Estabilidade dimensional e propriedades mecânicas de extrudados

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10545 (2022) Citar este artigo

847 Acessos

3 Citações

Detalhes das métricas

Tamanho de partícula de 250 µm de materiais de madeira e polietileno (PE) foram compostos em proporções de mistura de 60/40, 70/30 e 80/20 (com um aumento no polímero para diminuir o teor de madeira) e extrudados usando uma única extrusora de parafuso em uma faixa de temperatura de 110–135 °C. As partículas de Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni e Nauclea diderichii com polietileno reciclado foram compostas e comprimidas a 175 N/mm para produzir compósitos de biopolímeros. Os compósitos de biopolímeros foram submetidos ao teste de estabilidade dimensional em 24 h do método de imersão em água e a capacidade de suportar a capacidade de carga foi investigada. O resultado dos resultados mostra que os compósitos de biopolímero extrudado-compressivo tiveram valores variando de 0,06–1,43 g/cm3, 0,38–3,41% e 0,82–6,85% para densidade observada, absorção de água e expansão de espessura em 24 h de imersão em água teste. Os valores das propriedades mecânicas variaram de 0,28 Nmm−2–21,35 Nmm−2 e 0,44–550,06 Nmm−2 para módulo de flexão e resistência; e 191,43 Nmm−2–1857,24 Nmm−2 e 0,35 Nmm−2–243,75 Nmm−2 para módulo de tração e resistência, respectivamente. Observou-se que a absorção de umidade e a resistência apresentada pelos compósitos variam de acordo com os valores obtidos para as espécies de madeira em diferentes proporções de mistura. Observou-se que quanto mais polietileno for adicionado à madeira, melhor será sua estabilidade dimensional, flexão e tração. As partículas de madeira de Cordia milleni compostas na proporção de 60 a 40 (polietileno/madeira) tiveram o melhor desempenho em estabilidade dimensional e capacidade de carga. Este estudo confirmou o efeito de métodos em espécies de madeira e PE reciclado para a fabricação de compósitos à base de polímeros de madeira para aplicações internas e externas.

Desde o início do século XX, o setor de polímeros vem se expandindo; vários produtores de resinas e empresas químicas em todo o mundo estão contribuindo principalmente para o volume de produtos plásticos produzidos anualmente, que ultrapassa 200 milhões de toneladas1,2. Isso permite que a indústria de processamento de polímeros em todo o mundo se expanda a partir de dezenas de milhares de pequenas e médias empresas. A maioria dos fabricantes de polímeros usa máquinas diferentes para operação; a maioria usa extrusoras e máquinas de moldagem por injeção. A primeira operação de produção do polímero é através da matriz de pelotização enquanto a segunda é para a conformação final (Vlachopoulos e Wagner, 2001). As duas operações envolvem o aquecimento e a fusão do polímero, bombeando o polímero fundido para a unidade de conformação para obter a forma e as dimensões necessárias, após o resfriamento para solidificar. A composição de polímero e outras partículas como madeira é normalmente feita usando extrusoras de parafuso sob calor e pressão específicos. O material composto pode ser prensado ou moldado em um produto final ou formado em pellets para posterior processamento em uma máquina de moldagem por injeção. Os produtos poliméricos podem ser fabricados em extrusão de folha ou perfil, moldagem por injeção, calandragem, termoformagem ou moldagem por compressão4.

Os produtos poliméricos têm propriedades únicas que incluem fácil fabricação, baixas densidades, resistência à corrosão, isolamento elétrico e térmico e muitas vezes rigidez e tenacidade favoráveis ​​por unidade de peso3. Devido a essas propriedades exibidas, a indústria de polímeros continuou a crescer nos países em desenvolvimento, onde suas necessidades de transporte, embalagem de alimentos, habitação e aparelhos elétricos são muito importantes. O interesse em adicionar fibra de madeira como reforço ao polímero tem crescido ao longo dos anos devido às excelentes propriedades e desempenho dos produtos5. O compósito de polímero de madeira é conhecido por ser um bioproduto alternativo aos painéis de aglomerado orgânicos com características aprimoradas para atender a diferentes aplicações4. A combinação de madeira e polímero mostrou produtos mecanicamente melhorados em comparação com outros produtos de painel à base de madeira e produtos plásticos6. A extrusão direta é a técnica mais comum usada na fabricação de compósitos de biopolímeros. Essa técnica permite que as matérias-primas sejam compostas por fusão e extrudadas em um perfil contínuo, forçando o material fundido através da matriz na mesma etapa do processo7. A técnica de extrusão indireta pode ser em perfis ou materiais de folha para moldagem por compressão a ser fabricada. Este estudo adota ambas as técnicas para a produção de biopolímero a partir de espécies de madeira selecionadas cultivadas na Nigéria; objetivou-se investigar seu efeito em propriedades específicas como estabilidade mecânica e dimensional do produto. Muitas partículas de espécies de madeira de regiões temperadas e tropicais têm sido investigadas. Espécies como pinus, maple e carvalho são comumente usadas para a produção de produtos compósitos comerciais de madeira e plástico na região temperada8. Pesquisas anteriores mostraram que as espécies de madeira afetam as propriedades mecânicas dos WPCs, com partículas de madeira dura superando as farinhas de madeira macia em termos de propriedades de tração e temperatura de deflexão térmica5,9. A maioria dos fabricantes de compósitos de madeira e plástico é encontrada em países desenvolvidos do mundo com tecnologias aprimoradas e avançadas, pois a tecnologia está melhorando e a demanda de marketing também está crescendo. Como a indústria está crescendo nos países desenvolvidos, os países em desenvolvimento ainda encontram dificuldades para se alinhar às tecnologias, apesar de sua enorme geração de resíduos de madeira das inúmeras indústrias madeireiras10,11. Os resíduos de madeira gerados pelas indústrias madeireiras poderiam ter um uso industrial importante para a produção de WPCs, em vez de serem usados ​​em aterros sanitários ou queimados12. Há um aumento gradual na tendência de pesquisa sobre WPCs na Nigéria com o uso de diferentes aglutinantes plásticos e espécies de madeira sendo avaliadas. O efeito de algumas espécies de madeira tropical nas propriedades de resistência dos WPCs também foi investigado13,14. Investigou a possibilidade e o potencial de espécies de madeira tropical e agro-resíduos para a produção de WPCs na Nigéria, usando uma extrusora de parafuso e uma máquina de prensagem a quente fabricada manualmente. Vale a pena notar que espécies nigerianas de madeira dura como Ceiba pentandra, Triplochiton scleroxylon, Entandrophragma cylindricum, Cordia alliodora, Funtumia Elastica, Brachystegia Kennedy, khaya ivorensis, Tectona grandis, Terminalia Superba e Milicia excelsa têm sido usadas para produzir WPCs sem agentes de acoplamento usando uma única rosca extrusora e/ou moldada por compressão5,15,16,17,18. Esses estudos revelaram produtos de resistência aprimorados com propriedades de baixa absorção que podem ser usados ​​para aplicações internas de baixa tensão17. Todas essas espécies de madeira são regularmente encontradas no processo diário de conversão de madeira nas indústrias nigerianas de moagem de madeira para fins estruturais. Recentemente, como a pesquisa sobre WPCs está crescendo, mais e mais espécies de madeira cultivadas na Nigéria também precisam ser investigadas. Entre as espécies de madeira previamente investigadas estão Gmelina Arborea e Tectona grandis, que caem para gravidades específicas de 0,42–0,64 e 0,61–0,73. essas espécies de madeira são comuns às serrarias nigerianas devido aos valores de mercado de alta demanda para exportação, a espécie de madeira é útil para fabricação de papel, moldagem de móveis, carpintaria de interiores, construção naval e compensados, madeira de postes, aglomerados, folheados e alguns outros estruturais19,20. Estas espécies de madeira são usadas neste estudo para comparar com as novas espécies como Cordia milleni e Nauclea diderichii que ainda não foram investigadas. Estas espécies de madeira são madeira de floresta semidecídua com densidades de 0,41–0,50 e 0,56–0,63 para Cordia milleni e Nauclea diderichii. Verificou-se que ambas as espécies de madeira têm pesos específicos mais baixos do que Gmelina Arborea e Tectona grandis, e também têm boas características que as tornam úteis para construção em geral e produtos de painéis à base de madeira; especificamente, Nauclea diderichii é muito útil para fins externos, como dormentes ferroviários, construção pesada, obras hidráulicas em contato com água doce ou salgada21,22. Prevê-se que o uso de partículas de madeira na indústria de plástico aumente à medida que a demanda por produtos WPCs na indústria da construção está crescendo gradualmente para coberturas, telhas e esquadrias de janelas5,23. As aplicações comerciais de WPCs são muito altas para decks e revestimentos, o que parece ser uma evidência de futuro desenvolvimento econômico e crescimento para países desenvolvidos4,24. Os WPCs estão gradualmente estendendo sua popularidade para países em desenvolvimento como a Nigéria e a necessidade de comercialização direcionada para aprimorar aplicações estruturais em países em desenvolvimento requer pesquisa intensiva em materiais e tecnologia.