nr 578, 2014, 81–90
Adres do korespondencji – Corresponding author: Tomasz Oniszczuk, Uniwersytet Przyrodni- czy w Lublinie, Katedra Inżynierii Procesowej, ul. Doświadczalna 44, 20-236 Lublin, Poland, e-mail: tomasz.oniszczuk@up.lublin.pl
BADANIE WYTRZYMAŁOŚCI WYPRASEK
BIOPOLIMEROWYCH Z DODATKIEM WŁÓKIEN LNIANYCH Tomasz Oniszczuk
Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie
Streszczenie. W pracy przedstawiono rezultaty badań wpływu dodatku wypełniaczy w po- staci włókien lnianych na wytrzymałość mechaniczną oraz odkształcenie wyprasek biopoli- merowych. Do wytworzenia granulatu zastosowano zmodyfi kowany ekstruder jednoślima- kowy TS 45 o L/D = 18 z dodatkowym chłodzeniem końcowej części cylindra urządzenia.
Badano wpływ prędkości obrotowej ślimaka ekstrudera, ilości stosowanego wypełniacza oraz temperatury wtrysku tworzywa na wybrane właściwości fi zyczne wyprasek biopo- limerowych. Zaobserwowano, że wypraski uzyskane z granulatów wytworzonych przy wyższej prędkości obrotowej ślimaka ekstrudera oraz zwiększającym się udziale włókien lnianych charakteryzowały się wyższą wytrzymałością mechaniczną. Dodatek włókien lnianych zmniejszył wartość odkształcenia wyprasek z granulatów TPS.
Słowa kluczowe: włókna lniane, skrobia termoplastyczna, ekstruzja, biokompozyt
WSTĘP
W ostatnich latach, ze względu na rosnący niedobór zasobów ropy naftowej oraz na fakt, że materiały wyprodukowane z udziałem ropy naftowej nie ulegają biodegradacji, zaczęto poszukiwać materiałów opakowaniowych przyjaznych dla środowiska natural- nego. Opracowanie procedur masowej produkcji materiałów biodegradowalnych jest przedmiotem intensywnych badań zarówno środowisk akademickich, jak i laboratoriów przemysłowych [Zhang i in. 2009]. Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat tworzywa sztuczne znalazły zastosowanie we wszystkich dziedzinach życia człowieka. Obecnie nie wyobrażamy sobie życia bez zastosowania tworzyw sztucznych w produkcji opa- kowań, zabawek, samochodów, wyrobów medycznych itp. Oprócz ogromnych korzyści wynikających z ich zastosowania obserwujemy negatywne aspekty ich użycia. Sposób
zagospodarowania różnych rodzajów tworzyw po cyklu ich życia ma olbrzymi wpływ na środowisko, a przede wszystkim na ludzkie zdrowie. Szczególną uwagę zwrócono na grupę materiałów pochodzenia naturalnego, tworzyw produkowanych z różnych ro- dzajów skrobi [Janssen i Moscicki 2008, Mościcki i in. 2012, Oniszczuk i in. 2013].
Nie przetworzona skrobia, aby mogła być dalej przetwarzana jako tworzywo biodegra- dowalne, musi zostać przekształcona w skrobię termoplastyczną (TPS – thermoplastic starch). Biopolimer otrzymywany jest po uprzednim wymieszaniu skrobi z plastyfikato- rem (często gliceryną) tak, aby podczas procesu ekstruzji umożliwić upłynnienie mate- riału w temperaturze niższej niż temperatura rozkładu skrobi. Niestety, czysta skrobia ter- moplastyczna obarczona jest wadami. Należą do nich: mała wytrzymałość mechaniczna (kruchość) oraz wysoka wrażliwość na czynniki środowiska, np. wilgoć [Carvalho i in.
2003, Li i in. 2013]. Głównymi zaletami skrobi są: zdolność do biodegradacji, dostęp- ność, stosunkowo niski koszt i łatwość do modyfikacji chemicznych [Teixeira i in. 2007, Labet i in. 2007, Zhang i in. 2013]. Właściwości TPS są uzależnione od botanicznego pochodzenia skrobi, a ściślej – od stosunku dwóch głównych komponentów – liniowej amylozy i rozgałęzionej amylopektyny. Istnieje wiele badań dotyczących wpływu zawar- tości amylozy i amylopektyny na właściwości finalnych materiałów wyprodukowanych na bazie skrobi [Li i in. 2011, Zou i in. 2012]. Stwierdzono, że TPS wykonana ze skrobi o wysokiej zawartości amylozy posiada lepsze właściwości termiczne i mechaniczne, jednak jej przetwarzanie (w szczególności ekstrudowanie) jest znacznie trudniejsze [Liu i in. 2009]. Jako dodatek pomocniczy, poprawiający właściwości mechaniczne i fizyczne skrobi termoplastycznej, można stosować rożnego rodzaju wypełniacze, takie jak: włók- na naturalne (konopne, lniane, jutowe, kokosowe, celulozowe, bawełniane) lub odpady z przemysłu drzewnego [Ayse i Mohini 2008]. Produkcja biopolimerów skrobiowych możliwa jest z wykorzystaniem maszyn i urządzeń stosowanych przy produkcji polime- rów syntetycznych.
Rodzaje skrobi oraz zastosowanych dodatków (wypełniaczy, plastyfikatorów) wpły- wają na właściwości fizyczne TPS. Są one bardzo ważne przy wyborze surowców do produkcji tworzyw biodegradowalnych, gdyż umożliwiają optymalizację właściwości mieszanek opartych na TPS w kierunku zastosowań przemysłowych produktów z nich wykonanych [Wollerdorfer i Bader 1998, Ma i in. 2005, Liu i in. 2011].
Celem pracy było zbadanie wpływu parametrów procesu wytwarzania oraz ilości za- stosowanego wypełniacza w postaci włókien lnianych na wybrane właściwości fizyczne form sztywnych TPS.
MATERIAŁY I METODY
Podstawowym surowcem wykorzystanym do badań była skrobia kukurydziana typ MERIZET 100 (Segezha, Irlandia). Do badań wykorzystano cięte włókna lniane o dłu- gości od 1 do około 3 mm. Jako plastyfikator wykorzystano glicerynę techniczną o czy- stości 99%, dodając ją w ilości 20% s.m. skrobi [Oniszczuk i Pilawka 2013].
Ze skrobi kukurydzianej o wilgotności 16% oraz włókien lnianych i gliceryny spo- rządzono mieszanki surowcowe. Udział włókien w przygotowanych mieszankach wy- nosił 5, 10, 20 i 30%. Próby zostały wymieszane przy użyciu laboratoryjnej mieszarki
wstęgowej. Po wymieszaniu próbki zostawiono w szczelnie zamkniętych workach pla- stikowych na 24 godziny w celu ujednorodnienia mieszanki. Bezpośrednio przed ekstru- zją przygotowane próbki były jeszcze raz mieszane, co gwarantowało uzyskanie luźnej i sypkiej struktury.
Granulaty TPS z dodatkiem włókien lnianych wykonano z zastosowaniem eks- trudera jednoślimakowego wyposażonego w układ plastyfikujący o stosunku długości ślimaka do jego średnicy L/D = 18/1. Zastosowano matrycę stalową z otworem o śred- nicy 3 mm. Granulaty produkowano przy zastosowaniu obrotów ślimaka ekstrudera 60 i 100 obr·min–1. Parametry procesu ekstruzji ustalono w zakresie temperatur 60–110°C i utrzymywano, regulując odpowiednio intensywność przepływu cieczy chłodzącej.
Ciśnienie podczas procesu ekstruzji zawierało się w przedziale 8–10 MPa [Oniszczuk i Pilawka 2013].
Proces wtrysku wysokociśnieniowego przeprowadzono na wtryskarce ARBURG 220H90-350 (Niemcy), L/D = 20,5. Prędkość wtryskiwania utrzymywana była na poziomie 70–90 mm·s–1, czas wtrysku 5 s, temperatura procesu wynosiła od 100 do 160°C. Uzyskane próbki biopolimeru w formie „wiosełek” poddano testom wytrzy- małościowym. Produkcję wyprasek rozpoczynano od temperatury wtrysku tworzywa 100°C, następnie zwiększano ją co 20°C, aż do osiągnięcia temperatury 160°C.
Badanie własności mechanicznych wyprasek biopolimerowych przeprowadzono na urządzeniu wytrzymałościowym Zwick typ BDO-FBO0,5TH (Ulm, Niemcy) [Wójto- wicz 2011] wyposażonym w głowicę 0,5 kN. Prędkość przesuwu głowicy wynosiła 5 mm·min–1. W celu określenia pola powierzchni przekroju próbek mierzono gru- bość i szerokość wyprasek w trzech miejscach roboczej części próbki z dokładnością do 0,01 mm. Badano wytrzymałość na rozciąganie wyprasek oraz ich odkształcenie z wykorzystaniem programu tXpert II służącego do rejestracji i opracowania wyników.
Badanie przeprowadzono w 10 powtórzeniach dla każdego rodzaju próbki [PN-81/C- -89034: 2000, Oniszczuk i in. 2012, Rudy i in. 2011].
Metody statystyczne
Analizę statystyczną przeprowadzono, wykorzystując program Statistica 6.0 [Kuna- -Broniowska i in. 2011, Janiszewska i Olszak 2013]. W celu określenia istotności róż- nic zastosowano analizę wariancji ANOVA. Do oceny jakości dopasowania wyników wykorzystano metodę powierzchni odpowiedzi z dopasowaniem NKWO. Wyznaczono wartości współczynników SS, df, MS, wartości testu F oraz istotność różnic w zależności od zastosowanych zmiennych.
WYNIKI I DYSKUSJA
Wyniki badań właściwości fizycznych wyprasek uzyskanych ze skrobi termopla- stycznej są podstawowym kryterium oceny przydatności uzyskanego biopolimeru do produkcji form sztywnych opakowań przy zastosowaniu technologii wtrysku wysokociś- nieniowego. Dodatek wypełniaczy naturalnych w granulatach ma za zadanie stabilizować kształt oraz poprawiać właściwości użytkowe form sztywnych opakowań.
Przeprowadzona ocena cech fizycznych wytworzonych wyprasek umożliwiła dobór odpowiedniego granulatu oraz optymalnych parametrów procesu produkcji wyprasek [Oniszczuk i in. 2012]. Wyniki tych badań mogą stać się podstawą do opracowania op- tymalnych parametrów przetwarzania skrobi termoplastycznej i jej mieszanek, co może ułatwić opracowanie kompleksowej technologii produkcji biodegradowalnych form sztywnych stosowanych np. w opakowalnictwie [Ayse i Mohini 2008].
W trakcie przeprowadzonych badań zaobserwowano, że w każdym badanym rodza- ju wyprasek istotny wpływ na ich właściwości mechaniczne miała zawartość włókien lnianych, temperatura masy wtryskiwanego tworzywa nie miała zaś istotnego wpływu na oceniany parametr. Wytrzymałość na rozciąganie wyprasek zwiększała się wraz ze wzrostem zawartości włókien lnianych. Zaobserwowano, że wypraski z najwyższą za- wartością włókien lnianych charakteryzowały się najwyższą wytrzymałością na rozcią- ganie (32,5 MPa) dla prób formowanych z granulatu wytworzonego przy 60 obr·min–1 ślimaka ekstrudera i temperaturze masy wtryskiwanej 140°C (rys. 1).
Wollerdorfer i Bader [1998], przeprowadzając badania dodatku włókien z różnych surowców odnotowali istotny wpływ rodzaju oraz zawartości włókien na cechy mecha- niczne i wytrzymałościowe wyprasek uzyskanych ze skrobi kukurydzianej oraz pszennej w procesie wtrysku wysokociśnieniowego. Zastosowanie włókien lnianych w ilości od 10 do 20% istotnie poprawiło wytrzymałość na rozciąganie próbek w porównaniu do skrobi termoplastycznej bez dodatków.
Temperatura masy
wtryskiwanej
Injection mass temperature [°C]
45 40 35 30 25 20 15 10
ężNapr 5
enie przy zerwaniu
Tensile at break [MPa]
20 10 Zawarto
ść włókien Fibre content [%]
100
120 140
160
0
30 25 20 15 10 5
Rys. 1. Wpływ dodatku włókien lnianych oraz temperatury masy wtryskiwanej na wytrzymałość na rozciąganie wyprasek biopolimerowych (prędkość obrotowa ślimaka 60 obr·min–1) Fig. 1. The infl uence of fl ex fi bres and injection mass temperature on tensile at break of biopo-
lymer mouldings (screw speed 60 rpm)
Temperatura masy wtryskiwanej Injection mass temperature [°C]
20 10
100 120
140 160
35 30 25 20 15 10 45
40 35 30 25 20 15 10 Zawarto30
ść włókien Fibre content [%]
Napręż
enie przy zerwaniu
Tensile at break [MPa]
0
Rys. 2. Wpływ dodatku włókien lnianych oraz temperatury masy wtryskiwanej na wytrzymałość na rozciąganie wyprasek biopolimerowych (prędkość obrotowa ślimaka 100 obr·min–1) Fig. 2. The infl uence of fl ex fi bres and injection mass temperature on tensile at break of biopo-
lymer mouldings (screw speed 100 rpm)
Wypraski wytworzone z granulatów wyprodukowanych przy większej prędkości ob- rotowej ślimaka ekstrudera (100 obr·min–1) charakteryzowały się nieznacznie wyższą wy- trzymałością na rozciąganie. Zaobserwowano, że naprężenie rejestrowane podczas znisz- czenia próbki uzyskane w teście rozciągania wyprasek wytworzonych w temperaturze wtrysku tworzywa 120°C i zawartości 30% włókien lnianych wynosiło 36 MPa (rys. 2).
Dodatek 5% włókien lnianych oraz zastosowanie różnych temperatur masy wtryski- wanej skrobi TPS nie wpłynęło istotnie na wytrzymałość na rozciąganie badanych wy- prasek (tab. 1). Nieznaczny wzrost wytrzymałości na rozciąganie zaobserwowano przy zastosowaniu temperatury masy wtryskiwanego tworzywa 160°C. Wypraski, które zosta- ły wyprodukowane bez dodatku włókien, charakteryzowały się niższą wytrzymałością na rozciąganie podczas przeprowadzonego pomiaru. Naprężenie rejestrowane podczas zniszczenia próbki uzyskane w teście rozciągania dla próby wytworzonej w temperaturze wtrysku tworzywa 160°C osiągnęły wartość 11,12 MPa (rys. 2). Yu i inni [1998], prze- prowadzając badania cech wytrzymałościowych skrobi kukurydzianej z dodatkiem gli- ceryny odnotowali podobne zależności. Uzyskali wytrzymałość na rozciąganie wyprasek skrobiowych na poziomie ok. 7 MPa przy dodatku 20% gliceryny.
Kolejnym ważnym parametrem określającym cechy użytkowe biopolimeru jest jego odkształcenie. Dodatek włókien lnianych w znaczący sposób wpłynął na odkształcenie biopolimeru w teście rozciągania. Zaobserwowano, że wartość wydłużenia obniżała się wraz ze zwiększaniem udziału włókien lnianych w produkcie.
Tabela 1. Wyniki analizy statystycznej oraz testu F dla wytrzymałości na rozciąganie i wydłużenia wyprasek wytworzonych podczas różnych warunków procesu
Table 1. Results of univariate tests F for tensile at break and elongation for mouldings processed under various conditions
Parametr Parameter
Obroty ślimaka Screw speed
[rpm]
Zmienna grupująca Variable
residue
SS df MS F p
Naprężenie przy zniszczeniu Tensile at break
60
Temperatura wtrysku
Injection temperature 51,79 3 17,26 0,275 0,8429 Dodatek włókien
Fibre content 6 895,66 4 1 723,91 467,361 0,0000
100
Temperatura wtrysku
Injection temperature 121,73 3 40,57 0,511 0,6753 Dodatek włókien
Fibre content 8 219,22 4 2 054,80 213,005 0,0000
Wydłużenie Elongation
60
Temperatura wtrysku
Injection temperature 1 667,05 3 555,68 0,907 0,4398 Dodatek włókien
Fibre content 52 825,68 4 13 206,42 76,390 0,0000
100
Temperatura wtrysku
Injection temperature 355,72 3 118,57 0,074 0,9733 Dodatek włókien
Fibre content 177 864,20 4 44 466,06 829,581 0,0000
Najwyższą wartość wydłużenia zaobserwowano w przypadku wyprasek wytworzo- nych bez dodatku włókien w całym zakresie zastosowanych temperatur wtrysku tworzy- wa. Zastosowana temperatura masy wtryskiwanej TPS z włóknami lnianymi nie miała istotnego wpływu na wydłużenie wyprasek (rys. 3).
Podobne tendencje uzyskali Wollerdorfer i Bader [1998] podczas badania wyprasek skrobiowych z dodatkiem włókien lnianych oraz Ma i inni [2005], którzy badali wypraski wzbogacone włóknami bawełnianymi. Spośród wyprasek zawierających włókna lniane największym odkształceniem (55,41%) charakteryzowały się wypraski z 5-procentowym udziałem włókien, wytworzone w temperaturze masy wtryskiwanej 100°C.
Wypraski powstałe z granulatu otrzymanego przy prędkości obrotowej ślimaka eks- trudera 100 obr·min–1 charakteryzowały się nieznacznie wyższymi wartościami wy- dłużenia (rys. 4), zaobserwowano również podobne zależności jak przy zastosowaniu niższych obrotów ślimaka. Wydłużenie zmniejszało się wraz ze wzrostem zawartości włókien lnianych. Wypraski bez dodatku włókien lnianych wytworzone z zastosowa- niem wtrysku wysokociśnieniowego przy temperaturze masy 160°C charakteryzowały się wydłużeniem na poziomie 140%, czyli ponad dwa razy większym niż w przypadku próbek z 5-procentową zawartością włókien lnianych. Wypraski zawierające 30% włó- kien lnianych charakteryzowały się największą sztywnością. Maksymalne wydłużenie tych próbek wyniosło 25% przy temperaturze wtryskiwanego tworzywa 140°C. Tem- peratura wtryskiwanej masy tworzywa nie miała istotnego wpływu na elastyczność próbek w całym zakresie zastosowanych wartości dodatków włókien lnianych.
Zawarto ść włókien Fibre content [%]
30 20
10 0
100 80 60 40 140
120 100 80 60 40
Wydłuż
enie
Elongation [MPa]
20 160
140 120
100 Temperatura masy wtryskiwanej Injection mass temperature [°C]
160 140 120 100 80 60 40
Wydłuż
enie
Elongation [MPa]
20
Temperatura masy wtryskiwanej Injection mass temperature [°C]
160 140
120
Zawarto ść włókien Fibre content [%]
30 20
10 0
100
Rys. 4. Wpływ dodatku włókien lnianych oraz temperatury masy wtryskiwanej na wydłużenie wyprasek biopolimerowych (prędkość obrotowa ślimaka 100 obr·min–1)
Fig. 4. The infl uence of fl ex fi bres and injection mass temperature mass on elongation of biopo- lymer mouldings (screw speed 100 rpm)
Rys. 3. Wpływ dodatku włókien lnianych oraz temperatury masy wtryskiwanej na wydłużenie wyprasek biopolimerowych (prędkość obrotowa ślimaka 60 obr·min–1)
Fig. 3. The infl uence of fl ex fi bres and injection mass temperature on elongation of biopolymer mouldings (screw speed 60 rpm)
WNIOSKI
1. Dodatek włókien lnianych wpłynął w istotny sposób na wytrzymałość na rozciąga- nie i odkształcenie form sztywnych TPS.
2. Wraz ze wzrostem zawartości włókien lnianych w wypraskach wzrastała ich wy- trzymałość na rozciąganie, a wydłużenie malało.
3. Temperatura masy wtryskiwanej nie wpłynęła w istotny sposób na wytrzymałość na rozciąganie badanych wyprasek.
4. Zastosowane dwie prędkości obrotowe ślimaka ekstrudera przy wytwarzaniu gra- nulatów TPS wpłynęły w niewielkim stopniu na właściwości mechaniczne wyprasek bio- polimerowych.
5. Wypraski wytworzone z granulatów wyprodukowanych przy 100 obr·min–1 cha- rakteryzowały się nieznacznie większą wytrzymałością na rozciąganie.
LITERATURA
Ayse A., Mohini S., 2008. Biocomposites from wheat straw nanofibers: morphology, thermal and mechanical properties. Com. Sci. Tech. 68, 557–565.
Carvalho A.J.F., Job A.E., Alves N., Curvelo A.A.S., Gandini A., 2003. Thermoplastic starch/natu- ral rubber blends. Carb. Polym. 53, 95–99.
Janiszewska E., Olszak G., 2013. Morfologia kawy i mleka suszonych rozpyłowo. ZPPNR 572, 33–42.
Janssen L.P.B.M., Moscicki L. (eds.), 2009. Thermoplastic starch. Wiley-VchVerlagGmbh& Co., Weinheim, Germany, 1–29.
Kuna-Broniowska I., Gładyszewska B., Ciupak A., 2011. Storage temperature influence on Young Modulus of tomato skin. Teka Com. Mot. En. Agr. 11, 218–228.
Liu H., Xie F., Yu L., Chen L., Li L., 2009. Thermal processing of starch-based polymers. Prog.
Polym. Sci. 34, 1348–1368.
Li J., Luo X., Lin X., Zhou Y., 2013. Comparative study on the blends of pbs/thermoplastic starch prepared from waxy and normal corn starches. Starch 65, 831–839.
Li M., Liu P., Zou W., Yu L., 2011. Extrusion processing and characterization of edible starch films with different amylose contents. J. Food Eng. 106, 95–101.
Liu P., Xie F., Li M., Liu X., 2011. Phase transitions of maize starches with different amylose con- tents in glycerol–water systems. Carb. Polym. 85, 180–187.
Labet, M., Thielemans, W., Dufresne, A. 2007. Polymer grafting onto starch nanocrystals. Biomac- romolecules. 8, 2916–2927.
Ma X., Yu J., Kennedy J.F., 2005. Studies on the properties of natural fibers-reinforced thermoplas- tic starch composites. Carb. Polym. 62, 19.
Mościcki L., Mitrus M., Wójtowicz A., Oniszczuk T., Rejak A., Janssen L.P.B.M., 2012. Applica- tion of extrusion-cooking for processing of thermoplastic starch (TPS). F. Res. Intern.
47, 291–299.
Oniszczuk T., Pilawka R., 2013. Wpływ dodatku włókien celulozowych na wytrzymałość termicz- ną skrobi termoplastycznej. Przem. Chem. 2, 265–269.
Oniszczuk T., Pilawka R., Oniszczuk A., 2013. Wpływ dodatku mielonej kory sosnowej na wytrzy- małość termiczną skrobi termoplastycznej. Przem. Chem. 8, 1554–1557.
Oniszczuk T., Wójtowicz A., Mitrus M., Mościcki L., Combrzyński M., Rejak A., Gładyszewska B., 2012. Biodegradation of TPS mouldings enriched with natural fillers. Teka Com. Mot.
En. Agr. 123(1), 175–180.
PN-68/C-89034: 2000. Tworzywa sztuczne. Oznaczanie cech wytrzymałościowych przy statycz- nym rozciąganiu.
Rudy M., Stanisławczyk R., Głodek E., 2011. Badanie właściwości mechanicznych korzeni bura- ków cukrowych w zależności od ich wielkości, odmiany i czasu składowania. ZPPNR 558, 231–238.
Teixeira E., DáRóz A., Carvalho A., Curvelo A., 2007. The effect of glycerol/sugar/water and sugar/
water mixtures on the plasticization of thermoplastic cassava starch. Carb. Polym. 69, 619–624.
Yu J., Chen S., Gao J., Zheng H., Zhang J., Lin T., 1998. A study on the properties of starch/glyc- erine blend. Starch. 50, 246.
Wollerdorfer M., Bader H., 1998. Influence of natural fibres on the mechanical properties of biode- gradable polymers. Ind. Cr. And Prod. 8, 105.
Wójtowicz A., 2011. Wpływ parametrów ekstruzji na cechy jakościowe błyskawicznych makaro- nów pełnoziarnistych. ZPPNR 558, 287–300.
Zhang Y.R, Wang X.L, Zhao G.M, Wang Y.Z., 2013. Influence of oxidized starch on the properties of thermoplastic starch. Carb. Polym. 96, 358–364.
Zhang Y.R., Zhang S.D., Wang X.L., Chen R.Y., Wang Y.Z., 2009. Effect of carbonyl content on the properties of thermoplastic oxidized starch. Carb. Polym. 78, 157–161.
Zou W., Yu L., Liu X., Chen L., 2012. Effects of amylose/amylopectin ratio on starch-based super- absorbent polymers. Carb. Polym. 87, 1583–1588.
EVALUATION OF SELECTED MECHANICAL PROPERTIES OF BIOPOLYMERS MOULDINGS REINFORCED WITH FLAX FIBERS
Summary. The research covered mechanical properties of mouldings of maize thermo- plastic starch (TPS) reinforced with fl ax fi ber. The thermoplastic starch granules were pro- duced from mixtures of maize starch, glycerol and fl ax fi bers in amount from 5 to 30%. In the study, a modifi ed single-screw extruder TS-45 was used with L/D = 18 with an extra cooling section of the last part of the cylinder. Stainless steel forming die was applied with open 3 mm in diameter. TPS granulates were processed with extruder screw speed 60 and 100 rpm. Processing temperature was set in a range from 60 to 110°C. The tests of the high-pressure injection process of TPS granulates reinforced with fl ax fi ber was done on the injection moulding machine ARBURG 220H90-350, L/D = 20.5. Injection speed was set at the level 70–90 mm·s–1, injection time was 5 s, processing temperature ranged from 100 to 160°C. Biopolymer samples shaped for standardized bone-type mouldings were assessed for mechanical properties. Mechanical properties were evaluated with universal testing machine Zwick BDO-FBO0,5TH (Ulm, Germany) equipped with 0.5 kN working head. Test speed was 5 mm·min–1. Maximum tensile at break and maximum elongation of mouldings were evaluated during elongation test. The research focused on the effect of the extruder screw speed, injection temperature and the amount of fl ax fi bers applied for tensile at break and elongation of mouldings. Maize starch samples processed without fi ber addi- tion characterized lower mechanical resistance during elongation tests. It was concluded the highest tensile at break for mouldings with 30% of fl ax fi bers processed on the base
of granulate extruded at 60 rpm and injected in temperature 140°C with value 32.5 MPa.
During the measurements, the higher values of tensile at break were reported for mould- ings with increasing of fl ax fi bers addition independently the injection temperature used.
Addition of fi bers signifi cantly infl uenced on biopolymer elongation. It was observed that elongation lowered with increasing fl ax fi ber amount in the recipe. The highest values of elongation were observed for maize mouldings without fi ber addition in a whole range of injection temperature used. Samples reinforced with 30% of fl ax fi bers characterized the highest stiffness. Maximum elongation of these mouldings reached 25% for samples proc- essed at injection temperature 140°C. Injection-moulding temperature had an insignifi cant infl uence on mouldings elongation. Increasing amount of fl ax fi ber in biopolymer recipe infl uenced on higher tensile at break and lowered elongation of tested mouldings.
Key words: fl ax fi bres, thermoplastic starch, extrusion, biocomposites
