Development of polymer composites based on agro-industrial and forest solid residues

Abstract

The current environmental situation has been a growing concern for the World population, as the extent of its damages are being increasingly felt. Plastics represent one of the major classes responsible for this scenario, given their petrochemical base, widespread usage, and inefficient and incorrect manners to deal with generated wastes. On the run to develop more sustainable and renewable materials, composites assembled with natural polymers as reinforcing phase, also called green composites, constitute a popular approach. The reuse of natural residues from forest and agro-industries, to be employed as reinforcing phase in these materials, holds increased interest given the reduced associated costs. Aiming the preparation of sustainable materials with properties capable of competing with currently leading solutions, green composites using polypropylene (PP) or polylactic acid (PLA) as matrix phase, and different contents of woof flour (WF) as reinforcing phase, were herein developed by twin-screw extrusion. To improve the adhesion of WF to the polymer matrix, a previous surface modification of the residue, with soybean oil solutions was also studied, by FTIR-ATR and TGA. The results showed that the treatment with a 5 wt.% soybean oil/ethanol solution was the most effective at promoting the intended hydrophobicity on the natural residue. WF treated by this method was also compounded with the two selected polymers, having the thermal, rheological, physical, and morphological properties of all developed compositions been assessed. The wood content showed to play major role on composites’ properties, where higher moisture and water absorptions, lower thermal stabilities and lower melt flow indexes were generally obtained. However, these were in some cases compensated by the previous functionalisation of WF. In general, better results of these properties were achieved in compositions using PP and 15 wt.% and 20 wt.% of oil-treated WF. Furthermore, in these cases, indications of higher adhesions established between reinforcements and the matrix were also provided by SEM analysis, suggesting that materials with interesting features were achieved.

A atual situação ambiental tem sido uma crescente preocupação para a população Mundial, à medida que a extensão dos danos é sentida de forma progressiva. Os plásticos constituem uma das principais classes responsáveis por este cenário, dada a sua base petroquímica, ampla utilização, e formas ineficientes e incorretas de lidar com os seus desperdícios. Na corrida para o desenvolvimento de materiais mais sustentáveis e renováveis, compósitos constituídos por polímeros naturais como fase de reforço, também reconhecidos como compósitos verdes, têm sido uma abordagem comum. A reutilização de resíduos de florestas e agroindústrias, para serem empregues como fase de reforço nestes materiais, possui ainda interesse acrescido, dado os reduzidos custos que lhes estão associados. Tendo como objetivo a preparação de materiais sustentáveis, com propriedades capazes de competir com as presentes principais soluções, neste projeto foram desenvolvidos vários compósitos verdes por extrusão de duplo fuso, utilizando polipropileno (PP) ou ácido polilático (PLA) como matriz polimérica, e diferentes teores de pó de madeira (WF) como fase de reforço. Para melhorar a adesão da madeira à matriz, foi previamente estudada a modificação da superfície do resíduo, com soluções de óleo de soja, por FTIR-ATR e TGA. Os resultados mostraram que o tratamento com a solução 5 wt.% óleo de soja/etanol foi o mais eficaz a induzir a hidrofobicidade pretendida no resíduo. Foi também feita composição com pó de madeira tratado por este método, e os dois polímeros selecionados, tendo sido estudadas as propriedades térmicas, reológicas, físicas e morfológicas de todas as composições. O teor em madeira mostrou ter um papel fulcral nas propriedades dos compósitos, tendo-se geralmente obtido maiores absorções de humidade e água e menores estabilidades térmicas e índices de fluidez. No entanto, estes resultados foram em alguns casos compensados pela prévia funcionalização da madeira. No geral, relativamente a estas propriedades, foram adquiridos melhores resultados nas composições com PP e 15 % ou 20 %, em massa, de pó de madeira tratado com óleo vegetal. Além disso, nestes casos, a análise SEM forneceu indicações de melhores adesões estabelecidas entre reforços e matriz, sugerindo que foram alcançados materiais com interesse acrescido.