Production of new high-performance CNF biocomposites
- Reference number
- GMT14-0036
- Start and end dates
- 160101-211231
- Amount granted
- 23 285 931 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The goal is to gain new understand of how to make substantially improved composites of thermoplastic polymers reinforced with cellulose nano-fibes (CNF). New opportunities will be explored with wet state mixing of CNF and polymer. The new composite materials would represent one of the first examples of large scale nanotechnology, such as for use in packaging, automotive and building applications. Extensive research has dealt with composites made of thermoplastics reinforced with CNF, aimed at finding a new generation of high-performing bio-composites. The documentation show very little progress in terms of dispersion of fibres and adhesion to the matrix, rendering unexpected low reinforcement. The lack of progress is likely due to the well-known tendency of CNF to form irreversible aggregates when dried. It is commonly agreed that some new manufacturing processes are needed, to support a major progress. This work will explore possibilities with a new method to substantially improve the dispersion of CNF in a polymer matrix by mixing CNF suspension with a polymer solution, allowing for substantially reduced the aggregation of CNF and improved adhesion by improved interaction of CNF with dissolved polymer. Recent not published work has shown encouraging possibilities with the method, expected to support a substantial improvement of mechanical performance of CNF-containing thermoplastic composites, such as a factor of 10 improvements in both stiffness and strength.
Popular science description
Kompositer bestående av vanliga plaster förstärkta med fibrillerna från träfibrer har studerats sedan lång tid, syftande till att få fram styva och starka material för allmän användning. Sådana träfibriller kallas vanligen för cellulosabaserade nanofibriller, förkortat CNF, och är typiskt en tusendel så långa och har ca en tusendels diameter jämfört träbaserade cellulosafibrer. Styvhet och styrka hos CNF uppskattas till 5 till 10 gånger så hög som hos träbaserade cellulosafibrer. Dessa betydligt högre egenskaper hos CNF gör användning till förstärkning i plaster mycket intressant. Intressanta möjliga användningar av sådana CNF-kompositer är många, exempelvis till bättre och mer miljöanpassade förpackningar, bilkomponenter, möbler eller byggprodukter. Betydande mängder forskningsinsatser har ägnats åt att finna metoder för framställning av en sådan ny generation av högpresterande CNF-kompositer. Många forskargrupper från i stort sett alla delar av världen har deltagit under flera decennier. Trots de stora ansträngningarna har framgångarna hittills varit små. Det är fortfarande oklart vilka komponenter och vilka tillverkningsmetoder som lämpligen används för att nyttiggöra de goda egenskaperna hos CNF till höga förbättringar av styvhet och styrka hos kompositer. Genomförd forskning visar att framställda CNF-kompositer har innehållit en hög andel av hopklumpade (aggregerade) fibrer, också att kopplingen mellan fibrer och plast varit relativt svag. Det råder enighet om att sådana svårigheter med att fördela fibriller i materialet och att få god koppling mellan fibrer och plast tillsammans kan förklara den oväntat låga förstärkningseffekten av CNF i kompositer. Det är också allmänt accepterat att någon form av ny tillverkningsmetod behövs för att betydande förbättringar av fiberfördelning och koppling skall kunna åstadkommas. I detta arbete kommer nya möjligheter till bättre blandning i vått tillstånd att prövas och studeras. Den grundläggande tanken är att blanda två vattenbaserade komponenter, därmed betydligt bättre fördela våta fibrer i vattenlösning av plast. Förväntningen med den våta metoden är att kopplingen också skall kunna förbättras betydligt av att båda huvudkomponenterna är vattenbaserade vid blandning, därmed möjliggöra betydligt förbättrade mekaniska egenskaper hos kompositer formade i torrt tillstånd.