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2010
Journal Article
Titel
Properties of extruded wood-plastic composites based on refiner wood fibres (TMP fibres) and hemp fibres
Alternative
Eigenschaften von extrudierten Holz-Kunststoff-Werkstoffen auf Basis von Refiner-(TMP-)Fasern und Hanffasern
Abstract
Zurzeit werden überwiegend Holzpartikel (Holzmehl) mit einem niedrigen Schlankheitsgrad als Füllstoff in Holz-Polymer-Werkstoffen (Wood-Plastic Composites, WPC) verwendet. Eine Verstärkung von WPC und verbesserte Festigkeitseigenschaften könnten durch die Verwendung echter Holzfasern mit einem hohen Schlankheitsgrad erreicht werden. WPC auf Basis von 70 Gew.% Refiner- (TMP-) Fasern und mechanisch aufgeschlossenen Hanffasern wurden in einem zweistufigen Prozess extrudiert. Elf Compounds, basierend auf den beiden Naturfasertypen, wurden mit einem Heizmischer hergestellt und auf einem konischen, gegenläufigen Doppelschneckenextruder weiterverarbeitet. Die weiteren Komponenten in den WPC-Formulierungen waren Polypropylenfasern, maleinsäureanhydrid-modifiziertes Polypropylen (MAPP) und Gleitmittel. Es wurde festgestellt, dass die Compoundierung im Heizmischer eine sinnvolle Methode zur Verarbeitung von WPC mit Refinerfasern und Hanffasern darstellt, da hierbei wenig Faserschädigung auftrat. Jedoch wurden beide Naturfasern aufgrund der starken Scherkräfte während der Extrusion deutlich verkürzt, und eine homogene Verteilung der Fasern in der Matrix wurde nicht erreicht. WPC auf Basis von Hanffasern wiesen die besten Festigkeitseigenschaften unter den getesteten Formulierungen auf. Das Design der Extruderschnecken und Werkzeuge sollte modifiziert werden, um eine verbesserte Faserverstärkung zu erzielen und um neue Anwendungen für WPC im konstruktiven Bereich zu ermöglichen. Mit Hilfe der dynamisch-mechanischen Analyse (DMA) wurde die Faser-Matrix-Haftung der WPC untersucht, und die Aktivierungsenergien für den Glasübergang ausgewählter Formulierungen wurden berechnet. Die Aktivierungsenergie für Formulierungen mit MAPP war höher als für WPC ohne MAPP. Dies deutet darauf hin, dass bessere Faser-Matrix-Haftung in Formulierungen mit MAPP erzielt wurde.
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At present, wood particles (wood flour) with a low aspect ratio are mostly used as fillers in wood-plastic composites (WPC). Reinforcement of WPC and improved strength properties may be achieved by using real wood fibres with a high aspect ratio. WPC based on 70% (wt.) refiner (TMP) wood fibres and mechanically processed hemp fibres were extruded in a two-step process. Eleven compounds based on the two natural fibre types were prepared using a thermokinetic mixer and extruded in a conical, counter-rotating twin-screw extruder. Additional formulation components were polypropylene fibres, maleic anhydride-modified polypropylene (MAPP) and lubricant. It was determined that compounding in a thermokinetic mixer is a useful step for processing of WPC with refiner and hemp fibres as little fibre damage occurred. However, during extrusion, both natural fibre types were severely shortened due to strong shear forces, and homogeneous dispersion of fibres in the matrix was not achieved. WPC based on hemp fibres displayed the best strength properties of the formulations tested. Current extruder screw and die configurations need to be modified to achieve improved fibre reinforcement and to create new, structurally demanding applications for WPC. Using dynamic mechanical analysis, fibre-matrix adhesion of WPC was investigated, and activation energies for glass transition of selected formulations were calculated. Activation energy for formulations containing MAPP was higher than for WPC without MAPP. This indicates that better fibre-matrix adhesion was achieved in formulations with MAPP.