Orthogonal Optimisation and Interfacial Enhancement of Alkali and Silane Modified Wheat Straw/PLA Composites

In de wereld van materialen is er een hardnekkig probleem dat de verschuiving weg van op aardolie gebaseerde plastics belemmert: hoe maak je sterke, duurzame voorwerpen die niet eeuwenlang in het milieu blijven hangen. Een veelbelovende oplossing omvat poly(melkzuur), een plastic afkomstig van maïs of suikerriet dat op natuurlijke wijze afbreekt. Deze materiaalgroep heeft echter beperkingen; het kan bros zijn en duur om in grote hoeveelheden te produceren. Om dit op te lossen, mengen wetenschappers het vaak met natuurlijke vezels, zoals de stengels die overblijven na de oogst van tarwe. Deze vezels zijn goedkoop, hernieuwbaar en voegen sterkte toe, maar ze hebben een chemische aard die botst met het plastic. De vezels zijn van nature waterminnend en ruw, terwijl het plastic waterafstotend en glad is. Wanneer ze worden gemengd, plakken ze vaak niet goed aan elkaar, wat zwakke plekken creëert waar het materiaal onder druk kan breken. De uitdaging ligt in het vinden van een manier om deze twee zeer verschillende materialen als één, verenigd team te laten werken.

Een team onderzoekers uit Maleisië en China pakte dit specifieke probleem aan door te onderzoeken hoe het beste tarwestro kan worden gecombineerd met poly(melkzuur). Hun werk richtte zich op twee belangrijke hindernissen: eerst, het bepalen van de perfecte omstandigheden om het mengsel samen te persen zodat het een solide plaat wordt zonder te verbranden of luchtbellen achter te laten; en ten tweede, het vinden van de beste methode om het stro te behandelen zodat het stevig aan het plastic hecht. Ze testten een veelgebruikte methode waarbij het stro werd gewassen met een milde alkalische oplossing om het oppervlak te reinigen, en een geavanceerdere methode met een chemisch agens dat fungeert als een brug tussen de vezel en het plastic. Door de temperatuur, de druk en de tijd tijdens het productieproces systematisch te variëren, probeerden ze een composietmateriaal te creëren dat niet alleen sterk was, maar ook in staat was energie te absorberen zonder te versplinteren.

De onderzoekers begonnen door het tarwestro op twee verschillende manieren te behandelen. Eén partij werd geweekt in een natriumhydroxide-oplossing, een proces dat wassen en andere niet-vezelige coatings van het stro verwijdert, waardoor een ruwer en schoner oppervlak achterblijft. De andere partij werd behandeld met een silaan-koppelingsmiddel, een chemische stof die ontworpen is om chemisch te binden met het oppervlak van het stro en tegelijkertijd compatibel te zijn met het plastic. Na de behandeling van het stro mengden ze het met het plastic en persten ze het mengsel in platte platen. Om het ideale productieformule te vinden, gokten ze niet; ze gebruikten een gestructureerde testmethode die het hen mogelijk maakte om de temperatuur, de uitgeoefende druk en de duur van het persen op een gecontroleerde manier te veranderen. Ze testten negen verschillende combinaties van deze drie factoren om te zien welke de sterkste materiaalsamenstelling opleverde.

De resultaten van deze tests toonden aan dat de druk die tijdens het persen werd uitgeoefend de meest cruciale factor was voor het maken van een stijf en buigbestendig materiaal. De temperatuur was de belangrijkste factor om het materiaal sterk genoeg te maken om plotselinge impact te weerstaan, terwijl de duur van de tijd dat het materiaal onder druk werd gehouden, het minste effect had op de algehele sterkte. Het team identificeerde een specifieke set omstandigheden die het beste werkte voor alle eigenschappen: een temperatuur van 180 graden Celsius, een druk van 14 megapascal en een behandeltijd van 20 minuten. Onder deze omstandigheden smolt het plastic net genoeg om rond de tarwevezels te stromen zonder te degraderen, en dwong de druk de luchtbellen naar buiten om een dichte, solide plaat te creëren.

Toen de onderzoekers de verschillende soorten stro vergeleken, was het verschil in prestaties duidelijk. Het onbehandelde stro produceerde een composiet die functioneel was, maar niet uitzonderlijk. Het met de alkalische oplossing behandelde stro presteerde beter en vertoonde een merkbare toename in sterkte, omdat het reinigingsproces de kunststof effectiever liet grijpen op het ruwere vezeloppervlak. Echter, het stro dat behandeld was met het silaan-koppelingsmiddel leverde met een aanzienlijke marge de beste resultaten op. Deze chemische behandeling creëerde een veel sterkere verbinding tussen de vezel en het plastic. Het resulterende materiaal kon een treksterkte van 19,81 megapascal, een buigsterkte van 29,25 megapascal en een impactenergie van 18,84 kilojoule per vierkante meter weerstaan. Deze waarden vertegenwoordigden verbeteringen van respectievelijk ongeveer 15 procent, 17 procent en 21 procent vergeleken met de onbehandelde versie.

Om te begrijpen waarom de silaanbehandeling veel beter werkte, bekeken de onderzoekers de materialen nauwgezet met krachtige microscopen en lichtgebaseerde analyse. Ze ontdekten dat de alkalische behandeling het oppervlak van het stro simpelweg ruwer en schoner maakte, wat de kunststof mechanisch hielp vast te grijpen aan de vezel. In tegen tegenstelling hiertoe deed de silaanbehandeling iets dieper liggends: het veranderde de chemische omgeving van het vezeloppervlak. De analyse toonde aan dat het silaan een laag vormde die de kloof tussen het waterminnende stro en het waterafstotende plastic overbrugde. Wanneer ze de materialen uit elkaar braken om de breukvlakken te onderzoeken, vertoonden de onbehandelde monsters duidelijke openingen en vezels die schoon waren uitgetrokken, wat duidde op een zwakke binding. De met alkalische oplossing behandelde monsters vertoonden minder openingen, maar de met silaan behandelde monsters vertoonden een strak, continu grensvlak waar het plastic stevig aan de vezels kleefde, zonder zichtbare scheiding. Deze sterke binding betekende dat wanneer het materiaal werd geraakt of getrokken, de spanning gelijkmatig over de gehele structuur werd verdeeld in plaats van zich te concentreren bij zwakke punten.

De studie concludeert dat hoewel het reinigen van het stro helpt, het chemisch modificeren ervan met een silaan-agens de superieure methode is voor het creëren van hoogwaardige biocomposieten. Door deze oppervlaktebehandeling te combineren met de specifieke perscondities die in hun tests zijn geïdentificeerd, hebben de onderzoekers een betrouwbare manier aangetoond om landbouwafval om te zetten in een waardevol, sterk materiaal. Deze aanpak biedt een praktisch pad voor het gebruik van tarwestro om de afhankelijkheid van op aardolie gebaseerde plastics te verminderen, mits het productieproces zorgvuldig wordt gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de twee materialen correct binden. Het werk suggereert dat met de juiste chemische brug en de juiste perscondities, landbouwresiduen kunnen worden getransformeerd tot duurzame, hoogwaardige materialen geschikt voor een breed scala aan toepassingen.