Determination of bonding in wood-plastic composites: Correlation of physical bonding and shear strength in wood plastic interface

Abstract

Holz-Kunststoff-Komposite sind eine neue Generation von Holz-Produkten, die im Vergleich zu Massivholz verschiedene Vorteile bieten. Sie sind kostengünstig, in vielen Varianten verfügbar, dimensionsstabil und wiederverwertbar. Allerdings limitiert die Inkompatibilität der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Holz und Kunststoff die Verwendung. Eine Herstellung von Hochfesten Kompositen stellt immer noch eine Herausforderung dar. Insbesondere die Verbindung der Grenzflächen hat einen erheblichen Einfluss auf die Endfestigkeit der Komposite. Das Phänomen der Adhäsion besteht aus chemischer, physikalischer und mechanischer Verbindung die jeweils einzeln oder zusammen mit der Grenzoberfläche interagieren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Grenzoberfläche zwischen Holz und Kunststoff, um herauszufinden welchen Anteil an der Interaktion die chemische Zusammensetzung und die mechanische Verbindung haben. Es soll geklärt werden ob überhaupt eine signifikante Korrelation zwischen der Benetzung und der Scherfestigkeit von Holz-Kunststoff-Kompositen existiert. Es wurde Fichtefurnier, geschliffen und ungeschliffen, mit „Maleic Anhydride Grafted Polyethylene“ (MAPE) und „Butyric Anhydride“ (BA) behandelt. Die Oberflächenbenetzung der Furniere wurde durch die Messung des Kontaktwinkels und der Oberflächenenergie (Acid-Base-Methode) durchgeführt. Die Resultate zeigen, dass das Schleifen und die MAPE-Behandlung signifikant den Kontaktwinkel erhöhen und die Oberflächenenergie senken. Die mit BA behandelten Proben zeigten keine signifikante Änderung der Oberflächenenergie der Holzoberfläche. Um die Benetzbarkeit zwischen Holz und Kunststoff bei hohen Temperaturen zu untersuchen wurden drei verschiedene Polymere: high density of Polyethylene (HDPE), eine Mischung aus 3% MAPE mit HDPE (MHDPE) und „Poly Lactic Acid“ (PLA), geschmolzen und als Tropfen auf die Furnieroberfläche aufgebracht. Die Untersuchungen zeigen, dass MAPE die Benetzbarkeit von Holz verbessert, da die HDPE Tropfen einen niedrigeren Kontaktwinkel im Vergleich zu den anderen Polymeren aufweisen. Die Oberflächenbehandlung durch Schleifen hat ebenfalls den Kontaktwinkel aller Polymere verringert (in der Reihenfolge PLA, MDHDPE und HDPE). Die Grenzflächenscherfestigkeit zwischen Holz und Kunststoff wurde mit einem „Automated Bonding Evaluation System“ (ABES) untersucht. Hier zeigten die ungeschliffenen und geschliffenen PLA-Proben mit 7.14 N/mm2 und 8.19 N/mm2 die höchsten Werte. Die Vorbehandlung durch Schleifen hat die Klebeverbindung durch die mechanische Verzahnung zwischen Holz und Kunststoffoberfläche signifikant verbessert. Aus den Untersuchungen kann geschlossen werden, dass die MAPE-Behandlung und das Schleifen der Proben die Oberflächenenergie reduziert und zu einer Steigerung der Grenzflächenscherfestigkeit zwischen Holz und Kunststoff führt. Außerdem zeigen die Untersuchungen in dieser Arbeit, dass insbesondere bei höheren Temperaturen die Benetzbarkeit mehr von den Rheologischen Eigenschaften des Kunststoffs abhängt und die Oberflächenenergie eine untergeordnete Rolle bei der Bindung in Holz-Kunststoff-Kompositen darstellt.