnis zwischen 1 bis 7 festgestellt werden. Zur Lösung der schwierigen Faserdosierung und möglicher Faseragglomeratbildung, die die bisherige Verwendung von Holzfasern in WPC erschwerten, wurde ein neuer Verfahrensansatz entwickelt. Das entwickelte Verfahren kombiniert die herkömmliche Holzfasererzeugung mittels Refiner-Technologie und einer Mischung (Compoundieren) eines Thermoplasten in einem Verfahrensschritt. Dabei werden die nassen Hackschnitzel gleichzeitig mit Polymergranulaten unter Druck zerfasert und so untrennbar miteinander vermischt. Üblicherweise werden solche Refiner-Aggregate zur Faserstofferzeugung für Faserplatten oder Kartonage verwendet. Für die experimentelle Evaluierung des Verfahrens wurden unterschiedliche Refiner- Systeme (drucklos, batch unter Druck, kontinuierlich unter Druck) verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass der Prozess der Holzzerfaserung mit gleichzeitiger Polymer- Vermischung stabil und kontinuierlich umsetzbar ist. Unterschiedliche Anteile von Hackschnitzel / Polymer wurden getestet. Das nach der Zerfaserung erhaltene Faser / Polymer Compound weist typische Refinerfasern mit hohem Aspekt-Verhältnis, auf, an denen angeschmolzene Polymerfragmente angebunden sind. Trotz der positiven Evaluierung des Verfahrens, ist die Frage des Polymerverhaltens während der Zerfaserung noch offen und muss in nachfolgenden Versuchsdurchführungen untersucht werden. Das Compound wurde mit unterschiedlichen Verfahren weiterverarbeitet. Mit fortlaufender Entwicklung des Verfahrens konnten die Eigenschaften der Komposite verbessert werden. Jedoch wurde aufgezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften der geprüften Spritzgußprüfkörper in Abhängigkeit zur Weiterverarbeitungsmethode stehen. Mit der Entwicklung des neuartigen Verfahrens wird erwartet, dass im Vergleich zur herkömmlichen WPC‐Herstellung Prozessschritte, wie das Trocknen und die aufwendige Mahlung sowie Fraktionierung, eingespart werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen WPC-Verfahren werden erheblich größere Durchsätze erzielt, die schlussendlich zur Reduzierung der Herstellungskosten beitragen könnten.