dr hab. inż. Marek Szostak, prof. nadzw.

Prezentacja na temat: "dr hab. inż. Marek Szostak, prof. nadzw."— Zapis prezentacji:

1 dr hab. inż. Marek Szostak, prof. nadzw.
Modyfikacja LDPE do odlewania rotacyjnego napełniaczami naturalnymi: lnem i konopią Modification of LDPE for rotational molding by natural fillers: flax and hemp POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I ZARZĄDZANIA Instytut Technologii Materiałów Zakład Tworzyw Sztucznych dr hab. inż. Marek Szostak, prof. nadzw. 4th ROTOPOL Spring MeeTING, Olandia

2 Plan prezentacji Content of presentation
Wprowadzenie/ Introduction Cel pracy/ Aim of the work Stosowane materiały/ Materials used in the research Wytwarzanie kompozytów/ Preparation of composites Analiza wyników badań/ Analysis of test results Wnioski/ Conclusions Podziękowania/ Aknowlegments 4th Rotopol spring meeting , olandia

3 Wprowadzenie/ Introduction
There is only few research regarding usage of natural fibers in rotational molding, mainly because of: poor adhesion between fibers and PE, difficulties with obtaining small particle sizes of natural fibers (below 500 µm), degradation in higher processing temperatures (above 200oC). The literature details research of: Cisneros - Lopez et al. used agave, coir and pine fibers to produce rotomolded composites, Ortega et al. obtained banana and abaca MDPE composites, Torres and Aragon produced rotomolded HDPE-sisal composites, Wang’s et al. prepared LLDPE composites with flax fibers, Jayaraman et al.; Raymond and Rodrigue used the wood fibers to obtain LLDPE and LMDPE rotomolded composites. 4th Rotopol spring meeting , olandia

4 Cel pracy / Aim of the work
Określenie właściwości odlewanych rotacyjnie kompozytów polimerowych na bazie polietylenów niskiej gęstości, bez i z bezwodnikiem maleinowym, z dwoma rodzajami włókien roślinnych (len, konopie), przy ich różnych stężeniach (3 i 5%) oraz ocena wpływu modyfikacji wytworzonych kompozytów przy pomocy różnych środków zmniejszających ich palność (U.1.2; U.2.4 i U.4.2). Properties investigation of rotomolded polymer composites based on low density polyethylenes, with and without maleic anhydride, with two types of natural fibers (flax, hemp), with their various concentrations (3 and 5%) and evaluation of the effect of adding different flame retardants to the composites produced (U.1.2; U.2.4 i U.4.2). 4th Rotopol spring meeting , olandia

5 Stosowane materiały / Materials used
Do badań użyto dwa polietyleny małej gęstości LDPE: Malen E FGNX 23-D022 (LDPE). MFI - 2 g/10 min (2.16 kg/190°C); gęstość g/cm3 (Basell Orlen Polyolefins); AMPLIFY TY 1057H (LLDPE) szczepiony bezwodnikiem maleinowym (MAH); MFI - 3 g/10 min. (2.16 kg/190°C); gęstość g/cm3 (DOW Chemicals). Jako napełniacz wyjściowy stosowano włókno lniane i konopne w postaci włókna długiego (rys. 1). Otrzymano je z łodyg lnu oraz konopi (rys. 2), po skoszeniu tych roślin poddano je roszeniu, aby doprowadzić do rozpadu pektyn łączących włókno z paździerzem, następnie słomę suszono i przerobiono na turbinie trzepiącej, w celu rozdzielenia włókna długiego, włókna krótkiego oraz paździerzy. Two LDPE polymer matrix were used: Malen E FGNX 23-D022 (LDPE) with a melt flow index of 2 g/10 min (2.16 kg/190°C) and a density of g/cm3 (Basell Orlen Polyolefins Ltd.); AMPLIFY TY 1057H (LLDPE) grafted by maleic anhydrite (MAH) with a melt flow index of 3 g/10 min. (2.16 kg/190°C) and a density of g/cm3 (DOW Chemicals). Flax and hemp fillers in the form of a long fiber were used as raw materials. They were obtained from flax and hemp stalks. After mowing these plants, they were thrown to break up the pectins connecting the fiber with the mortar, then the straw was dried and processed on the flapping turbine, in order to separate the long fiber, the short fiber and the harl. 4th Rotopol spring meeting , olandia

6 Materiały stosowane / Materials used
Fig. 1 Long hemp (left) and flax fibers (right) Długie włókna konopi (po lewej) i lnu (po prawej) Fig. 2 Hemp (left) and flax stalks (right). Łodygi konopi (po lewej) i lnu (po prawej) 4th Rotopol spring meeting , olandia

7 Length of monofilament [mm] Tensile strength [MPa]
Skład i właściwości stosowanych włókien Composition and properties of used fibers Tables 1, 2, 3 Chemical composition, physical characteristics and mechanical properties of flax and hemp fibers Fibre Cellulose [%] Hemicellulose [%] Pectin [%] Lignin [%] Fats/Waxes Flax 64-84 16-18 1,8-2,0 0,6-5,0 1,5 Hemp 67-78 0,8 3,5-5,5 0,7 Fibre Density [g/m3] Length of technical fibres [m] Length of monofilament [mm] Diameter [µm] Linear density [tex] Flax 1,50 0,2-1,4 13-14 17-20 0,289 Hemp 1,48-1,49 1,0-3,0 15-25 15-30 0,333 Fibre Tensile strength [MPa] Elongation at break [%] Young Modulus [GPa] Hygroscopicity at 65% relative air humidity Flax 2,7-3,2 27,6 7 Hemp 690 1,6 70 8 4th Rotopol spring meeting , olandia

8 Środki zmniejszające palność Flame retardans
Flame retardants (5%) used in the research (U.1.2; U.2.4 i U.4.2): U 1.2: haloizyt 60% + ekspandowany grafit 40%, (halloysite 60% + expanded graphite 40%), U 2.4: melamina 80% + haloizyt 20%, (melamine 80% + halloysite 20%), U 4.2: haloizyt 60% + fosforan melaminy 40%, (halloysite 60% + melamine phospate 40%). Fig. 3 Flame retardants (from the left: U1.2, U2.4, U4.2) 4th Rotopol spring meeting , olandia

9 Wytwarzanie kompozytów Composites preparation
Przed przystąpieniem do wytwarzania kompozytów rozdrobniono włókna naturalne. Najpierw za pomocą maszyny do cięcia włókien naturalnych (rys. 4) w Zakładzie Przetwórstwa LENKON w Stęszewie pocięto włókno lniane i konopne na odcinki o długości ok. 1-2 cm. Następnie za pomocą urządzenia typu UCW do cięcia włókien naturalnych (rys. 5) w Instytucie Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich w Poznaniu pocięto je na włókna o długości 0,25 mm (250 µm). Before manufacturing of the composites, natural fibers had been ground. First, using a natural fiber cutting machine (fig. 4) in the LENKON Processing Plant in Steszew, flax and hemp fiber was cut into sections of approx. 1-2 cm. Then, using a UCW device for cutting of natural fibers (fig. 5) at the Institute of Natural Fibers and Medicinal Plants in Poznan, they were cut into smaller lengths of 0.25 mm. 4th Rotopol spring meeting , olandia

10 Wytwarzanie kompozytów Composites preparation
Fig. 5 UKW device for ultra fine cutting of natural fibers Fig. 4 Machine for cutting of natural fibers 4th Rotopol spring meeting , olandia

11 Wytwarzanie kompozytów Composites preparation
Wytłaczanie mieszanin polimerowych wykonano przy użyciu wytłaczarki dwuślimakowej Leistritz Micro 27 GL/GG-44D z systemem dozowania grawimetrycznego Brabender. Podstawowe parametry wytłaczania: temperatury na układzie wytłaczania oC, prędkość obrotowa ślimaka 200 obr./min. Uzyskane w procesie wytłaczania wytłoczyny były rozdrabniane na granulat o wielkości ok. 2-3 mm, który poddano procesowi suszenia przed dalszym rozdrabnianiem w pulweryzatorze firmy Retsch. The extrusion of polymer blends were carried out using a Leistritz Micro 27GL/GG-44D twin screw extruder with a Brabender gravimetric dosing system. The temperatures on the plasticizing system were oC and rotational speed of the screw rpm. The extrudates obtained during the extrusion process were simultaneously ground to a granulate size of approx. 2-3 mm, which was subjected to a drying process for further pulverization in Retsch pulverizer . 4th Rotopol spring meeting , olandia

12 Lista wytworzonych kompozytów List of obtained composites
Table 4 List of obtained LDPE composites No. Type of composite 1. LDPE 2. LDPE + 3% flax 3. LDPE + 5% flax 4. LDPE + 3% hemp 5. LDPE + 5% hemp 6. LLDPE with maleic anhydrite + 3% flax 7. LLDPE with maleic anhydrite + 5% flax 8. LLDPE with maleic anhydrite + 3% hemp 9. LLDPE with maleic anhydrite + 5% hemp 10. LDPE + 5% flame retardant U1.2 11. LDPE + 5% flame retardant U2.4 12. LDPE + 5% flame retardant U4.2 13. LDPE z 5% modifier U % hemp 14. LDPE z 5% modifier U % hemp 15. LDPE z 5% modifier U % hemp 4th Rotopol spring meeting , olandia

13 Maszyna i parametry procesu rotowania Rotomolding machine and parameters
Production of rotationally molded parts was realized using the laboratory-scale single-arm shuttle rotational molding machine equipped with flat steel mold. Rotational speed ratio of 1:3 was used, with 1st axis speed of 15 rpm and 2nd axis speed of 5 rpm. The heating temperature in forced convection oven was set at 240°C. Heating time was 30 min and cooling time 35 min in forced cold airflow. Fig. 7 Single-arm shuttle rotational molding machine; 1 - oven, 2 - spider, 3 - gear, 4 - steel mold Fig. 8 LDPE+5% flax and LDPE+5% hemp 4th Rotopol spring meeting , olandia

14 Analiza wyników badań Analysis of test results
4th Rotopol spring meeting , olandia

15 Statyczna próba rozciągania Tensile test
Zależność wytrzymałości doraźnej od stężenia napełniacza Zależność modułu sprężystości wzdłużnej od stężenia napełniacza Tensile strength in dependence of filler concentration Elastic modulus E in dependence of filler concentration 4th Rotopol spring meeting , olandia

16 Statyczna próba rozciągania Tensile test
Zależność umownej granicy plastyczności od stężenia napełniacza Zależność odkształcenia niszczącego od stężenia napełniacza Yield strength in dependence of filler concentration Elongation at break in dependence of filler concentration 4th Rotopol spring meeting , olandia

17 Twardość Shore'a D Shore hardness
4th Rotopol spring meeting , olandia

18 Palność wg UL 94 HB Flammability test in accordance with UL 94 HB
Szybkość palenia Czas PALENIA do II znacznika Burning rate Burning time to the second marker (norm UL94 HB) 4th Rotopol spring meeting , olandia

19 DSC - Stopień krystaliczności DSC – Degree of crystallinity
4th Rotopol spring meeting , olandia

20 Temperatura mięknienia wg Vicata VICAT softening temperature
4th Rotopol spring meeting , olandia

21 Skaningowa mikroskopia elektronowa SEM Scanning electron microscopy
nienapełniony LDPE UNFILLED LDPE LDPE + 5% konopie LDPE WITH 5% HEMP 4th Rotopol spring meeting , olandia

22 Skaningowa mikroskopia elektronowa SEM Scanning electron microscopy
LLDPE (MAH) + 5% LEN LLDPE (MAH) + 5% FLAX LDPE + 5% U % konopie LLDPE + 5% U % HEMP 4th Rotopol spring meeting , olandia

23 Szerokokątowa dyfraktometria rentgenowska WAXS Wide angle X-ray diffractometry
Dyfraktogram rentgenowski dla nienapełnionego LDPE Stopień krystaliczności X-ray diffractogram for unfilled LDPE Degree of crystallinity 4th Rotopol spring meeting , olandia

24 Wnioski / Conclusions (1)
1. W przypadku większości badanych kompozytów LDPE/len i LDPE/konopie zaobserwowano wzrost wytrzymałości na rozciąganie. 1. For most of the tested LDPE/flax and LDPE/hemp composites an increase of tensile strength was observed. 2. Dla wszystkich badanych kompozytów zaobserwowano wzrost modułu sprężystości w porównaniu z niewypełnionym LDPE. Zmniejszenie modułu zaobserwowano dla kompozytów otrzymanych na bazie LLDPE z bezwodnikiem maleinowym. 2. For all tested composites obtained on the base of standard LDPE an increase in elastic modulus was observed compared to unfilled LDPE. The decrease of the modulus was observed for the composites obtained on the basis of LLDPE with maleic anhydride. 3. W przypadku kompozytów LDPE/len i LDPE/konopie, wraz ze wzrostem stężenia wypełniacza, wydłużenie przy zerwaniu uległo zmniejszeniu. 3. For LDPE/flax and LDPE/hemp composites, as the filler concentration increased, the elongation at break decreased. 4. Każdy z badanych materiałów ma klasę palności zgodnie z normą UL 94 HB, a dodatek środków zmniejszających palność w ilości 5% zwiększa ich ognioodporność. 4. Each of the tested materials has a flammability class in accordance with norm UL 94 HB and the addition of flame retardants in the amount of 5% increase their flame retardance. 4th Rotopol spring meeting , olandia

25 Wnioski / Conclusions (2)
5. Po dłuższym czasie palenia można zauważyć, że dodatek uniepalniacza U1.2 do LDPE zapewnia najwyższą ognioodporność. 5. After a longer burn time, it can be seen that the addition of flame retardant type U1.2 to LDPE gives the highest flame retardancy. 6. Dodanie 5% włókna lnianego lub konopnego do LDPE nie zmienia znacząco struktury w porównaniu z niewypełnionym LDPE. Różnicę w budowie można jednak zauważyć, gdy LLDPE zmodyfikowano bezwodnikiem maleinowym lub środkiem zmniejszającym palność, wówczas ta struktura jest słabiej rozwinięta i ma liczne pory. 6. The addition of 5% flax or hemp fiber to LDPE does not significantly change the structure compared to unfilled LDPE. The difference in structure can be seen, however, when LLDPE has been modified with maleic anhydride or flame retardant, this structure is less developed and has numerous pores. 7. Modyfikacja kompozytów LLDPE modyfikowanych bezwodnikiem maleinowym (MAH) z włóknami lnianymi lub konopnymi, w analizowanym zakresie stężeń napełniaczy włóknistych, powoduje wzrost odkształcenia przy zerwaniu i modułu Younga lub nie wpływa znacząco na inne badane właściwości (wytrzymałość doraźną i umowną granicę plastyczności). 7. Modification of LLDPE with maleic anhydrite (MAH) by flax or hemp fibers, in the analyzed concentration range causes the improvement of strain at break and Young's modulus or does not significantly affect other tested properties (Tensile strength and Yield strength). 8. Przedstawione wyniki potwierdziły możliwość produkcji przyjaznych dla środowiska kompozytów polietylenowych z włóknami naturalnymi oraz ich przydatności w formowaniu rotacyjnym wyrobów. 8. The presented results proved possibility of environmentally friendly polyethylene-natural fibers composites’ production and their usefulness in formation of rotational molded parts. 4th Rotopol spring meeting , olandia

26 Podziękowania / Aknowlegments
The author would like to thanks: prof. Ryszard Kozłowski, dr Jerzy Mankowski, dr Jacek Kolodziej, MSc Krzysztof Bujnowicz and Mrs Maria Kanoniczak for help in fibres and composites preparation (all from Institute of Natural Fibres and Medical Plants in Poznań) dr Karol Bula and dr Kinga Mencel for help in mechanical tests, dr Mateusz Barczewski, MSc. Olga Mysiukiewicz and Mr Jerzy Horojdko for help in thermal tests, dr Dominik Paukszta for help in WAXS test, dr Adam Piasecki for assistance in SEM analysis (all from Poznan University of Technology). 4th Rotopol spring meeting , olandia

27 Dziękuję za uwagę Thanks for you attention
4th rotopol spring meeting, OLANDIA,