Mekanisk karakterisering af biopolymerer - etd.dtu.dketd.dtu.dk/thesis/245142/2009_68.pdfbachelorerstuderende af natur- eller teknisk videnskab og andre med interesse for biopolymerer

Mekanisk karakterisering af biopolymerer

Louise Løcke Laursen & Alexandra Løvdal Udgivelsesdato 2. juni 2009

2

Forfatter: Louise Løcke Laursen & Alexandra Løvdal

Titel: Mekanisk karakterisering af biopolymerer

Afdeling: Afdeling for Materialeforskning

Projektperiode: 2. februar 2009- 2. Juni 2009 ECTS: 15 point Retning: Medicin og Teknolog Uddannelse: Bachelor Klasse: Offentlig Udgave: 1. Udgave Bemærkninger: Denne rapport er indleveret som led i opfyldelse af kravene til ovenstående uddannelse på Danmarks Tekniske Universitet. Rettigheder: © RISØ, 2009

Udgivelsesdato: 2.juni 2009

Sider: 55

Tabeller: 6

Figurer: 47

Referencer: 26

Afdelingen for Informationsservice Risø Nationallaboratoriet for Bæredygtig Energi Danmarks Tekniske Universitet Postboks 49 4000 Roskilde Danmark Telefon 46774004 [email protected] Fax 46774013 www.risoe.dtu.dk

3

1 Forord

Dette bachelorprojekt omhandlende karakterisering af biopolymerer er udarbejdet i forbindelse med

afslutningen af bacheloruddannelsen i Medicin og Teknologi ved Danmarks Tekniske Universitet,

foråret 2009. Projektet er skrevet i samarbejde med RISØ DTU og er rettet mod

bachelorerstuderende af natur- eller teknisk videnskab og andre med interesse for biopolymerer og

biokompositter.

Vi vil gerne takke vores vejledere seniorforsker Lars Pilgaard Mikkelsen og forsker Bo Madsen for

godt og lærerigt samarbejde. En speciel tak rettes til seniorforsker Tom Løgstrup Andersen for faglig

sparring. Desuden takkes teknikere på Afdeling for Materialeforskning Risø for eksperimentel

vejledning og tålmodighed.

Udarbejdet af:

Louise Løcke Laursen Alexandra Liv Vest Løvdal

4

2 Indholdsfortegnelse

1 Forord ..................................................................................................................................................... 3

2 Indholdsfortegnelse................................................................................................................................. 4

3 Resumé ................................................................................................................................................... 6

4 Abstract ................................................................................................................................................... 7

5 Indledning ............................................................................................................................................... 8

6 Problemformulering ................................................................................................................................ 9

7 Definition af nøgleord. ............................................................................................................................ 9

8 Teori .......................................................................................................................................................10

8.1 Mekaniske og fysiske egenskaber ....................................................................................................10 8.1.1 Glasovergangstemperaturen, Tg ............................................................................................................... 12

8.2 Polymerkompositter ........................................................................................................................13 8.2.1 Komposittens mekaniske egenskaber ..................................................................................................... 14

8.3 Polylactat syre (PLA) .......................................................................................................................17 8.3.1 Opbygning af PLA ............................................................................................................................................. 18 8.3.2 Fremstilling. ....................................................................................................................................................... 19 8.3.3 PLA’s fysiske egenskaber: ............................................................................................................................. 20

8.4 Biofibre. ..........................................................................................................................................20 8.4.1 Opbygning af biofibre .................................................................................................................................... 21 8.4.2 Jute.......................................................................................................................................................................... 22

8.5 Biokompositter ...............................................................................................................................22

9 Materiale og metoder ............................................................................................................................24

9.1 Materialer ......................................................................................................................................24

9.2 Fremstilling af PLA- og kompositplader ...........................................................................................24

9.3 Udskæring af plader ........................................................................................................................25

9.4 Eksperimentel udførelse ..................................................................................................................26

9.5 Databehandling ..............................................................................................................................27

10 Måleresultater........................................................................................................................................28

10.1 Trækprøve for jute/PLA 4032D: .......................................................................................................28

10.2 Trækprøve for PLA 4032D................................................................................................................32

10.3 Trækprøve for jute/PLA 2002D ........................................................................................................37

10.4 Trækprøve for PLA CA24-001 ...........................................................................................................39

10.5 Blandingslov ...................................................................................................................................42

11 Diskussion ..............................................................................................................................................46

5

11.1 PLA 4032D ......................................................................................................................................46

11.2 Jute/PLA 4032D ..............................................................................................................................49

11.3 Jute/PLA 2002D ..............................................................................................................................51

11.4 Jute/PLA CA24 ................................................................................................................................53

12 Konklusion..............................................................................................................................................55

13 Fejlkilder ................................................................................................................................................56

14 Perspektivering ......................................................................................................................................57

15 Bidrag .....................................................................................................................................................59

16 Symbolliste .............................................................................................................................................60

17 Forkortelser ............................................................................................................................................60

18 Litteraturliste .........................................................................................................................................61

18.1 Søgeord ..........................................................................................................................................61

18.2 Databaser .......................................................................................................................................61

18.3 Artikler ...........................................................................................................................................61

18.4 Bøger ..............................................................................................................................................62

18.5 Websteder ......................................................................................................................................62

19 Tabelliste ................................................................................................................................................63

20 Figurliste.................................................................................................................................................63

21 Appendiks ..............................................................................................................................................65

21.1 PLA 2002D ......................................................................................................................................65

21.2 PLA 4032D ......................................................................................................................................65

21.3 Jute ................................................................................................................................................66

21.4 Oplysning fra Natureworks..............................................................................................................67

21.5 Eksempel på MatLab script .............................................................................................................69

21.6 Billeder af udvalgte emner efter træk ..............................................................................................71

6

3 Resumé Mekanisk karakterisering af biopolymerer

Idet verdens depot af fossilt materiale er svindende og efterspørgslen forsat stiger, har der de

seneste to årtier været fokus på udvikling af fornybart råmateriale som et alternativ til dette. Et af

tiltagende er udviklingen af biopolymerer.

Idet biopolymerer er særligt temperaturfølsomme, har projektets formål været at karakterisere

hvorledes de mekaniske egenskaber ændres for biopolymeren, PLA 4032D, og den tilsvarende

jute/PLA under temperaturpåvirkning. I denne rapport sammenlignes reference matricen, PLA 4032D

fra Natureworks, med andre typer PLA. Desuden sammenlignes jute/PLA 4032D med en jute/ PLA,

hvor der i matricen er tilsat en filler i håb om at gøre PLA’en mere temperaturbestandig.

Testemnernes dimensioner følger ISO 527-1 standarden. Måleresultaterne er fundet ved trækprøve i

en Instron 1115, hvorpå der er påsat en ovn, således at emnerne kan trækkes ved en kontrolleret

temperaturstigning. Datasættene er opsamlet i DASYlab9, og den videre databehandling er udført i

MatLab.

Vi har ud fra måleresultaterne konkluderet, at jute/PLA 4032D har bedre mekaniske egenskaber end

jute/PLA 2002D op til 50oC, hvorefter begge jute/PLA-typers mekaniske egenskaber kraftigt

reduceres. Af denne grund testes jute/PLA CA24-001, fra Toray, der er fillerforstærket, og derfor

forventes at være mere temperaturbestandig. Pga. af for mange uregelmæssigheder i resultaterne

over 50oC for den sidstnævnte PLA, har det ikke været muligt at konkludere, hvorvidt denne PLA

typer er bedre end referencematerialet, dog indikerer visse måleresultater, at den forstærkede PLA

er mere temperaturbestandig. Uregelmæssighederne skyldes evt. fremstillingsvanskeligheder.

Måleresultaterne viser desuden, at det er muligt at benytte blandingsloven til at udregne et

forventet E-modul for kompositten ved samtlige temperaturer. Dog med forbehold for at jutens

egenskaber ændres under en temperaturstigning.

Vi konkluderer på baggrund af denne rapport, at det på nuværende tidspunkt ikke er muligt at

implementere PLA i et bredere anvendelsesområde, hvor temperaturer overstiger ca. 50-55oC.

Derfor er dens anvendelse fortsat primært rettet mod emballage. Skal PLA kunne konkurrere med de

petroleumsbaserede polymerer, kræver det altså yderligere forskning.

Nøgleord: Biopolymer; Biofiber; Jute PLA komposit; Temperaturbestandighed; Blandingslov

7

4 Abstract

Mechanical characterisation of biopolymers

Due to the fact that the world’s stockpile of fossil material is diminishing and the demand is

continuously increasing, the last 2 decades has seen an expanding focus on the development of

renewable raw material as an alternative. One of the initiatives is the development of biopolymers.

Because biopolymers are especially temperature sensitive, the aim of this study has been to

characterize how the mechanical properties of the biopolymer, PLA 4032D and the corresponding

jute/PLA, changes under the influence of temperature. In this study the reference matrix, PLA 4032D

from Natureworks, was compared to other types of PLA. Furthermore jute/PLA 4032D was compared

with a jute/ PLA, into which a filler was added to the matrix in hopes of making the PLA more

temperature resistant.

The test specimens’ dimensions follow the ISO 527-1 standard. The results of the tensile test are

obtained using an Instron 1115, upon which an oven is mounted, so that the specimens can be tested

at a controlled temperature elevation. The data set is collected in DASYlab9, and the further data

processing is carried out in MatLab .

Based on the results, we have concluded that jute/PLA 4032D has superior mechanical properties

compared to jute/PLA 2002D until 50oC, after which both jute/PLA types’ mechanical properties are

severely reduced. Because of this jute/PLA CA24-001, from Toray, is tested. This PLA is filler

reinforced, and therefore is expected to be more temperature resistant. Due to too many

irregularities in the obtained results from this PLA above 50 oC, it has not been possible to conclude if

this PLA type is better than the reference material, still some of the results indicate that the

reinforced PLA is more temperature resistant. The irregularities could be due to manufacturing

difficulties. The results also show that it is possible to use the rule-of-mixture to calculate an

expected Young’s modulus for the composite at all temperatures, however subjected to jutes

changing properties during temperature elevation.

Based on this report we conclude that at the present moment it is not possible to implement PLA in a

wider field of application, where temperatures rise above 50-55 oC. Because of this its main use is still

in packaging. If PLA is to compete with petroleum based polymers, further research is required.

Keywords: Biopolymer; Biofiber; Jute PLA composite; temperature resistant; rule-of-mixture

8

5 Indledning

Som et resultat af en voksende forståelse for forbindelsen mellem globale miljømæssige faktorer er

principper for bæredygtighed, industriel økologi, økologisk effektivitet, grøn kemi og udvikling ved at

blive en integreret del af udviklingen af næste generation af materialer, produkter og

udviklingsprocesser. (Mohanty, 2005)

I mange år har kompositmaterialer været lavet af petroleumsbaserede polymerer samt forskellige

fibertyper. Da verdens indhold af naturlige ressourcer er faldende og efterspørgslen for vedvarende

og fornybart råmateriale fortsætter med at stige, afprøves kompositter med biobaserede polymerer

og fibre i stedet. Med biobaseret menes polymerer udvundet af biologisk materiale, f.eks. fra planter

eller bakterier samt biofibre udvundet fra planter, der kan erstatte syntetisk materiale.

Det har været interessen for fremstilling af kompositmaterialer, udvundet fra genbrugt materiale,

som har ført forskere mod biobaserede polymerer. Et af resultaterne er udviklingen af polylactat syre

(PLA) – en bionedbrydelige polymer, der blev tilgængelig i 1990erne. (Mohanty, 2005; Averous, 2004;

Rui-Hua, 2007)

Nogle af de voksende anvendelsesområder for biokompositmaterialer er indenfor emballage,

husholdningsprodukter og automobilindustrien. Et andet område, hvor biopolymerer allerede

benyttes, er indenfor den medicinale sektor. Her bruges bl.a. PLA til fremstilling af kirurgiske skruer,

søm, plader og reabsorbable implantater og suturer. Grunden til at PLA er meget udbredt indenfor

dette område er, fordi den tidligere har vist sig at være nontoksisk, biokompatibel samt sikker at

arbejde med. Alligevel er en forbedring af de mekaniske egenskaber også ønskværdig i det

medicinske felt. (Jenkins, 2007; Ratner, 2004)

Udfordringen er at erstatte konventionelle glasforstærkede polymerer med biokompositter og

dermed få et materiale, der udviser samme strukturelle og funktionelle stabilitet under opbevaring

og brug. Tidligere har det været tænkt, at PLA skulle kunne nedbrydes uden negativ effekt på CO2-

udslippet, men der er nu mere fokus på at øge levetiden af biomaterialer og genbrug af disse, hvilket

også har vist at være en stor udfordring. (Mohanty, 2005)

Et af tiltagene er Biobio-projektet. Projektet, finansieret af Vækstform Sjælland, startede i november

2008 på RISØ DTU. En væsentlig del af dette projekt omfatter undersøgelse af

temperaturbestandigheden af biokompositter og biopolymerer, da det er en kendt udfordring og

9

problemstilling. Temperaturbestandigheden afhænger primært af matricen og dermed

biopolymeren, men også den valgte naturfibre kan have indflydelse på denne.

I Biobio-projektet er der indledningsvis valgt at tage udgangspunkt i to reference halvfabrikater for

fiber og matrice. Naturfibrene er som reference repræsenteret i form af Jutevævet 100-16 fra

Nevotex og for matricematerialet er valgt PLA 4032D fra amerikanske Natureworks.

Det har derfor været af interesse for projektet at lave en grundlæggende mekanisk karakterisering af

referencematerialet PLA 4032D, primært fokuseret på dens temperaturafhængighed, og hvorledes

denne kan relateres til andre kendte PLA-typer. Desuden ønskes det undersøgt om, det er muligt at

benytte blandingsloven til at forudsige komposittens mekaniske egenskaber under

temperaturpåvirkning. Hvilket har ledt os frem til følgende problemformulering for projektet:

6 Problemformulering

7 Definition af nøgleord.

For at undgå misforståelse har vi i denne rapport valgt at definere følgende nøgleord som

Fornybar: Fornybar råmateriale er biologisk materiale, som kontinuerligt kan reproduceres i naturen.

Biopolymer: En polymer baseret på naturligt biologisk materiale, der kommer fra en fornybar ressource.

Biofibre: En fiber der er fremstillet af naturligt materiale, såsom mineraler, planter eller fra animalsk oprindelse.

Biokomposit: Et kompositmateriale bestående af biofibre og biopolymer uden syntetiske tilsætningsstoffer.

Filler: Et tilsætningsstof til polymeren der kan ændrer dens egenskaber, bl.a. styrke, stivhed og temperaturbestandighed.

Biomateriale: Et materiale der er lavet ud fra biologisk og naturlig fremkommet materiale.

Hvordan ændres biopolymeren PLA 4032D’s mekaniske egenskaber sig under temperaturstigning, og

hvorledes kan PLA 4032D’s temperaturbestandighed relateres til andre kendte PLA-typer brugt i

biokompositmaterialer? Desuden ønskes det undersøgt om det muligt at ændre biokomposittens

mekaniske egenskaber ved at tilføje en filler.

10

8 Teori

8.1 Mekaniske og fysiske egenskaber

Ved testning for at finde det elastiske modul, flydespænding og spændingsstyrke for polymer- og

kompositmaterialer, benyttes ofte trækprøvning. Baseret på data opsamlet under trækprøven kan

der optegnes en spænding-tøjningskurve, ud fra hvilken de mest almindelige mekaniske egenskaber

kan karakteriseres. Ved almindelig testning vil data opsamles som påført last som funktion af målt

forlængelse. Hvorledes emnet påvirkes af belastningen i forhold til dens areal, kaldes spænding, σ, og

udregnes som last, F, over det oprindelige tværsnitsareal, A0, i emnets gaugeområde (Callister, 2007),

se (1).

0

FA

(1)

Tøjning, ε, er en parameter for forlængelse under træk og udregnes som differencen af endelig

forlængelse, Δl, over den oprindelige længde, l0, se (2).

0

ll

(2)

Det antages, at polymerer i deres lineære elastiske region opfylder Hooks lov om, at spænding er

proportional med forlængelse, som det ses i (3). Koefficienten er stivhedsfaktoren, omtalt E-modulet.

Denne koefficient vil kunne aflæses ud fra hældningen i spænding-tøjningskurvens elastiske lineære

region, se (4). Flydespændingspunktet forekommer for metaller i maksimumpunktet, hvor den

lineære elastiske region, som oftest ophører og overgår til den plastiske fase. For polymerer er dette

dog ikke altid gældende, idet der kan være en ulineær elastisk fase, hvori der endnu ikke er opstået

plastisk deformation. Dette punkt omtales P i Figur 1. For at bestemme om polymeren er overgået til

den plastiske fase kræver det, at emnet undersøges efter påført belastning for eventuel plastisk

deformation. E-modulet kan tolkes som værende et estimat for, hvor modstandsdygtig materialet er

imod elastisk deformation. Deformationer indenfor den elastiske region er ikke permanente, og hvis

trækprøven ophører inden den overgår til plastisk deformation, vil emnet returnere til sin oprindelige

position.

E (3)

E

(4)

11

Hvorledes flydespænding og spændingsstyrke er placeret i forhold til hinanden afhænger altså af,

hvilket materiale der er tale om. (Callister, 2007)

Figur 1. Den røde kurve viser punktet P, hvor emnet overgår fra den lineære elastiske til den ulineære elastiske region. Den blå kurve viser en polymer, der både har et øvre og et nedre flydepunkt. Modificeret fra Callister, 2007 (s. 587)

Ved testning af polymerer vil der oftest kunne observeres egenskaber for tre forskellige standard

typer polymerer. Den sprøde polymer, den plastiske polymer og elastomeren, se Figur 2.

Den sprøde polymer opnår en høj maksimal spændingsstyrke og kommer til brud under den elastiske

deformation. For denne vil flydespænding og maksimal spændingsstyrke være ens.

Den plastiske polymer ligner den almindelige spænding-tøjningskurve, kendt fra de fleste metaller,

med en først elastisk deformationsregion og dernæst en plastisk deformationsregion. For denne vil

flydespændingen være lavere end spændingsstyrken.

Elastomeren er totalt elastisk og undergår ingen permanent deformation. For denne er der kun tale

om en maksimal spændingsstyrke. (Callister, 2007)

De mekaniske egenskaber for polymerer er ofte følsomme overfor deformeringshastigheden,

temperatur og omgivelser; herunder luftfugtighed, gas og organiske opløsninger. (Callister, 2007)

Et materiale, der har en spænding-tøjningskurve med en lineær elastisk region og dernæst en

ulineær region med både et øvre og nedre flydepunkt, som set i Figur 1, vil udvise forskellige

deformationsstadier. Ved det øvre flydepunkt vil der dannes en indsnøring på emnet, hvor

carbonkæderne i polymeren bliver trukket i testretningen. I indsnøringen opstår en lokal styrke.

Yderligere træk medfører dog en forlængelse af denne indsnøring, hvilket indebærer, at spændingen

12

stiger og hele gaugestykket forlænges. Hvor stor deformationen kan blive afhænger af polymertypen

samt geometrien af trækprøven. (Callister, 2007). Dette ses på Figur 2 b.

Figur 2 viser forskellige spænding-tøjningskurveforløb for forskellige polymerer. Kurve a er forløbet for et sprødt materiale, kurve b og c er for et sejt materiale med flydepunkt, kurve d er for et sejt materiale uden flydepunkt. Modificeret fra ISO 527-1.

Testning ved forskellige temperaturer påvirker specielt polymerers egenskaber. Ved

temperaturstigning for f.eks. poly(methylmethacrylat) ses en mindskning i spændingsstyrke og E-

modul, samt en øget duktilitet. (Callister, 2007)

8.1.1 Glasovergangstemperaturen, Tg

Glasovergangstemperaturen, Tg, er den temperatur, hvor et amorf fast stof, såsom en polymer, bliver

sprød ved nedkøling eller blød ved opvarmning. Grunden til denne ændring er, at den tilførte energi,

i form af varme, svækker bindingerne i polymeren, hvilket derved tillader de enkelte segmenter at

rotere. Polymerens struktur har også indflydelse på Tg. Hvis den indeholder store sidegrupper, vil

polymerkæderne da ligge længere fra hinanden, hvilket betyder, at der skal tilføres mindre energi for

at rotere de enkelte segmenter. Når materialet har en temperatur under Tg, befinder de amorfe

områder sig i en glaslignende tilstand, hvor de fleste sekundære bindinger er intakte. Betegnelsen Tg

anvendes oftest kun på fuldstændig eller delvis amorfe, faste stoffer, såsom almindelig glas eller

organiske polymerer. En tilsvarende opførsel finder sted i krystalline metaller, kaldet den duktile-

sprøde overgangstemperatur. (Callister, 2007; Wikipedia Glass Transition Temperature)

Faktorer såsom varmebehandling og molekylær omrokering, tomrum, induceret tøjning og andre

faktorer, der påvirker tilstanden af materialet, kan have en effekt på Tg. Tg er desuden afhængig af

13

materialets viskoelastiske egenskaber og varierer derfor også med hastigheden af den påførte

belastning. Polymerer opfører sig ikke som newtonske væsker, dvs. de har ikke en konstant viskositet

ved varierende forskydningshastigheder. Viskositeten af en polymer enten stiger eller falder med

stigende forskydningshastighed, hvilket kaldes henholdsvis dilatant og pseudo-plastisk opførsel.

(Plast Center Danmark; Wikipedia Glass Transition Temperature)

8.2 Polymerkompositter

Generelt er kompositter enhver form for multifase materiale, der udviser en signifikant andel af de

egenskaber, hver enkelt delmateriale besidder. Således opnås en bedre kombination af egenskaber

af de benyttede materiale såsom stivhed, styrke samt modstand mod omgivelsers høje

temperaturer. Det er dermed muligt at skabe materialer med specifikke egenskaber målrettet mod

et ønsket brugsområde. Kompositter kan dannes af både metal, polymer og keramiske materialer.

Mange kompositter består af to delmaterialer, den ene, kaldet matricen, som er kontinuer og

omslutter den anden del, kaldet den dispergerede fase. Komposittens egenskaber bliver dermed en

funktion af matricens egenskaber, dens relative størrelse samt den geometriske udformning af den

dispergerede fase, som beskriver fiberens form og størrelse samt distributionen og orienteringen af

disse. (Callister, 2007)

I de fleste kompositter med fibre bruges en matrice af polymer, idet de er strækbare. Matricen i

polymerkompositter holder fibrene sammen og overfører lasten til fibrene. I modsætning til matricen

bør fiberen have et højere E-modul. Matricen er ofte sprød, og fibrene vil dermed kunne øge

sejheden af kompositmaterialet. Matricen er også med til at beskytte fiberen mod beskadigelse og

nedsætter absorption af vand fra luften.

På Figur 3 ses hvorledes polymerkompositter klassificeres efter tre overordnede inddelinger: partikel-

forstærket, fiber-forstærket samt strukturelt-forstærket. (Callister, 2007)

Figur 3 viser forskellige kompositinddelinger og deres undergrupper. Modificeret fra Callister, 2007 (s. 579).

14

Den dispergerede fase for partikel-forstærkede kompositter indeholder partikler af samme

dimension og størrelse i alle retninger med en meget lille længde til diameterratio. Den fiber-

forstærkede komposit har en dispergeret fase med udformning som en reel fiber, dvs. at der er en

stor længde til diameterratio. Den strukturelt forstærkede komposit er en sammenblanding af

komposit og homogent materiale.

Den komposit, der er testet i dette projekt er en fiberforstærket komposit. Som set i Figur 3 kan de

fiberforstærkede kompositter inddeles yderligere i forhold til deres fiberlængde.

8.2.1 Komposittens mekaniske egenskaber

De mekaniske egenskaber for fiberforstærkede komposittyper afhænger ikke kun af fiberens

egenskaber, men også af hvorledes en påført last overføres mellem matricen og fibrene. Hvor godt

bindingsbåndet mellem matricen og fiberen er, har indflydelse på dette. Under en påført last ophører

vedhæftningen mellem fiber og matrice ved fibrenes ender, således at der ikke sker en overførsel af

last fra matricen til fiberenderne, og deformationen vil sker i henhold til Figur 4.

Figur 4 viser deformationsmønstret i en matrice, der omgiver en fiber med en påført spændingskraft. Modificeret fra Callister, 2007 (s. 585).

Der findes en kritisk fiberlængde, som er nødvendig for opretholdelse af komposittens mekaniske

egenskaber. Denne kritiske længde, lc, afhænger af fiberens diameter, d, og dens spændingsstyrke σf

samt forskydningsstyrken af matricen eller styrken af fiber-matricebindingsbåndet, τc, alt afhængig

af, hvilken parameter er mindst. Mikroskopbilleder af fragmentenderne kan afsløre, hvor godt dette

matrice-fiberbindingsbånd er. Hvis fibrene ikke er udtrukket, men knækket inde i matricen, angiver

det et godt bindingsbånd og god styrke. Huller mellem fiber og matrice indikerer, at det er muligt at

foretage forbedring af de mekaniske egenskaber. (Mohanty, 2005)

Fibre for hvilke l>>lc klassificeres som kontinuerte (lange) fibre. Diskontinuerte (korte) fibre har en

længde kortere end dette. For fibre med signifikant kortere længde end lc, begynder kompositten at

15

opføre sig som en partikelforstærket komposit, og der eksisterer generelt ingen

belastningsoverførsel mellem matrice og fibre længere. (Callister, 2007)

Orienteringen af fibrene, samt koncentrationen og fordeling af dem, har alt sammen betydning for

komposittens styrke og yderligere mekaniske egenskaber. Orienteringen af fibrene kan antage to

yderligheder; enten fuldstændigt parallelt orienteret i

én retning eller fuldstændig tilfældigt orienteret. De

bedste kompositegenskaber findes, når blot fibrene er

homogent fordelt.

De mekaniske egenskaber for kontinuert, parallelt

orienterede fibre, som benyttes i denne rapport,

afhænger bl.a. af spænding-tøjningsopførslen for fiber-

og matricefaserne, fasernes volumenfraktion, samt i

hvilken retning belastningen påføres. Hvis belastningen

påføres i fiberens retning, vil kompositten opføre sig

som skematisk vist i Figur 5.

Figur 5 viser en skematisk spændingtøjningskurve for matricen og fiberen alene, og hvorledes en komposit af disse ser ud. ε*

f og σ*f viser punktet, hvor fiberen har sin maksimale spændning og tøjning. ε*

m og σ*m viser

punktet, hvor matricen er nået sit ultimative brud. εm og σm viser overgangen mellem den lineære og ulineære fase. Stadie I og stadie II indikerer overgangen for kompositten mellem den lineære fase og den ulineære fase. Modiceret fra Callister, 2007 (s.587) samt Michigan Technological University.

I starten deformeres både fiberen og matricen i kompositten, elastisk og lineært. Matricen vil som

oftest nå sit flydepunkt, og derefter deformeres plastisk, imens at fiberen fortsat deformeres elastisk,

hvilket indikerer stadie to i figuren. I overgangen fra stadie et til to øges fiberens andel af den

bærende last i forhold til matricens andel. Idet fibrene begynder at knække, startes komposittens

brud, hvilket sker omkring den maksimale tøjning, εmax, for fiberen. Fibrene knækker ikke

nødvendigvis på samme tid. Når fibrene er brudt, kan matricen stadig være intakt, så længe

tøjningen ikke overstiger matricens maksimale forlængelse. De brudte fibre i kompositten er stadig i

stand til at overføre en nedsat belastning, imens matricen fortsætter med at deformeres plastisk.

(Callister, 2007)

I den elastiske fase antages det, at fiber-matricebindingsbåndet er stærkt, og deformationen er ens

for begge, hvilket kaldes en isotøjning. Under disse betingelser er den totale belastning fordelt lige

mellem matricen og fibrene. Den samlede last, som kompositten opretholder udregnes ved (5).

16

c m fF F F (5)

Ud fra definitionen af spændingsstyrkeligningen (1) og volumenfraktionerne, kan (5) yderligere

omskrives til (6).

c m m ffV V (6)

Såfremt at matrice og fiber deformeres elastisk og belastes i fiberlængdens retning kan E-modulet

udregnes ved (7).

(1 )c m m f f m f f fE E V E V E V E V (7)

E-modulet for kompositten er således et volumenfraktionsgennemsnit af E-modulet for matricen og

fibrene i den elastiske fase.

Hvis fibrene derimod belastes i deres tværgående retning, vil E-modulet i stedet udregnes ved (8).

1

(1 )

fm

c m f

m fc

f f m f

VVE E E

E EE

V E E V

(8)

Volumenandelen af de forskellige materialer beregnes ud fra (9).

m ff

f m m f

WV

W W

(9)

hvor ρf er fiberdensiteten og ρm er matricedensiteten. Wf og Wm er henholdsvis vægten af fiberen og

matricen. (composites.about.com, 2009)

Typisk er kompositter lavet af glasfibre og en matrice bestående af en petroleumsbaseret polymer,

eksempelvis polyesters og vinylesters. Desuden bruges også epoxider, der er dyrere end de tidligere

nævnte, men som også har bedre mekaniske egenskaber og bedre kan modstå vand. Naturfibre har

allerede været brugt i kompositter, og problemstillingen er nu at udskifte de petroleumsbaserede

polymerer med biobaserede. (Callister, 2007)

Nedenstående afsnit beskriver baggrunden for valg af polylactat syre, dens egenskaber samt

fremstilling af denne.

17

8.3 Polylactat syre (PLA)

PLA er en polymer baseret på biomasse og betegnes som værende en biopolymer. PLA’en, der

bruges til disse forsøg, er udvundet fra majskornenes organiske carbonkæder. PLA er en termoplast,

idet den bliver blødere og til sidst smelter under påvirkning af temperaturstigning. Til forskel fra

hærdet plast er processen reversibel, og den vil ved nedkøling blive stiv igen. Når polymeren

opvarmes brydes de sekundære Van der Waalske bindinger, hvilket skaber mere bevægelse mellem

carbonkæderne, når polymeren belastes. (Callister, 2007; Wikipedia Plastic)

PLA er en af de termoplaster, der er størst forhåbninger til kan erstatte almindelige

petroleumsbaserede polymerer, da dens egenskaber kan sammenlignes med polyethylene

terephthalate (PET) og i nogle sammenhænge polypropelene (PP). (Mohanty, 2005). PET er en af de

dyrere termoplaster og ligger på samme niveau som PLA’s nyværende produktionsomkostninger. Det

har derfor været et mål at nedskære PLA’ens omkostninger, og dermed gøre den mere

konkurrencedygtig og attraktiv. De høje produktionsomkostninger stammer bl.a. af, at der ønskes en

så ren lactatsyre som mulig, ud fra hvilken PLA’en dannes.

En anden grund til, at PLA er blevet populær, er dens positive effekt på miljøet. Den betegnes

praktisk talt som CO2-neutral både ved fremstilling og ved, at den kan nedbrydes hurtigt og

kontrolleret. PLA er attraktiv pga. sin mekaniske styrke, bionedbrydelighed, kompabilitet med

biologisk- væv og materiale, og idet den udvindes fra fornybare ressourcer. Variationer af polymeren

medfører, at den kan bruges til flere forskellige anvendelsesområder, og dens egenskaber kan

opfører sig fra glaslignende plast til gummipolymer. Anvendelsesområder er bl.a. i medicinsk

henseende, emballage, automobiler m.m. Studier af PLA viser, at den kan opbevares i mindst et år,

men at den under påvirkning af vand og tempereret omgivelser, vil miste sine egenskaber i løbet af

nogle måneder. Der er derfor enighed om, at PLA ikke kan bruges til emballage til længerevarende

opbevaring pga. hurtig nedbrydningsrate grundet absorbering af vand fra luften. (Baillie, 2004; Holm,

2004).

PLA siges at have en meget lille indflydelse på drivhuseffekten, idet den mængde CO2, som

produceres ved nedbrydning, udlignes af den mængde, som majsplanten optager under vækst. Det

forventes i det lange løb, at mængden af afgrøder, som skal bruges til polymerfremstilling, vil optage

18

mere CO2 under fotosyntesen1 end der afgives ved nedbrydningen. Det kommer af, at PLA ved totalt

nedbrydning i naturen vil omdannes til primært muldjord samt CO2 og vand. (Mohanty, 2005). Som

alternativ til komplet nedbrydning menes det, at PLA kan genbruges ved hydrolyse for derigennem at

opnå monomerstrukturen af lactat syre, hvorefter fremstillingsprocessen foretages igen. Dvs. at

udover, at PLA’s nedbrydning efter brug er mere miljøvenlig end de petroleumsbaserede polymerer,

er fremstilling af PLA også mindre energikrævende. PLA’s nedbrydning afhænger af temperaturen og

fugtindholdet den udsættes for. Raten, hvormed nedbrydningen sker, afhænger af polymerens

molekylevægt, overflade, porøsitet og evt. stoffer tilsat under fremstillingen. (Baillie, 2004; Mohanty,

2005)

8.3.1 Opbygning af PLA

Stivelse, som brugt til PLA, er en semikrystallinsk polymer, som findes i planter og mikroorganismer.

PLA indeholder glukoseenheder, der består af 70-80% amylopectin (en meget forgrenet polymer) og

20-30% amylose (en lineær polymer). Plantetypen, molekylevægtfordeling, graden af forgrening samt

forholdet mellem amylopectin og amylose, har indflydelse på styrken og opførslen af de krystallinske

områder i stivelsen. Alle former for stivelse kan bruges til at fremstille termoplast, hvilket gøres ved

at spalte stivelsens granulater til en homogen polymer. Udover majs kan bl.a. kartoffel- og

hvedestivelse bruges. Majskornene er foretrukket frem for andre planter og afgøder, idet de

medfører en renere lactat syre. (Baillie, 2004)

Polylactat syre kan udvindes på flere måder. Den kan enten fremstilles ved ringåbning af cyklisk

lactatdimerer ved brug af en katalysator eller ved fraspaltning af vand, kondensation, fra lactat syre.

(Mohanty, 2005). Ringåbningsmetoden er specielt velegnet, idet en højere molekylevægt kan opnås,

og PLA vil dermed få en højere Tg. Lactat syren, der har struktur som set på Figur 6, har både en D- og

L-form og er dermed optisk aktiv. Blanding af disse stereokemiske former bestemmer bl.a.

krystalliniteten af det færdige plastprodukt. (Holm, 2004)

Figur 6 viser kemisk struktur af polylactat syre. Modificeret fra Metaefficient, 2009

1 Fotosyntese er plantens metabolisme, hvor den bruger kuldioxid og vand samt solens fotoner til at danne organisk materiale, ilt og vand.

2 2 2 2 22 ( ) 2nCO H O fotoner CH O H O O

19

8.3.2 Fremstilling.

Figur 7 viser en skematisk fremstilling af PLA fra majs. Modificeret fra Mohanty, 2005 (s.530).

Ved fremstilling af PLA, se Figur 7, omdannes majs til dextrose (D-glukose), som videre omdannes til

lactat syre under kemisk fermentation2. Den vandige lactat syre kondenseres efterfølgende til en

prepolymer med en lav molekylevægt. Prepolymeren konverteres til en blanding af lactat stereomere

ved hjælp af en katalysator, der optimerer raten. Blandingen destilleres under vakuum til meso- og

lav D-lactat, der til sidst bliver til den færdige PLA ved brug af en ringåbnende lactat-polymerisation i

blandingen. (Mohanty, 2005). Processen foregår uden brug af dyre- eller miljøskadende stoffer. Den

del af polymerkæderne, monomeren, som ikke er blevet konverteret, fjernes under vakuum og

undergår processen igen. Denne teknologi er patenteret af Cargill Dow LLC. Med henblik på genbrug

af PLA, kan den hydrolyseres, hvormed byggeklodsen lactat syre opnås, ud fra hvilken nyt PLA kan

dannes. Idet processen foregår i en smelte, forbruges der ikke ret meget energi pr. produceret

kilogram PLA i forhold til de petroleumsbaserede polymerer, hvilket ses på Figur 8. (Mohanty, 2005)

Figur 8 viser, hvor mange megajoule pr. kilogram, der er nødvendig for at fremstille følgende polymere. De rødlige søjler viser en række petroleumsbaserede polymere, og de grønne søjler viser PLA for det første og

2 Fermentation er en kemisk proces, hvor kulhydrater omdannes til alkohol eller syre.

20

femte år PLA blevet produceret, og hvor stor energiomkostningen vil være på længere sigt. Modificeret fra Mohanty, 2005 (s. 535).

8.3.3 PLA’s fysiske egenskaber:

For PLA er glasovergangstemperaturen, Tg, omkring 55oC, og den har smeltepunktstemperaturen, Tm,

mellem 150-160oC (se appendiks 21 ). Til sammenligning har PET og PP en Tg på henholdsvis 69 og

-18oC og Tm på henholdsvis 265 og 175oC. Når PLA opvarmes til over Tg vil den gå fra at være fast til at

antage en mere rigid, gummiagtig opførsel. Under Tg er molekyler i polymeren ”låst fast”, men de

bevæger sig med roterende og translatoriske bevægelser. Tg afhænger blandt andet af sidegrupper,

polære grupper og dobbeltbindinger samt aromatiske kæder i byggestenen og materialets

molekylevægt. (Mohanty, 2005; Callister, 2007).

Da smeltepunktet for en polymer også afhænger af molekylevægten, vil en stigning af denne, for en

polymer med relativ lav molekylevægt, således medføre en højere Tm. Tilstedeværelse af sidekæde

vil også have en indflydelse på Tm. (Baillie, 2004)

PLA er som udgangspunkt sprød, men kan dog modificeres ved at bruge blødgøringsmidler,

platicizers. Platicizers er ofte væsker med lavt damptryk og lav molekylevægt. De fylder rummene op

mellem de store polymerkæder og øger dermed afstanden mellem disse, hvorved styrken af de

sekundære intermolekulære bindinger mindskes. (Callister, 2007; Wikipedia Plasticizer). Plastizcizers

er med til at sænke Tg, så polymeren bliver mere smidig ved lavere temperaturer. Specielt for

biopolymerer, vil plasticizers ofte være vand, urinstof, ammoniak, di- og triethylene glycol, polyvinyl

alkohol eller citronsyre. Bioplastizcisers forringer altså de intermolekylære hydrogenbindinger og

modvirker migration (vandring i polymeren). Det er også muligt at forøge en polymers egenskaber

såsom spændingsstyrke, termisk stabilitet, slidtage modstand m.m., ved tilførsel af fillers. (Baillie,

2004; Callister, 2007)

8.4 Biofibre.

Glasfibre er som sagt den mest benyttede fiberforstærker til plastkompositter og indgår i 95% af de

kompositter, der indeholder termoplast og termohærdet plast. Nyere forskning viser at i visse

sammenhænge, kan naturfibre være konkurrencedygtige med glasfiber. Det ønskes derfor at udvikle

naturfiberbaserede kompositter, som er mindst lige så gode som de glasfiberbaserede, når det drejer

21

sig om strukturel og funktionel stabilitet under opbevaring, brug og miljøvenlige aspekter. (Mohanty,

2005; John, 2007)

Fiberforstærkning har været kendt i flere år, hvor bl.a. naturfibre har været brugt, de såkaldte

cellulose fibre. Der er naturligvis visse fordele og ulemper ved at bruge naturfibre. Fordelene er f.eks.

det økonomiske aspekt i produktion og fremstilling. Der skal forholdsvis simple metoder og maskineri

til at fremstille naturfibre. De har en lav vægt, hvilket medfører, at de har en høj specifik3 styrke og

stivhed. Naturfibre er også sikre at arbejde med for teknikere og har en positiv effekt på miljøet, idet

de ikke udgiver toksiske stoffer ved forbrænding og betegnes som CO2-neutral. Naturfibre går også

ind under kategorien fornybare ressourcer og kan dyrkes næsten overalt på verdensplan. Biofibre er

ikke elektrisk ledende, og deres lag og hule struktur medfører en akustisk isolation. (John, 2007)

8.4.1 Opbygning af biofibre

Naturfibrene består af cellulose, hemicellulose, lignin, pectin og voks. Idet cellulosefibriller ligger

langs fibrene opnås maksimal træk- og fleksuralstyrke og rigiditet. Celluloses krystrallinitet medfører

forstærkning af polymerer. De er relativt resistente for oxidation, men kan nemt hydroliseres.

Hemicellulosen er ikke en form for cellulose og er ikke krystallinsk, men derimod en kort forgrenet

polysakkarid. Lignin er en kompleks hydrocarbonpolymer med alifatiske og aromatiske dele. Den

opfører sig hydrofobt, hvilket giver rigiditet i planten. Den siges at være en co-polymer, og det har

ikke været muligt at separere denne fra plantefibren. Ligninen defineres som en termoplast med Tg

på 90oC og en Tm på 170oC. Pectinkomponenten giver planten fleksibilitet. Plantefibre kan i sig selv

opfattes som naturens egen komposit, idet den altså består af cellulosefibriller og af termoplast.

(Mohanty, 2005; John, 2007)

Den største ulempe er, at cellulose-naturfibre er polære og hydrofile, hvorimod de fleste

termoplaster er nonpolære og hydrofobe. Dette kan medføre, at der ikke opnås en god binding

mellem fibrene og matricen i kompositten. Et andet problem opstår i fremstillingen af kompositten,

idet naturfibre undergår og forbrændes ved høje temperatur, hvilket medfører restriktioner for

valget af matrice. Matricens smeltepunkt skal ligge under forbrændingstemperaturen af fiberen. Som

beskrevet optager naturfibre fugt fra luften, hvilket medfører, at den svulmer op og nedbrydes

hurtigere. Fugtoptaget har negativ effekt på de mekaniske egenskaber og reducerer stabiliteten og

formen af kompositten. Dog menes det, at fordelene er større end ulemperne og brug af naturfibre i

kompositter forsætter. (John, 2007)

3 egenskab til densitets ratio

22

8.4.2 Jute

Til denne forsøgsrække bruges jute som fiber i kompositten. Den benyttede juten i dette projekt, er

vævet således, at fibrene krydser hinanden symmetrisk, hvor kæderetningen er orienteret til 0o og

skudretning til 90o (Figur 9).

Figur 9 viser, hvorledes juten er vævet. Modificeret fra John, 2007.

Fald, overflade og stabilitet af juteklædet afhænger således af, hvorledes fibrene er vævet. Denne

type vævning resulterer dog ikke nødvendigvis i de stærkeste mekaniske egenskaber, men er let

tilgængelig fra tekstilindustrien. Volumenfraktionen kan variere i kæde- og skudretning afhængig af

vævningsmetoden. Undersøgelser viser, at vævningen har betydning for, hvor meget vand

kompositten optager fra luften og i sidste ende har indflydelse på de mekaniske egenskaber. Det ses

da, at kompositter med vævet fibre optager vand hurtigere end de ikke vævede. Dette er specielt

gældende for det almindelige vævsmønster beskrevet ovenfor. Styrken af juten afhænger af, hvilken

retning der testes i. De største mekaniske styrker vil opnås ved at teste i skudretningen frem for i

kæderetningen, da fibervolumenfraktionen er større i denne retning. (John, 2007)

8.5 Biokompositter

Kompositmaterialer er som sagt attraktive at benytte, da de kombinerer materialeegenskaber på

måder, der ikke optræder naturligt. De fleste slags polymerer alene er ikke egnede til lastbærende

applikationer på grund af deres manglende styrke, stivhed og dimensional stabilitet. Fibre derimod

besidder som regel høj styrke og stivhed, men er vanskelige at bruge i lastbærende anvendelser

alene på grund af deres trævlede struktur. Det er derfor matricens opgave at holde fiberen på plads.

Spændingsstyrken samt E-modulet for naturfibre er lavere end for E-glasfibre, som typisk bruges i

kompositter. I midlertidig er densiteten af E-glasfibre høj (3,5g/cm3) i modsætning til den meget

lavere densitet for natur fibre (1,5g/cm3). Den specifikke styrke og E- modul for nogle af naturfibrene

er forholdsvis sammenlignelig med glasfiber, hvilket kan spille en afgørende rolle for materialevalg,

hvis det er ønskværdigt at reducere strukturens vægt. (Mohanty, 2005)

23

Dog varierer fiberens egenskaber betydeligt afhængigt af, hvorfra på planten den kommer fra,

plantens kvalitet og egnsdel. Forskellige fibre har desuden forskellige længder og tværsnitsarealer

samt forskellige defekter såsom mikrokompressioner, huller eller revner; alt sammen defekter, der

ikke optræder i f.eks. glasfibre. (Mohanty, 2005)

Da de fleste naturfibre er hydrofile og polymerer er hydrofobe, vil de derfor virke frastødende på

hinanden og ikke binde optimalt. Det kan derfor være nødvendigt at gøre fiberens overflade mere

modtagelig, hvilket kan gøres både mekanisk og kemisk ved imprægnering af fiberen. Bindingsbåndet

mellem fiber og matrice viser sig at være højere for f.eks. fibre behandlet med silikone end

ubehandlede fibre. (Mohanty, 2005)

PLA- og naturfiberkompositter giver altså en god mulighed for at øge mekaniske egenskaber i et

materiale udelukkende skabt af naturlige produkter. Ofte bliver denne slags biokompositter brugt til

to formål. I medicinske sammenhænge, hvor de er forstærket med fillers, f.eks. hydroxyapatite,

magnesiumoxid samt uorganiske fillers, eller i strukturel plastik, der bruges til andre formål.

(Mohanty, 2005)

De mekaniske egenskaber af fiberforstærkede kompositter er påvirket af graden af filler, længde- og

diameterratio, fibrenes morfologi, fibervariationerne samt graden af cellulosepolymerisation inde i

fiberen. Op til en øvre grænse vil fiberindholdet forstærke kompositten, men ved over 40%

fiberindhold forbedres styrken ikke længere, hvilket kan skyldes dårlig sammenklæbning mellem

fiber og matrice. Det observeres dog, at E-modulet for kompositten fortsat vil stige med øget

fiberindhold. En klar fordel ved fiber/PLA kompositter i forhold til uforstærket PLA er, at

temperaturvinduet for de praktiske anvendelser er betydelig forstørret. I en undersøgelse blev

spændingsstyrke ved 50oC målt til 31.4 + 4.5 MPa, hvilket er ca. 60% af den spændingsstyrke, der

forekom ved 23oC (50.1 + 4.5MPa). En så høj procentdel vil ikke ses ved uforstærket PLA. (Mohanty,

2005; Rui-Hua, 2007)

Effekten som miljøet har på fiberens mekaniske egenskaber afhænger af materialevalg, behandlingen

af fibrene og modifikationer under blandingen. De mest skadelige belastninger for biokompositter

har vist sig at være gentagende eksponering af temperaturændringer ved høj luftfugtighed.

(Mohanty, 2005)

24

9 Materiale og metoder

9.1 Materialer

Til forsøgene er brugt henholdsvis tre PLA-typer henholdsvis PLA 2002D med en tykkelse på 0,45 mm,

PLA 4032D med en tykkelse på 0,37mm og PLA CA24-001 med en beregnet tykkelse på 0,44mm.

Specielt for PLA CA24 gælder det, at den er fillerforstærket og som udgangspunkt indeholder 50%

naturfibre. Den er dog blevet fortyndet for at kunne fremstilles som folie, således at

naturfiberindholdet ligger på 25%. Det er ikke opgivet fra producentens side hvilken filler, der er tale

om. Den medsendte PLA til opblanding af granulatet er PLA 4032D, og det antages derfor, at den

forstærkede PLA brugt til det oprindelige granulat også er af typen PLA 4032D.

Idet der bruges fire stykker PLA til hver kompositplade, vil jute/PLA 4032D-pladerne blive en anelse

tyndere. Det regnes for at være uden signifikant betydning for de mekaniske egenskaber, og der

tages da ikke højde for denne forskel ved fremstillingen af kompositpladerne.

Den brugte jute er af typen 100-16 og har en densitet på 1,5g/cm3. Volumenfraktion af jute i

skudretning er 70% og kæderetning 30% (se appendiks 21.3).

9.2 Fremstilling af PLA- og kompositplader

Jutestykker klippes ud i passende dimensioner, så der tages højde for skud- og kæderetning.

Emnerne er skåret ud således, at der altid testes i skudretning, hvilket er komposittens stærkeste

retning. Forberedelsen består i at tørre jutestykkerne natten over i et vakuumskab, således at vandet

i fiberen fordamper. Idet jutefiberen absorberer vand og fedtstoffer fra hænder, omhandles den med

brug af gummihandsker efter tørring. Både PLA 4032D-pladerne og jute/PLA-pladerne er fremstillet

ved kompressionsformning. Teknikken har fordelene, at der kan laves forholdsvis store plader, og

fiberen kan orienteres efter ønske i modsætning til, hvis der bruges skumstøbning. Idet plasten er

fremstillet som folie, er det nemt blot at udskære den til de passende dimensioner. Tilmed er denne

produktionsmetode sikker at arbejde med, idet opvarmning foregår inde i maskinen.

25

Figur 10 viser teknikken for fremstilling af kompositplader ved kompressionsformning.

Rammen for kompositpladen er 30x25 cm. En kompositplade består af 4 stykker PLA og 3 stykker

jute, hvor jutefibrene og PLA-folien skiftevis lægges lag på lag, som set på Figur 10.

For PLA 4032D-pladen bruges en mindre ramme med dimensionerne 14x21x0,2cm. Idet PLA’s

densitet er 1,24g/cm3 bruges omkring 74g PLA for at få en 2 mm tyk plade. Vælges en større plade er

der større risiko for, at der kommer luftlommer i pladen. For at mindske ujævnheder på pladens

overflade, bruges ekstra groft bagepapir, som lægges på hver side af rammen.

Kompressionsformning foregår ved 190oC og under vakuum. Den benyttede temperatur afhænger af

polymerens smeltepunkt. Under de høje temperaturer vil polymeren blive flydende. Selve

opvarmningen tager 5 min, hvorefter lagene presses sammen under vakuum til den færdige

kompositplade. Vakuum kan medføre reduceret porøsitet og reduceret hydrolytisk eller termo-

oxidativ nedbrydning af matrice og fiber. (Plackett, 2004)

9.3 Udskæring af plader

Pladen skæres ud efter ISO 527-1 til emner med geometrien 2x180x25 mm som set på Figur 11.

Udskæring af hvert enkelt kompositemne til kødben foretages to gange for at gøre udskæringsfladen

mere jævn. Der påføres vand under udskæringen for at mindske friktionen. PLA-emnerne skæres kun

én gang. Der bruges stadig vand, således at emnerne ikke smelter i kanten. Alle emner slibes til i

kanten med skalpel og sandpapir. Det er vigtigt at slibe lige på således, at kanterne ikke rundes. Hvert

emne nummereres efter plade og delnummer, således at emnet senere kan identificeres, se Figur 11.

26

Figur 11 viser dimensionerne for hvert emne.

9.4 Eksperimentel udførelse

Der benyttes en Instron 1115 maskine, hvori emnet spændes fast i klemmer, og der påsættes

extensometer. Ved maskinen er påsat en ovn for at opvarme emnerne, som set på Figur 12. På selve

emnet er påsat et termometer, og trækprøven sættes først i gang, når selve emnet har den rette

temperatur. Der benyttes en lastcellen på 10kN (Load celle UK 562), og hastigheden sættes til

1mm/min.

Ved temperaturer over 45oC benyttes videoextensometer til de

uforstærkede PLA-emner, idet de bliver så bløde, at det ikke er

muligt at påsætte et almindelige extensometer uden at ødelægge

dem. Hvis almindeligt extensometer benyttes, foretages en

kalibrering af dette for at have et referencepunkt. Vejecellens last

sættes til omkring 0-50N. Under opvarmning af emnet falder

lasten, idet emnet udvides, særligt gældende for PLA, og der må

derfor korrigeres undervejs. Emner, der testes ved brug af

videoextensometer, påføres to sorte tynde stykker tape, vinklet 3-

4 grader og med afstanden 10mm, som det ses på Figur 13.

Træktest af PLA over 45oC giver en lav last, og

derfor er det svært at udregne det egentlige E-

modul. Derfor skiftes vejecellen, så den påtrykte

last er 500N. Når videoextensometret benyttes,

opstår der en del støj på signalet. Det kan derfor

være problematisk at sammenligne disse kurver

med kurverne foretaget med almindeligt

extensometer.

Figur 12 viser eksperimental opstilling af trækprøve i ovn under opvarmning.

Figur 13 viser videoextensometrets reference-punkter på selve emnet under trækning. Under trækning vil de sorte strege flytter sig, og computeren registrerer da denne forskel.

27

9.5 Databehandling

Det målte datasæt opsamles i computeren via DASYlab9 og gemmes som en ASC-fil efter

emnenummer CDxx-xx. Opmålte arealer gemmes som tekstfil (.txt). Arealfilen består af to vektorer,

emnenummer og arealstørrelse angivet i mm. Både areal.txt og CDxx-xx.ASC implementeres i Matrix

Laboratory (MatLab). Der er lavet funktioner til hver materialetype og temperaturer. Funktionerne er

navngivet baseret på PLA type og forsøgstemperatur. Bl.a. angiver pla4032d25 PLA 4032D trukket

ved 25oC, samme princip er gældende for samtlige emner således at de er navngivet som følgende:

jute4032dxx; jute2002dxx; samt juteca24xx, hvor xx erstattes med forsøgstemperaturen.

I disse funktioner loades initialisering scripts’ne, der udtager last og forlængelse fra trækkurve og

plotter spænding-støjningskurven. Kurven afbilledes indtil lasten er faldet med 5% af den maksimale

spændingsstyrke.

Ud fra spændings-tøjningskurven udregner scriptet E-modulet. Det samme tøjningsinterval er brugt

for alle temperaturer og emner, således at E-modulerne kan sammenlignes på tværs af materialetype

og temperaturer. For samtlige spænding-tøjningskurver findes og gemmes standardafvigelse,

middelværdi af den maksimale spændingsstyrke og middelværdier af E-modulet. For hvert

materialetype plottes de gemte værdier i to forskellige plots, ét for den maksimale spændingsstyrke

som funktion af temperatur og ét for E-modulet som funktion af temperatur (se appendiks 21.5 og

vedhæftet cd-rom).

28

10 Måleresultater

10.1 Trækprøve for jute/PLA 4032D:

Træk ved 25oC:

Figur 14 viser spændings-tøjningskurven ved 25oC for jute/PLA 4032D.

Spændings-tøjningskurven viser, at kompositten har et lineært elastisk område med et gennemsnitlig

E-modul på 6795MPa og en standardafvigelse på 250MPa. Alle testemnerne viser samme tendens i

deres kurveforløb. Kompositten har i gennemsnit en maksimal spændingsstyrke på 88MPa med en

standardafvigelse på 4MPa. Emnerne knækker i max punktet.

Det gælder for alle maksimale spændingsstyrker opgivet i rapporten, at der er tale om en

gennemsnitlig værdi.

Træk ved 30oC:


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]

Jute/PLA 4032D ved 25 grader

CDB3-01CDB3-03CDB3-04CDB3-05CDB3-06CDB3-07CDB3-08

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDC1-05CDC1-06CDC1-07

29

Til denne trækprøve er videoextensometret brugt, hvilket resulterer i et mere støjet signal i forhold

til de andre kurver. Kurveforløbet viser et lineært forløb og dernæst et ulineært forløb af den

elastiske region, som set ved 25oC. Forløbet af kurvene afviger kun lidt fra hinanden med et

gennemsnitlig E-modul målt til 7686MPa med en standardafvigelse på 809MPa. Den store afgivelse

kan skyldes det støjede signal. Den maksimale spændingsstyrke måles til 82MPa med en

standardafvigelse på 3MPa. Det ses igen, at trækprøven fører til endeligt brud.

Træk ved 40oC:


Kurvens forløb ved 40oC viser igen et lineært elastisk område, hvor det gennemsnitlige E-modul

måles til 5603MPa med en standardafvigelse på198MPa. Det ses, at forløbet af kurven opfører sig på

samme måde som ved 25 og 30oC, men for denne trækprøve er spændingsstyrken kun 75MPa med

en standardafvigelse på 2MPa. Bruddet på kompositten sker lidt efter den maksimale

spændingsstyrke, hvor kompositten er forlænget yderligere.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDB2-06CDB2-07CDB2-08CDB4-01CDB4-02

30

Træk ved 50oC:


Kurveforløbet afviger fra de foregående trækprøver foretaget ved lavere temperaturer, og der ses et

meget kort lineært elastisk område med et gennemsnitlig E-modul på 4165MPa og en

standardafvigelse på 364MPa. Efter overgangen til det ulineære område, stiger spændingsstyrken i

takt med forlængelse; dog med lavere hældning end i foregående område. Den maksimale

spændingsstyrke aflæses til 58MPa og med en standardafvigelse på 4MPa. For denne temperatur

knækker emnerne først efter den maksimale spændingsstyrke er nået.

Træk ved 55oC:


Kurveforløbet viser en tydelig overgang mellem det lineære elastiske og ulineære område. Det

lineære elastiske område er tydeligt mindre end for de foregående lavere temperaturer, og der

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



31

måles et gennemsnitlig E-modul på 3158MPa med en standardafvigelse på 406MPa. Efter den

maksimale spændingsstyrke på 50MPa og standardafvigelse på 2MPa, falder kurven yderligere, men

prøven knækker ikke.

Træk ved 60oC:


Kurvens lineære elastiske område er meget kort med et E-modul på 1492MPa og en

standardafvigelse på 252MPa. Kurven viser en hurtig overgang til det ulineære område, som er

tydeligt længere end ved de foregående temperaturer. Den maksimale spændingsstyrke er faldet til

37MPa med en standardafvigelse på 6MPa. Der er foretaget to trækprøveserier ved 60oC, foretaget

på to forskellige dage, og alligevel ses der uens kurveforløb for emnerne. Det er blevet noteret, at for

emne CDB4-06 varierede emnets temperatur mellem 57 og 62oC, hvilket kan ses på kurvens forløb.

Det ses da, at jo højere temperaturer kompositten udsættes for under træk, jo mindre forudsigelig er

kurvernes forløb.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDB4-05CDB4-06CDB4-07CDC1-01CDB1-04CDB1-05CDB1-07

32

Træk ved 80oC:


Kurvens forløb har visse ligheder med kurverne for de 60oC, dog forlænges emnerne yderligere. Igen

ses det, at kurvens lineære elastiske område er meget kort med et gennemsnitlig E-modul på

2214MPa og en standardafvigelse på 77MPa. Den maksimale spændingsstyrke måles til 39MPa med

en standardafvigelse på 1MPa.

Generelt gælder det for alle emner, at forlængelsen stiger i takt med, at temperaturen øges. Dog

ophører det lineære elastiske område inden for ca. 0,25% forlængelse uafhængig af temperaturen.

10.2 Trækprøve for PLA 4032D

Træk ved 25oC:

Figur 21 viser spændings-tøjningskurven ved 25oC for PLA 4032D.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.050

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]

PLA 4032D ved 25 grader

CDA6-01CDA6-02CDA6-03CDA6-04CDA6-05

33

Kurven har et langt lineært elastisk område. Emnerne knækker ved den maksimale spændingsstyrke,

der måles til 54MPa med en standardafvigelse på 2MPa. Dette sker ved en forlængelse på 2%. Det

gennemsnitlige E-modul er 3517MPa med en standardafvigelse på 62MPa.

Idet der er blevet brugt videoextensometer for samtlige temperaturer, udviser kurverne mere støj på

signalet, og der ses svingninger i tøjningsretningen. Alle kurver udviser samme tendens og lige meget

støj på signalet. Det vil da ikke være nødvendigt at tage højde for støjen for emner imellem.

Træk ved 30oC:

Figur 22 viser kurveforløb for spændings-tøjningskurven ved 30oC for PLA 4032D.

Kurven viser en knap så tydelig overgang mellem det lineære elastiske og ulineære område i forhold

til kompositten med samme type PLA. Det gennemsnitlige E-modul måles til 3931MPa med en

standardafvigelse på 399MPa. Emnerne knækker omkring den maksimale spændingsstyrke, der

måles til 53MPa med en standardafvigelse på 2MPa.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



34

Træk ved 40oC:


De tre kurver er forholdsvis ens og har i forhold til trækprøven for de 25oC, et lineært elastisk

område, der er en smule kortere med et gennemsnitlig E-modul på 3123MPa og en standardafvigelse

på 242MPa. Emnerne knækker ikke ved den maksimale spændingsstyrke, men først lidt efter. Den

maksimale spændingsstyrke ligger på 43MPa med en standardafvigelse på 1MPa.

Træk ved 45oC:


Det elastiske lineære område er stadig forholdsvist langt, men det gennemsnitlige E-modul er faldet

til 2636MPa med en standardafvigelse på 251MPa. Prøven knækker ikke, men bliver blot yderligere

deformeret. Det er ikke relevant for dette forsøg med denne opstilling at udføre total forlængelse og

ultimativ brudstyrke. Derfor er den givne maksimale spændingsstyrke på 32MPa en værdi for det

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDB8-01CDB8-02CDB8-03

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDA5-01CDA5-02CDA5-04

35

øvre flydespændingspunkt med en standardafvigelse på 2MPa. Fremover vil dette punkt omtales

som punktet for den maksimale spændingsstyrke.

Træk ved 50oC:


Det ses, at der sker et drastisk fald i den maksimale spændingsstyrke, som måles til 10MPa med en

standardafvigelse på 0,5MPa, og ligeledes er det gennemsnitlige E-modul faldet til 1018MPa med en

standardafvigelse på 130MPa. Kurven overgår fra det lineære elastiske til det ulineære område

hurtigere i forhold til tidligere. Emnerne knækker ikke.

Træk ved 55oC:

Figur 26 viser spænding-tøjningskurve for PLA 4032D ved 55oC.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



36

Kurven har et elastisk lineært område, som er meget kort med et gennemsnitlig E-modul på 143MPa

og en stor standardafvigelse på 101MPa. Den maksimale spændingsstyrke måles til 2,5MPa med en

standardafvigelse på 0,4MPa. Der er testen op til 70% forlængelse, men der er ingen indikation for,

at emnerne vil knække foreløbigt, og de resterende emnerne bliver kun testet til 5% forlængelse.

Kurverne er ikke helt ens i deres forløb, hvilket også afbilledes af den store standardafgivelse. Kurven

i det plastiske område svinger omkring en værdi og stiger langsomt, hvilket kan antyde krybning.

Figur 27 viser spændings-tøjningskurven for PLA 4032D ved 55oC, hvor y-aksen kun viser til 10MPa.

For emne nummer CDB7-04 blev hastigheden sat op til det 5 dobbelte efter 20% forlængelse, og det

har indflydelse på kurvens fremtræden (Figur 27).

Træk ved 60oC:

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]



Figur 28 viser spænding-tøjningskurven ved 60oC for PLA 4032D. Figuren til højre er en forstørrelse af kurven.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.070

10

20

30

40

50

60

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDB6-03CDB6-04CDC3-01

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.120

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDB6-03CDB6-04CDC3-01

37

Kurven viser igen et meget kort lineært elastisk område med et E-modul på 3,5MPa med en

standardafvigelse på 0,5MPa, hvilket er meget lavt i forhold til de første trækprøver ved 25oC. Den

maksimale spændingsstyrke varierer lidt, men ligger i gennemsnit på 0,6MPa med en

standardafvigelse på 0,1MPa.

10.3 Trækprøve for jute/PLA 2002D

Træk ved 25oC:


Kurven er meget stejl med et langt lineært elastisk område, og det gennemsnitlige E-modul måles til 6691MPa med en standardafvigelse på 194MPa. Kurven stiger stadig forholdsvist stejlt i det ulineære område til den maksimale spændingsstyrke på 74MPa med en standardafvigelse på 3MPa, hvorefter emnerne knækker.

Træk ved 50oC:


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDD1-01CDD1-02CDD1-03CDD1-04CDD1-05

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDD1-06CDD1-07CDD1-08CDD2-01

38

Kurven har et kortere elastisk lineært område med et gennemsnitlig E-modul på 5020MPa og en

standardafvigelse på 216MPa, hvilket minder om E-modulet ved 25oC. Den maksimale

spændingsstyrke antager værdien 56MPa med en standardafvigelse på 3MPa. Emnerne knækker.

Træk ved 60oC:


Kurven viser et meget kort lineært elastisk område og overgår ret hurtigt til det ulineære område.

Det gennemsnitlige E-modul måles til 1317MPa med en standardafvigelse på 207MPa. Kurven er

blødere end førhen set, inden den når den maksimale spændingsstyrke på 37MPa med en

standardafvigelse på 0,5MPa. Trækprøven fører ikke til brud.

Træk ved 80oC:


0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDD3-01CDD3-02CDD3-03

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDD2-06CDD2-07CDD2-08

39

Kurvens elastiske lineære område er igen meget kort, og det gennemsnitlige E-modul måles til

2115MPa med en standardafvigelse på 71 MPa. Den maksimale spændingsstyrke ligger på 32MPa

med en standardafvigelse på 0,5MPa.

Generelt kan det siges, at kurverne for jute/PLA 2002D ligner dem for jute/PLA 4032D for de

tilsvarende temperaturer, blot er værdierne lidt lavere. Dertil kan det siges, at forlængelsen målt ved

maksimal spændingsstyrke øges lidt med øget temperatur, men at det lineære elastiske område for

alle temperaturer ligger indenfor ca. 0,25% forlængelse.

10.4 Trækprøve for PLA CA24-001

Træk ved 25oC:

Figur 33 viser spændings-tøjningskurve ved 25oC for PLA CA24

Kurven viser en tydelig overgang mellem det lineære elastiske og ulineære område. Det

gennemsnitlige E-modul ligger på 7039MPa med en standardafvigelse på 592MPa. Emnerne knækker

ca. ved en forlængelse på 1,6%. Alle emner følger næsten samme kurveforløb, dog med lidt variation

i maksimal spændingsstyrke, som måles til 70MPa med en standardafvigelse på 2MPa.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]

Jute/PLA CA24 ved 25 grader

CDE1-01CDE1-02CDE1-03CDE2-01CDF1-01CDF1-02

40

Træk ved 50 oC:


Den lineære elastiske del af alle emnerne følger hinanden, men der ses større variationer i det

ulineære og plastiske område samt ved bruddet, hvor den maksimale spændingsstyrke varierer

meget. Den gennemsnitlige maksimale spændingsstyrke er målt til 51MPa med en standardafvigelse

på 4MPa. Det gennemsnitlige E-modul måles til 4007MPa med en standardafvigelse på 602MPa.

Træk ved 60oC:


Der ses tydeligt to forskellige karakteristiske forløb, hvor både E-modul og spændingsstyrke for de to

gruppe varierer.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDE2-02CDE2-03CDE2-04CDE3-01CDF1-03CDF2-01CDF2-02

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDE3-02CDE3-03CDE3-04CDE4-01CDE5-02CDE5-03CDE5-04

41

Den øverste gruppe udviser samme kurveforløb som emnerne trukket ved lavere temperaturer. Der

ses et tydeligt lineært elastisk område, ensartethed af emners kurveforløb samt brud af alle

emnerne. Den maksimale spændingsstyrke ligger på 52MPa med en standardafvigelse på 2MPa, og

det gennemsnitlige E-modul måles til 3793 MPa med en standardafvigelse på 149MPa.

Den nedre gruppe viser et blødt og kurvet forløb, hvor der er større variation emnerne imellem. Den

maksimale spændingsstyrke ligger på 34MPa med en standardafvigelse på 3MPa. Det gennemsnitlige

E-modul måles til 1434MPa med en standardafvigelse på 46MPa.

Der er foretaget to testserier, da resultater fra 80oC indikerede, at der var behov for flere

måleresultater ved de 60oC. I første testserie blev følgende emner testet CDE3-02,-03 og-04 og for

anden testserie blev emnerne CDE4-01,CDE5-02,-03,-04 testet.

Træk ved 80oC:


Emnernes kurveforløb ligner hinanden, og deres spændingsstyrke varierer ikke meget. Den

maksimale spændingsstyrke ligger på 39MPa med en standardafvigelse på 1MPa, og det

gennemsnitlige E-modul ligger på 2375MPa med en standardafvigelse på 94MPa. Kurven udviser

samme forløb som for kurverne ved de lavere temperaturer, idet der er forholdsvis tydelig overgang

mellem det lineære elastiske og ulineære område i modsætning til den nedre kurve ved 60oC. Alle

emner kommer til brud.

Samtlige gennemsnitlige E-moduler og maksimale spændingsstyrker er noteret i Tabel 1 og Tabel 2.

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.040

10

20

30

40

50

60

70

80

Tøjning [m/m]

Spæ

ndin

g [M

Pa]


CDE4-02CDE4-03CDE5-01

42

E-modul (MPa)

Temp. (oC) 25oC 30 oC 40 oC 45 oC 50 oC 55 oC 60 oC 80 oC

Jute/PLA 4032D 6795 7686 5603 x 4165 3158 1492 2214

PLA 4032D 3517 3931 3123 2636 1018 143 3,5 x

Jute/PLA 2002D 6691 x x x 5020 x 1317 2115

Jute/PLACA24 7039 x x x 4007 x 1434/3793 2375

Tabel 1 E-modul for jute/PLA 4032D, PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 ved forskellige temperaturer. Ved 60oC er der nedskrevet et E-modul for både den nedre og øvre gruppe.

Spændingsstyrke(MPa)

Temp. (oC) 25 oC 30 oC 40 oC 45 oC 50 oC 55 oC 60 oC 80 oC

Jute/PLA 4032D 88 82 75 x 58 50 37 39

PLA 4032D 54 53 43 32 10 2,5 0,6 x

Jute/PLA 2002D 74 x x x 56 x 37 32

Jute/PLA CA24 70 x x x 51 x 34/52 39

Tabel 2 Spændingsstyrke for jute/PLA 4032D, PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 ved forskellige temperaturer. Ved 60oC er der nedskrevet et E-modul for både den øvre og nedre gruppe.

10.5 Blandingslov

På baggrund af de eksperimentelt fundne værdier for kompositten og matricens spændingsstyrke,

stivhed og tøjning, benyttes blandingsloven til at udregne jutens forventede E-modul og styrke.

Idet fiberen er orienteret både på langs og tværs af trækretningen, tages der højde for dette, samt

volumenfraktionen af fiber-matriceforholdet under antagelse af 0% porøsitet.

Den undersøgte komposit er jute/PLA 4032D. Ved at benytte Tabel 3 udregnes en gennemsnitlig

volumenprocent af juten, Vf , i den endelige jute/PLA 4032D-plade ud fra (9).

43

Emne nr. Jute (g) PLA (g) Samlet (g) Jute Vægt (%) Jute Vol. (%)

CDB1 70,6 141,1 211,7 33,35 26,1

CDB2 80 142,8 222,8 35,91 27,9

CDB3 82 140,3 222,3 36,89 28,7

CDB4 82,7 141,5 224,2 36,89 28,7

CDC1 83,5 141,3 224,8 37,14 28,8

CDC2 78 142,8 220,8 35,33 27,5

CDE1 35,6 72,4 108 32,96 25,8

CDE2 35,1 71,8 106,9 32,83 25,7

CDE3 35,1 72,9 108 32,50 25,4

CDE4 35,7 72,9 108,6 32,87 25,7

CDE5 35,2 73,9 109,1 32,26 25,3

Tabel 3 viser antal gram for jute og PLA, den samlede vægt og jute-volumenfraktionen for hver af kompositpladerne.

Jute/PLA 4032D-pladerne har følgende numre: CDB1, CDB2, CDB3, CDB4, CDC1 OG CDC2.

Ved udregning fås en gennemsnitlig Vf på 28% for Jute/PLA 4032D. Fiberindholdet i skud- og

kæderetning er henholdsvis 70% og 30% (se appendiks 21.3). Dvs. det samlede E-modul for

kompositten, hvor der tages højde for både skud- og kæderetning, kan ved at benytte (7) og (8)

omskrives til (10), (11) og (12).

0,3(1 )

m fckæde

f f m f

E EE

V E E V

(10)

0, 7 (1 ) 0.7cskud m f f fE E V E V (11)

0,30,7 (1 ) 0,7

(1 )m f

ctotal ckæde cskud m f f ff f m f

E EE E E E V E V

V E E V

(12)

Eksperimentelt fundne værdier for både Ec , Em og Vf ved forskellige temperaturer indsættes i (12).

Det er dermed muligt at beregne Ef. F.eks. for 25oC fås:

1,066,79 1,7 0, 22 17,13

0,7 1,1f

f ff

GPa EGPa GPa E E GPa

E GPa

44

Samtlige beregnede E-moduler for juten kan ses i Tabel 4. Figur 37 viser de beregnede E-moduler

plottet sammen med PLA 4032D og jute/PLA 4032D.

Antages det, at fibrene i kæderetningen ikke bidrager til jutens E-modul, kan dette alternativt

beregnes ved at indføre en fiberorienteringsfaktor (o) i blandingsloven , se . Denne faktor, o, er lig

med andelen af fibre i skudretningen, og der tages derfor ikke hensyn til kæderetningen.

c o f f m mE V E V E (13)

Værdierne og forløbet der opstår ved denne simplificerende antagelse kan også ses i Tabel 4 og på

Figur 37.

Temp (oC) 25 30 40 50 55 60 80

Ef (GPa) – under hensyn til både skud og –kæderetning 17.13 23.48 13.29 15.04 14.04 6.90 10.27

Ef (GPa) – under hensyn kun til skudretning 20.22 26.24 15.96 16.05 14.19 6.91 10.26

Tabel 4 viser de beregnede E-moduler for juten.

Figur 37 viser E-modulet som funktion af temperatur for PLA 4032D, jute/PLA 4032D og beregnet jute. Den grønne kurve viser forløbet for juten, hvor der tages for højde for både skud og kæderetning. Den gule kurve viser forløbet, hvor der kun tages hensyn til skudretningen.

Som forventet ligger jutens E-modul væsentlig højere end de to andres. Dets forløb ved begge

antagelse er dog noget ujævnt, især ved 30oC. Det er dog værd at notere, at der for både PLA 4032D

og jute/PLA 4032D er forholdsvis store standardafvigelser på de målte E-moduler. Som det ses på

20 30 40 50 60 70 800

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 104 E-modul som funktion af temp.

Temperatur (C)

E-m

odul

(MP

a)

PLA 4032DJute/PLA 4032DJute 100-16(skud og kæde)Jute 100-16 (skud)

45

Figur 37 afviger kurven for den simplificerede antagelse kun lidt fra det forløb, hvor der både tages

hensyn til skud- og kæderetning.

Antages det derimod, at jutens egenskaber ikke ændrer sig i det undersøgte temperaturinterval,

benyttes det fundne E-modul ved 25oC til samtlige beregninger for at finde det forventede

kompositforløb under en temperaturstigning.

Der er udregnet værdier for det forventede jute/PLA 4032D E-modul med hensyn til både skud og

kæderetning samt den simplificerede antagelse, hvor der kun tages højde for skudretning. Alle

værdier kan findes i Tabel 5. Til sammenligning af med de eksperimentelt fundne E-moduler for PLA

4032D og jute/PLA 4032D se Figur 38.

Temp (oC) 25 30 40 45 50 55 60 80

Ec (GPa) under hensyn til både skud og –kæderetning 6.79 6.29 6.46 6.04 4.62 3.82 3.70 3.69

Ec (GPa) – under hensyn kun til skudretning 6.79 6.34 6.52 6.19 5.07 4.46 4.36 4.36

Tabel 5 viser de forventede E-moduler for jute/PLA 4032D.

Figur 38 viser E-modul som funktion af temperatur for PLA 4032D, jute/PLA 4032D og beregnet jute/PLA 4032D. Den grønne kurve viser forløbet for den beregnede komposit, hvor der tages for højde for både skud og kæderetning. Den gule kurve viser forløbet, hvor der kun tages hensyn til skudretningen.

Igen observeres det at de to beregnede forløb følges pænt ad, men der er lidt forskel til sidst i

forløbet. Indtil omkring 50-55oC følger det beregnede E-modul tilnærmelsesvis det eksperimentelt

fundne i form og værdi. Efter 55oC ligger det beregnede E-modul væsentligt højere, men følger dog

stadig samme form som det eksperimentelt målte.

20 30 40 50 60 70 800

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000E-modul som funktion af temp.

Temperatur (C)

E-m

odul

(MPa

)

PLA 4032DJute/PLA 4032DBeregnet Jute/PLA 4032D(skud og kæde)Beregnet Jute/PLA 4032D(skud)

46

Det er desuden muligt at udregne jutefiberens styrke ved at benytte de eksperimentelt fundne

værdier for jute/PLA 4032D og PLA 4032D’s brudstyrke. Der er kun taget højde for skudretningen. Ud

fra (2) fås at

c m m fc m m ff f

f

VV V

V

De fundne værdier indsættes nu, og den forventede f for jute kan ses i Tabel 6. På Figur 39 ses en

sammenligning af spændingsstyrken ved forskellige temperaturer.

Temp (oC) 25 30 40 50 55 60 80

f (MPa) 165 149 146 168 158 119 126

Tabel 6 viser de beregne spændingsstyrke værdier for jute.

Figur 39 viser spændingsstyrke som funktion af temp., for PLA 4032D, jute/PLA 4032D og beregnet jute.

Det ses altså, at jutens spændingsstyrke er tilnærmelsesvis konstant. Der er nogle udsving omkring

40-45oC, og styrken er let faldende ved temperaturstigning.

11 Diskussion

11.1 PLA 4032D

PLA 4032D sig som en sprød polymer ved de lave temperaturer (25-30oC), hvilket var også forventet

baseret på teorien (se afsnit 8.1). Det gennemsnitlige E-modul ved 25 oC passer med værdien opgivet

fra Natureworks (appendiks 21.2). De har opgivet et E-modul på 3440MPa, hvor de eksperimentelt

fundne værdier ligger lidt højere intervallet 3500-3900MPa. Den fundne værdi for den maksimale

20 30 40 50 60 70 800

20

40

60

80

100

120

140

160

180Maximale spændingsstyrke som funktion af temp.

Temperatur (C)

Spæ

ndng

ssty

rke

(MPa

)

PLA 4032DJute/PLA 4032DJute (beregnet)

47

spændingsstyrke passer derimod ikke med, hvad fabrikanten opgiver. Natureworks har opgivet

styrken som 104MPa (appendiks 21.2), hvor vores data kun angiver en styrke på omkring 55MPa.

Eftersom anden litteratur generelt tildeler PLA en maksimal spændingsstyrke i intervallet 13-71MPa

(Ides, the Plastics Web; Mohanty, 2005), undrer vi os over Natureworks’ opgivelser. Natureworks har

testet deres polymer ved brug af den amerikanske standard test ved navn, ASTM D882 - 09 Standard

Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting, hvilket burde være sammenlignelig med

standard testen, ISO 527-1, som vi har benyttet os af. Forklaringen kan være, at Natureworks har

testet en strakt biaksial orienteret film med tykkelsen 1,00mm og derigennem har opnået en

maksimal spændingsstyrke på henholdsvis 104MPa og 144MPa afhængig af testretning. For at afgøre

om vi evt. ødelægger nogle af matricens egenskaber under fremstillingen af emnerne, har vi forsøgt

at teste et enkelt stykke PLA 4032D film (tykkelse 0,37mm) i begge retninger og opnår styrker på

henholdsvis 41 og 42MPa.

Figur 40 viser PLA 4032D emner efter træk. Det øverste emne er trukket på tværs, hvorimod det nederste emne er trukket på langs.

Begge emner knækker i fæstningen (se Figur 40), hvilket kan resultere i den lavere styrke, men

umiddelbart er der intet, der indikerer, at vi vil kunne opnå en styrke, der svarer til de angivne

værdier fra Natureworks. I og med at den knækker i fæstningen opnås ikke helt den samme styrke

som ved træk af kødbensemnerne, hvor den maksimale spændingsstyrke blev målt til 55MPa. Det vil

selvfølgelig kræve yderligere testning for at kunne give en endelig konklusion om, hvorvidt

egenskaberne for den biaxiale film ødelægges ved fremstilling, men umiddelbart tyder det på, at vi vil

opnå den samme styrke, som ved de kompressionsformede emner.

Efterfølgende har vi kontaktet fabrikanten, Natureworks, og fået tilsendt en spændingsstyrkeværdi

for PLA 4032D fremstillet ved injection molding (IngeoTMPLA) på cirka 62MPa. Dette stemmer bedre

overens med vores fundne spændingsstyrkeværdier. Grunden til at vores værdier er lidt lavere kan

skyldes en anden produktionsmetode samt diverse fejlkilder (se afsnit 13).

48

I takt med at temperaturen stiger og når de 40-45oC, går PLA fra at være en sprød til en sej polymer.

Den maksimale spændingsstyrke falder, idet de sekundære hydrogenbindinger mellem

carbonkæderne brydes, og polymeren bliver mere blød (se afsnit 8.1). Derimod opretholdes E-

modulet tilnærmelsesvis konstant indtil omkring 45oC.

Ved 50-60oC begynder PLA at blive mere sej og har et meget lavt E-modul, og den maksimale

spændingsstyrke er under 0,5MPa. Polymeren forlænges samtidig meget. Resultaterne viser, at de

mekaniske egenskaber allerede ved 55oC er mindsket. Vi har derfor valgt ikke at teste for

temperaturer over de 60oC, som gjort ved kompositterne, idet PLA 4032D’s egenskaber nærmer sig

nul over 60oC, som det ses på Figur 41.

Figur 41 viser den maksimale spændingsstyrke som funktion af temperatur for PLA 4032D.

Det ses på Figur 41, at den maksimale spændingsstyrke falder, som en blød nedadgående kurve i takt

med temperaturstigning. Eftersom Tg, ifølge litteraturen, ligger mellem 55-62oC, forventes det at

styrken, og E-modulet først vil ændres betydeligt derefter. Efter Tg passeres, lader det til, at

materialet mere eller mindre har mistet størstedelen af sine styrkeegenskaber. Vi undrer os over, at

der ses en forholdsvis drastisk ændring i den maksimale spændingsstyrke allerede omkring de 50oC.

Der kræves da ikke længere nogen betydelig belastning for at emnet deformeres, dvs. PLA’en er

blevet gummiagtigt (viskøs).

Det har kun været nødvendigt at teste PLA til en vis tøjningsværdi, da den f.eks. skal bruges i

kompositter til møbelindustrien, hvor en plastisk deformation ikke er tilladt for at design og funktion

kan bibeholdes.

25 30 35 40 45 50 55 600

10

20

30

40

50

60Maxspænding for PLA 4032D som funktion af temp.

Temperatur(C)

Max

spæ

ndin

g(M

Pa)

49

11.2 Jute/PLA 4032D

I modsætning til PLA 4032D falder den maksimale spændingsstyrke for jute/PLA 4032D ikke nær så

drastisk under indflydelse af en temperaturstigning, som set på Figur 42. Derimod aftager E-modulet

med tilnærmelsesvis konstant hældning, hvilket kan observeres på Figur 43. Ud fra resultaterne lader

det til, at matricen ikke bidrager til styrken over de 50oC. Idet styrken for kompositten ved 60-80oC

ikke nærmer sig nul, som er tilfældet for PLA 4032D, antager vi derfor, at jutens styrke bibeholdes og

ikke er lige så temperaturafhængig. Dette stemmer overens med teorien, hvori det nævnes, at jute

først undergår ved temperaturer over 200oC (John, 2007; Mohanty, 2005). Komposittens evne til at

deformeres øges lidt med temperaturstigning, men næsten alle fibrene knækker ved samtlige prøver,

og kun matricen holder sammen på emnet ved de højere temperaturer. Der ses begyndelse på

indsnøring af emnet der, hvor fibrene er knækket (se appendiks 21.5).

Figur 42 viser sammenligning af den maksimale spændingsstyrke for henholdsvis PLA 4032D og jute/PLA 4032D som funktion af temperatur.

Figur 43 viser E-modulet for henholdsvis PLA 4032D og jute/PLA 4032D som funktion af temperatur

20 30 40 50 60 70 800

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Maximale spændingsstyrke som funktion af temp.

Temperatur (C)

Spæ

ndin

gsst

yrke

(MP

a)

PLA 4032DJute/PLA 4032D

20 30 40 50 60 70 800

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000


Temperatur (C)

E-m

odul

(MP

a)

PLA 4032DJute/PLA 4032D

50

Som beskrevet i teorien, har man tidligere undersøgt spændingsstyrken ved eleverede temperaturer

for en jute/PLA komposit. Det er dog ikke nævnt, hvilken PLA-type det drejer sig om. Undersøgelsen

viser at jute/PLA bibeholdte 60% af sin styrke ved ændring af temperaturen fra 23-50oC. (Mohanty,

2005). Til sammenligning har jute/PLA 4032D en højere udgangsstyrke ved 25oC, på 88MPa og falder

til 58MPa ved 50oC. Dvs. jute/PLA 4032 har bibeholdt ca. 66% af sin styrke. Der er dermed sket en

forbedring af udgangspunktet i forhold til tidligere, og temperaturbestandigheden er øget lidt.

Ifølge teorien om naturfibers mekaniske egenskaber er jutefiberen angivet som værende uafhængig

af temperatur indtil ca. 200oC. (John, 2007). Jutens egenskaber i form af stivhed og styrke burde

derfor ikke ændre sig specielt meget ved en temperaturstigning i det interval, vi undersøger i. Det

forventes altså, at E-modulet for fiberen ville være forholdsvis konstant og kun falde lidt. Vores

udregninger (se afsnit 10.5) viser dog, at den er mere uregelmæssig og falder i takt med, at

temperaturen øges. Figur 37 viser de beregnede E-moduler for juten. Der er foretaget to

beregninger, én hvor der er taget højde for både skud- og kæderetning, mens der for den anden kun

er taget højde for skudretningen. Forskellen mellem dem er minimal, og vi antager derfor, at det er

underordnet at tage højde for kæderetningen, hvormed den mere simple ligning (13) med fordel kan

benyttes. På Figur 37 afviger E-modulet ved 30oC fra de resterende beregnede værdier, hvilket kan

skyldes den store standardafvigelse, der blev beregnet. De beregnede E-modulværdier for juten

burde ligge indenfor intervallet 13-26GPa (appendiks 21.3), hvilket også passer for temperaturer op

til 60oC, men derover falder det til 6,7GPa.

Antager vi derimod, at jutens mekaniske egenskaber ikke ændrer sig under indflydelse af en

temperaturstigning, vil det forventede forløb for kompositten se ud som på Figur 38. Af samme figur

ses det, at det beregnede E-modul for kompositten falder i takt med det eksperimentelle E-modul

indtil ca. 55oC. Derfor antages det, at kendes matricens E-modul som funktion af temperatur, er det

tilstrækkelig at beregne E-modulet for kompositten ud fra blandingsloven. Når temperaturen

overstiger de 55oC afviger de beregnede værdier fra de fundne, og det er derfor nødvendigt at teste

kompositten yderligere. Benyttes kun blandingsloven uden at tage hensyn til jutens

temperaturafhængighed fås altså et for højt E-modul. Kendes E-modulet for juten ved en temperatur

over ca. 55oC, kan denne værdi benyttes op til ca. 200oC.

Som set på Figur 5 forventes det for lave temperaturer, henholdsvis 25-40oC, at matricen og fiberen

bidrager ligeligt til komposittens styrke og E-modul som følge af deres volumenfraktioner. Tilmed

vides det, at jutens mekaniske egenskaber ligger betydeligt højere end PLA’s (appendiks 21.3), hvilket

51

også ses ud fra det beregnede E-modul for fiberen. Vi ser på Figur 37 og Figur 38, at komposittens

egenskaber som forventet ligger mellem PLA og jute.

Som forventet er den beregnede styrke for juten som funktion af temperatur forholdsvis konstant,

hvilket også kan observeres på Figur 39. Det er derfor ligeledes muligt at beregne den forventede

styrke for kompositten som gjort for E-modulet ud fra blandingsloven.

Komposittens styrke og stivhed udviser de samme træk som PLA, og det kan derfor konkluderes at en

komposits mekaniske egenskaber (e.g. styrke og stivhed) begrænses mest af matricevalget. Grundet

at matricen udgør den største volumenandel af emnet og er mere temperaturfølsom.

11.3 Jute/PLA 2002D

I og med at PLA 2002D er en tykkere folie i forhold til PLA 4032D og den samme jute benyttes, vil

kompositemnerne for PLA 2002D have en mindre volumenfraktion af jute som det fremgår af Tabel

3. Det er dog ikke sikkert at den lille forskel i jute-volumenfraktion, vil have nogen betydning for

resultaterne. Undersøgelser viser, at ændres jute-volumenfraktionen fra 20-30% øges

spændingsstyrken med ca. 6MPa, og tilsvarende for en ændring fra 30- 40% øges styrken kun med ca.

4MPa. (Rui-Hua, 2007; Bax & Müssig, 2008). Dvs. der sker en stigning i styrken, men den er

forholdsvis begrænset. I dette projekt har vi tilsigtet at lave alle kompositplader ens med den samme

jute-volumenfraktion. Vores volumenfraktion ligger på omkring 26% for jute/PLA 2002D, 28% for

jute/PLA 4032D og 26% for jute/PLA CA24, og vi antager derfor, at forskellen i styrken grundet jute-

volumenfraktionen er minimal, og emnerne derfor er sammenlignelige.

Det forventes, at jute/PLA 2002D kurven udformer sig som jute/PLA 4032D (e.g. en blød

nedadgående kurve). Dog forventes det, at PLA 2002D har en lavere maksimal styrke og en lavere Tg,

idet PLA 4032D er indkøbt som værende mere temperaturbestandig. Grundet dette er der kun

foretaget trækprøver for jute/PLA 2002D ved udvalgte temperaturer for at finde overgangen, hvor

egenskaber ændres.

Ifølge appendiks 21 ligger PLA 2002D’s Tg på 58oC, og dermed forventes det, at

spændingsstyrkeværdierne er lidt lavere end for PLA 4032D, som har en Tg på 55-62 oC (appendiks

21.2), hvilket også observeres på Figur 44. For temperaturer i intervallet 25-55oC ligger jute/PLA

4032D højere, og den er dermed stærkere end jute/PLA 2002D. Dog virker det opsigtvækkende, at

der ikke er mere forskel på styrken især over Tg punktet.

52

Figur 44 viser sammenligning af den maksimale spændingsstyrke for henholdsvis jute/PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 som funktion af temperatur.

På Figur 45 ses det, at E-modulet for jute/PLA 2002D er lavere end jute/PLA 4032D’s inden Tg-

intervallet nås, men efterfølgende ligger det overraskende på niveau med jute/PLA 4032D’s. Vi havde

nok forventet, at E-modulet for jute/PLA 2002D lå en anelse under jute/PLA 4032D’s hele tiden. Vi

kan tilmed sige, at jute/PLA 2002D’s E-modul ikke falder så meget som jute/PLA 4032D’s gør i

temperaturintervallet over Tg. Idet PLA på nuværende tidspunktet er sigtet til emballagebrug under

50oC, er den nyeste model fra Natureworks, PLA 4032D, et forbedret alternativ. Hvis PLA 4032D

rettes til andet brug, f.eks. i møbelindustrien er den på nuværende tidspunkt ikke helt optimal.

Figur 45 viser E-modulet for henholdsvis jute/PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 som funktion af temperatur.

Vi kan da undre os over, hvorfor det i første omgang har været bedre for producenten, at udvikle en

PLA med en Tg så tæt på den foregående PLA’s (2002D). Ifølge resultaterne har PLA 4032D en bedre

20 30 40 50 60 70 8030

40

50

60

70

80

90

100Maximale spændingsstyrke som funktion af temp

Temperatur (C)

Spæ

ndng

ssty

rke

(MP

a)

Jute/PLA 4032DJute/PLA 2002DJute/PLA CA24(lav)Jute/PLA CA24 (høj)

20 30 40 50 60 70 801000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000


Temperatur (C)

E-m

odul

(MP

a)

Jute/PLA 4032DJute/PLA 2002DJute/PLA CA24(lav)Jute/PLA CA24 (høj)

53

styrke ved stuetemperatur og kan da tåle en større belastning. Omkring 50oC nærmer de to jute/PLA-

typers spændingsstyrke hinanden på omkring 55 MPa. Jute/PLA 4032D falder hurtigere i styrke ned

til de 50oC end jute/PLA 2002D gør. Derefter falder jute/PLA 4032D’s styrke mindre drastisk og ender

med en styrke lidt større end jute/PLA 2002D’s.

Den primære forskel ifølge litteraturen på PLA 2002D og PLA 4032D er Tm på henholdsvis 160 og

210oC. Dermed er der ikke umiddelbart noget at vinde ved brug af PLA 4032D, hvis formålet er

lastbærende PLA i temperaturen over 50oC. Ønskes der en gummiagtig PLA i intervallet [50 oC; 210oC[

kan den med fordel benyttes. PLA bruges til indpakning, hvor der ikke er stor belastning og som

oftest opbevares ved lave temperaturer, og PLA 4032D er derfor bedre end den foregående i

sådanne situationer.

11.4 Jute/PLA CA24

Idet PLA CA24 er forstærket med en filler, vil vi forvente, at kompositten vil have en højere styrke og

bedre temperaturbestandighed i forhold til de andre testede kompositter, hvilket resultaterne dog

ikke indikerer. Som set på Figur 44 opfører jute/PLA CA24 sig som de andre kompositter indtil 60oC.

Over denne temperatur opfører den sig mærkværdigt, idet den udviser to forskellige tendenser i

dens spænding-tøjningsforløb, som set på Figur 35. For de andre kompositter har der også været stor

variation ved 60oC, men det er dog specielt for jute/PLA CA24, at kurven deles i to markante grupper.

Den øvre gruppe minder ikke om de andre kompositter ved selv samme temperatur, men opfører sig

som set ved lavere temperaturer. For den gruppe virker det, som om matricen har beholdt noget af

sin styrke, og dermed stadig er sprød ved denne temperatur. Ses der kun på den øvre gruppe ved

60oC, kan det tolkes, som om PLA CA24 er mere temperaturbestandig og bibeholder nogle af sine

egenskaber i længere tid, sammenlignet med de andre PLA-typer. Det ses på Figur 35, at emnerne

kommer til brud, hvilket også indikerer en højere stivhed. Den øvre gruppe af PLA CA24 har et E-

modul, der er forøget 61% i forhold den uforstærket jute/PLA 4032D ved samme temperatur og en

styrke forøget med 29%.

Dog ses der på den nedre gruppe, at denne følger de andre kompositter ved 60oC. Resultaterne viser,

at emnerne ikke føres til endeligt brud, samt at styrke og stivhed er markant lavere end for den øvre

gruppe. Til sammenligning er den nedre gruppes E-modul formindsket med 4% i forhold til den

uforstærket jute/PLA 4032D.

Som beskrevet kan jute-volumenfraktionen have indflydelse på spændingsstyrken, hvilket kunne

være en forklaring på styrkeforskellen i den øvre og nedre gruppe. Dog er det samlede fiberindhold i

54

hver af pladerne godt og vel det samme (se Tabel 3), og det er da usandsynligt, at det er grunden til,

at pladerne opfører sig uens.

En anden forklaring på, hvorfor der sker en opdeling i de to grupper, kan være en defekt plade.

Emnerne fra den øvre gruppe kommer fra den samme plade (CDE5), mens de nedre kommer fra to

forskellige (CDE3 og CDE4). Vi har derfor kigget på tykkelsen af disse plader, for at se om der er en

sammenhæng mellem tykkelsen af emnerne i den øvre gruppe i forhold dem i den nedre gruppe.

Tykkelsen af emnerne fra den øvre gruppe er i gennemsnit 2,2mm og tykkelsen af de nedre er

2,4mm, og der kan da være tale om, at bindingsbåndet mellem fiber og matrice er blevet optimeret i

pladen for den øvre gruppe, idet den er smeltet bedre sammen under fremstillingen.

Med ovenstående forklaring i mente, undres vi over, at samtlige emner ved 80oC fører til brud.

Eftersom to af prøverne ved 80oC kommer fra samme plade (CDE4) som ét af emnerne brugt til den

nedre gruppe for de 60oC. Eftersom emnet fra CDE4 ikke knækkede ved 60oC havde vi ingen

forventning om, at emner fra denne plade ville knække ved 80oC. Vi undersøger da igen tykkelsen af

emnerne trukket ved 80oC. Den er i gennemsnit 2,27mm, hvor emnet fra de 60oC er 2,32mm tyk. Om

den lille forskel kan forklare hvorfor emnerne ved 80oC er sprødere end ved de 60oC og fører til brud,

vides ikke.

Understøttet af teorien forventes det, at PLA CA24 er mere temperaturbestandig og får øget sine

mekaniske egenskaber, idet filleren hæver Tg. Tg kendes ikke, idet det er en fortrolig oplysning. Om

egenskaberne er øget fremgår dog ikke af Figur 44 og Figur 45. Vi tror grunden til, at den har en

lavere styrke end forventet kan komme af, at filleren forhindrer matricen i at opnå et ordentligt

fibermatricebånd, idet der er større fiberudtræk for denne komposit set i forhold til de andre

kompositter, hvilket kan ses på Figur 46. Da fiberfilleren brugt i PLA CA24 er meget grov, virker den

muligvis blokerende for matricen, således at denne ikke kan trænge ind mellem fibertrådene. Hvis

dette er tilfældet opnås der dårlig binding mellem matricen og fiberen, og de kan ligge mere adskilt i

lag på lag som set i Figur 47.

55

Figur 46 viser de tre materialetypen efter træk ved 50oC.

Figur 47 viser hvorledes PLACA 24 klæber ringere til fiberklædet.

12 Konklusion

Vi har fundet, at PLA 4032D opfører sig som en almindelig sprød polymer under

temperaturopvarmning. Den antager en nedadgående s-kurve. Formålet med opgaven var at teste

PLA 4032D alene og i en komposit, da der var forhåbninger om, at den var mere

temperaturbestandig end den foregående PLA 2002D.

Det har tidligere været vist, at PLA 2002D ikke har været egnet til brug over 50oC. Vores resultater

viser også, at jute/PLA 4032D kun er stærkere for temperaturer op til 50oC, hvorefter jute/PLA

40032D og jute/PLA 2002D har næsten samme styrke og stivhed. PLA 4032D vil derfor stadig være

egnet til emballagebrug, men har endnu ikke en god nok temperaturbestandighed til at kunne bruges

til et bredere marked.

56

Vi har fundet, at det er muligt at benytte blandingsloven til at forudsige de mekaniske egenskaber af

en valgt kompositsammensætning. Vi har dog også vist, at fiberen ændrer mekaniske egenskaber

under temperaturpåvirkning. Derfor bør kompositten testes ved stuetemperatur og dernæst en

temperatur omkring de 50oC, for at kunne optegne den forventede kompositkurve ved samtlige

temperaturer.

Umiddelbart havde vi forventet, at den filler-forstærkede PLA CA24 ville være mere

temperaturbestandig og have bedre mekaniske egenskaber. Imod forventning viser det sig ikke at

være sandt. På grund af uregelmæssigheder i dens opførsel, mener vi, at der er opstået

komplikationer i fremstillingen af denne. Der er visse tidspunktet, hvor den viser sig at være mere

temperaturbestandig over de 50oC, hvilket indikerer, at vi godt kan opnå bedre resultater ved

tilsætning af en filler. For at konkludere yderligere, bør flere test fortages af PLA CA24.

Vi konkluderer hermed, at de PLA-typer, der er tilgængelige på markedet, endnu ikke er fuldt ud i

stand til at erstatte de petroleumbaserede polymerer, hverken alene eller i kompositter. Men de

steder, hvor PLA allerede nu er egnet, f.eks. emballage m.m., burde der ske en udskiftning, idet de

petroleumsbaserede kun bør bruges der, hvor PLA ikke er tilstrækkelig.

13 Fejlkilder

En fejlkilde til, hvorfor vi ikke opnår de mest optimale mekaniske egenskaber for testemnerne, kan

være fugt. Dog har vi prøvet at undgå dette ved at tørre fiberklædet inden fremstillingen af emnerne.

Emnerne har ikke ligget i tørreskab i tre uger inden testningen udføres, hvilken også kan give ringere

målte værdier. Ikke nok med, at fiberklædet skal tørres en dag i forvejen, bør filleren og PLA også

være tørret inden. Da vi ikke ved, hvilken filler, der er brugt i PLA CA24 og under hvilke

omstændigheder den er fremstillet hos producenten, kan vi ikke udelukke dette som værende en

fejlkilde.

Ovnen svinger med 3-4oC, men vi har forsøgt at tage højde for dette ved at måle den aktuelle

temperatur af emnet med et påsat termometer. Dog er der alligevel sket temperatursvingninger

under selve trækprøverne af emnerne.

Der kan være kommet luftbobler eller små revner i PLA-pladerne under fremstilling, hvilket også har

betydning for emnernes styrke og stivhed.

57

Det kan være en fordel at benytte det samme extensometer ved alle emner, da det vil være

nemmere til sammenligning, idet der opstår støjsvingninger på de kurver som er fundet med

videoextensometer.

14 Perspektivering

Som vist i rapporten er PLA endnu ikke i stand til at erstatte de petroleumsbaserede på alle områder,

og der bør derfor fortsat forskes i hvordan styrke, termisk stabilitet, E-modul m.m. kan øges.

Grunden til at denne fortsatte forskning og videreudvikling af PLA er interessant, er at PLA på

nuværende tidspunkt er det bedste alternativ blandt biopolymerer. I nogle henseende vil disse tiltag

medfører øget produktionsomkostninger, hvilket virker negativt på konkurrencedygtigheden af PLA.

Andre forbedringer, som f.eks. tilsætning af wood flour medfører en øget fleksural styrke og et øget

E-modul, jo større mængde der tilsættes. Dog vil det have en negativ effekt på den termiske

stabilitet. (Bledzki, 2008). Det kan derfor være svært at optimere én materialeegenskab uden, at det

har en negativ effekt på en anden egenskab. Som f.eks. ved PLA CA24 er der tilsat en filler for at

hæve Tg, men ved dette tiltag mindskes båndet mellem matrice og fiberen, der resulterer i forringet

styrke og stivhed. Det kan da være interessant at teste PLA 4032D, hvor der er tilsat en mindre grov

filler. En anden mulighed er at ændre blandingsforholdet i PLA CA24 for at gøre udtrækket af folie

nemmere og den færdige folie mere ensformig. Et tredje tiltag kunne være at lave folien tykkere,

men det kan muligvis skabe komplikationer, hvis folien skal bruges til at fremstille kompositter, der

følger ISO-527-1 standarden.

Det kan være interessant at teste PLA CA24 alene, for at se om denne udformer sig som PLA 4032D

eller om, den viser sig at være mere temperaturbestandig i forhold til den uforstærkede PLA.

Da vi kan se, at bindingsbåndet mellem fiber og matrice har stor betydning for den samlede styrke af

kompositten, er det ønskværdigt at optimere dette. Det kan evt. gøres ved at overfladebehandle

fiberen. Undersøgelser, hvor fiberen er behandlet med silane, viser ikke de store ændringer i de

mekaniske egenskaber, men kan måske forsinke den spontane nedbrydning af kompositten. (Rui-

Hua, 2007). Det kan derfor være interessant at undersøge om der findes andre

imprægneringsstoffer, der virker positiv på de mekaniske egenskaber.

Vi er blevet gjort opmærksomme på, at fugtoptaget har en betydning for det endelige

kompositmateriales egenskaber. Derfor kan det være interessant at undersøge, hvilken effekt tørring

af fiber og matricen samt filler har på den endelige komposits egenskaber. Det kan være

58

problematisk at tørre en filler tilstrækkeligt før smeltningprocessen og dermed forsinke en

hydrolytisk nedbrydning. Natureworks har opgivet, at det optimale fugtindhold er <300 ppm, hvilket

også skal være gældende for alle komponenter i kompositten, se afsnit 21.4. Det kan derfor være

interessant at teste om, det er muligt at tørre vores materialer til dette niveau og se om, det giver en

mærkbar forskel.

Selvom det i dette projekt har været opgaven at undersøge PLA’s egenskaber med det formål at

kunne erstatte de petroleumsbaserede polymerer, bliver PLA på nuværende tidspunkt allerede brugt

i medicinsk sammenhæng pga. dens nedbrydelig. Den bliver introduceret i kroppen som gel i

plastikkirurgi, skruer og suturer til ortopædkirurgien, i drug delivery systemer og til andre

reabsorbable implantater. I disse sammenhænge vil det være optimalt at kunne styre raten, hvormed

PLA nedbrydes for at opnå et bedre resultat. En videre undersøgelse af PLA’s nedbrydelighed i

kroppen er derfor ønskværdig.

På nuværende tidspunktet er det kun majskornene, der bruges til at danne den mest rene lactat syre.

Det kan da give problemer, hvis majspriserne stiger med tiden, og PLA vil da ikke have så lave

omkostning og bliver dermed mindre konkurrencedygtig. Det er derfor en udfordring at finde en

metode til at danne ren lactat syre ud fra bioaffald baseret på alle slags afgrøder.

Hidtil har fokus været på, at biopolymerer er så ”grønne” at de kan smides i naturen og nedbrydes. Vi

mener dog, at fokus bør rettes mod at bibeholde biopolymerers struktur i længere tid, under

vekslende fugtighed og temperatur-forhold. For dermed at kunne bruge den i bl.a. installationer

udendørs og erstatte de konventionelle petroleumsbaserede polymerer. Dette ses f.eks. i

vindmøllervinger, hvor man har lavet en komposit af bambus og 10% epoxy. Opgaven er nu at

erstatte epoxien med biopolymer, således at vingen er fremstilles af 100% biomateriale.

P. Brøndsted udtaler sig til P1 ”Videnskabens Verden” at det er for naivt at tro, at man kan erstatte

alle materialer med biomaterialer, men der hvor det er muligt bør der ske en udskiftning. Desuden

bør de råvarer der er tilgængelige i den pågældende verdensdel bruges, således at der ikke skal ske

en stor import af forskellige naturmaterialer. Det er stadig vigtigt at overveje, hvordan vi i fremtiden

slipper af med de ting, vi bruger i vores hverdag, når vi ikke har brug for dem mere. Dette kan bl.a.

undgås ved at benytte biomaterialer, der er CO2-neutrale. Dette er en af de store opgaver fremtidens

forskere står over for. (Brøndsted, 2009)

59

15 Bidrag

Alle afsnit er skrevet, rette og læst igennem af begge forfattere af denne rapport med mindre andet

er opgivet.

Afsnit Skrevet af Rettet af

6 Indledning

7 Problemformulering

8 Definition af nøgleord

A. Løvdal og L. Laursen


9.1 Mekaniske og fysiske egenskaber A. Løvdal A. Løvdal og L. Laursen

9.1.1 Glasovergangstemperaturen Tg L. Laursen A. Løvdal og L. Laursen

9.2 Polymerkompositter L. Laursen A. Løvdal og L. Laursen

9.3 Polylactat acid (PLA)

9.4 Biofibre.

A. Løvdal A. Løvdal og L. Laursen

9.5 Biokompositter L. Laursen A. Løvdal og L. Laursen

10 Materiale og metoder A. Løvdal A. Løvdal og L. Laursen

10.5 Databehandling A. Løvdal og L. Laursen


11 Måleresultater A. Løvdal og L. Laursen


11.5 Blandings lov L. Laursen A. Løvdal og L. Laursen

12 Diskussion A. Løvdal og L. Laursen


13 Konklusion A. Løvdal og L. Laursen


14 Fejlkilder A. Løvdal og L. Laursen


15 Perspektivering A. Løvdal og L. Laursen


60

16 Symbolliste

σ- spænding

ε – tøjning

E – elastiske modul, Young’s modulus

τ – forskydningsstyrke

W – vægt

V – volumen

ρ - densitet

Δ- forskel

F – kraft

l- længde

Tg – glasovergangstemperaturen

lc – fiberens kritiske længde

d - diameter

17 Forkortelser f.eks. for eksempel

Bl.a. blandt andet

Pga. på grund af

Ca. cirka

Max maksimal

Pa Pascal

N Newton

m meter

Ppm part pr. million

61

18 Litteraturliste

18.1 Søgeord

Følgende søgeord er brugt til litteratursøgningen. Vi har benyttet os af engelske fagtermer, idet at

størstedelen af den tilgængelige og relevante information findes på engelsk. Søgeordene er blevet

kombineret på kryds og tværs for at finde de mest relevante artikler og e-bøger.

biomaterial?; temperatur?; biocomposite ; jute?; PLA; natural fibers; thermal properties;

biopolymer?;

18.2 Databaser

Web of science

Science Direct

DADS

ENGnetBase

Elsevier

18.3 Artikler

Averous, L. & Boquillon, N. »Biocomposites based on plasticized starch thermal and mechanical behaviours.« Carbohydrate Polymers, 21. april 2004: 111-122.

Bax, B. & Müssig, J. »Impact and tensile properties of PLA/Cordenka and PLA/flax composites.« ScienceDirect, 9. januar 2008.

Bledzki, A. K et. al. »Mechanical properties of PLA composites with man-made cellulose and abaca fibres.« Science Direct, 10.. juli 2008.

Mohamed, A. at al. »Thermal Proterties of Extruded and INjection-Molded Poly(lactide Acid) - Based Cuphes and Lesquerella Bio-Composites.« Wiley InterScience, 30.. September 2008.

Mota Soares, C. A. et. al. Mechanics of Composite Materials and Structures. Portugal: Kluwer Academic Publishers, 1999.

Plackett, D. »Maleated Polylactide as an Interfacial Compatibilizer in Biocomposites.« Journal of Polymers and the Environment, juli 2004.

62

18.4 Bøger

Baillie, Caroline, red. Green composites Polymer composites and the enviroment. Woodhead, 2004.

Callister, W. D. Jr. Material Science and Engineering an Introduction. 7. John Wiley and Sons, inc., 2007.

Holm, V.K. Food Packaginin Applicability of Poly(Lactide Acid) Materials. Samfundslitteratur Grafik,

2004.

John, M.J & Thomas, S. »Biofibre and biocomposites.« Science Direct, 14.. februar 2007: 343-364.

Mohanty, A. K. et. al. Natural Fiber, Biopolymers and Biocomposites. Taylor and Frances group, 2005.

Ratner, B. D. et. al. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. 2. . Academic Press, 2004.

Jenkins, M., red. Biomedical Polymers. Woodhead Publishing, 2007.

18.5 Websteder

composites.about.com. 2009. http://composite.about.com/library/glossary/f/bldef-f2200.htm (senest hentet eller vist den 14. maj 2009).

Ides, the Plastics Web. http://www.ides.com/generics/PLA/PLA_typical_properties.htm (senest hentet eller vist den 5.. maj 2009).

Metaefficient. 2009. http://www.metaefficient.com/bioplastics/stronger-bioplastic-developed-kenaf-polylactic-acid-pla.html (senest hentet eller vist den 14. maj 2009).

Michigan Technological University.

http://www.mse.mtu.edu/~drjohn/my4150/compositesdesign/cd2/cd3.html (senest hentet eller vist

den 5. maj 2009).

PLA 2002D data sheet. http://www.natureworksllc.com/product-and-applications/ingeo-biopolymer/technical-resources/~/media/Product%20and%20Applications/Ingeo%20Biopolymer/Technical%20Resources/Technical%20Data%20Sheets/TechnicalDataSheet_2002D_pdf.ashx. (senest hentet eller vist den 8.. maj 2009).

PLA 2002D proces guide. http://www.natureworksllc.com/product-and-applications/ingeo-biopolymer/technical-resources/~/media/product%20and%20applications/ingeo%20biopolymer/technical%20resources/processing%20guides/processingguides_sheetextrusion_pdf.ashx. (senest hentet eller vist den 8.. maj 2009).

63

PLA 4032D data sheet. http://www.natureworksllc.com/product-and-applications/ingeo-biopolymer/technical-resources/~/media/Product%20and%20Applications/Ingeo%20Biopolymer/Technical%20Resources/Technical%20Data%20Sheets/TechnicalDataSheet_4032D_pdf.ashx. (senest hentet eller vist den 5.. maj 2009).

PLA 4032D proces guide. http://www.natureworksllc.com/product-and-applications/ingeo-biopolymer/technical-resources/~/media/product%20and%20applications/ingeo%20biopolymer/technical%20resources/processing%20guides/processingguides_biaxiallyorientedfilm_pdf.ashx. (senest hentet eller vist den 8.. maj 2009).

Plast Center Danmark. http://www.plastcenter.dk/default.asp?id=6 (senest hentet eller vist den 5.. maj 2009).

Rui-Hua, H. et. al. »Biodegradable Composites Based on Polylactic Acid(PLA) and China.« Key Engineering Materials Vols. 353-358, 2007: 1302-1305.

Wikipedia Glass Transition Temperature. http://en.wikipedia.org/wiki/Glass_transition_temperature (senest hentet eller vist den 5.. maj 2009).

Wikipedia Plastic. http://da.wikipedia.org/wiki/Plastic (senest hentet eller vist den 5.. maj 2009).

Wikipedia Plasticizer. http://en.wikipedia.org/wiki/Plasticizer (senest hentet eller vist den 5.. maj 2009).

19 Tabelliste Tabel 1 E-modul for jute/PLA 4032D, PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 ved forskellige temperaturer. Ved 60oC er der nedskrevet et E-modul for både den nedre og øvre gruppe. .................................................................................... 42 Tabel 2 Spændingsstyrke for jute/PLA 4032D, PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 ved forskellige temperaturer. Ved 60oC er der nedskrevet et E-modul for både den øvre og nedre gruppe. ...................................................................... 42 Tabel 3 viser antal gram for jute og PLA, den samlede vægt og jute-volumenfraktionen for hver af kompositpladerne. ....... 43 Tabel 4 viser de beregnede E-moduler for juten. ............................................................................................................... 44 Tabel 5 viser de forventede E-moduler for jute/PLA 4032D. ............................................................................................... 45 Tabel 6 viser de beregne spændingsstyrke værdier for jute. ............................................................................................... 46 Tabel 7 viser jutevægt før og efter klædet har været i tørreskab, og hvor meget vand der er fordampet. ............................ 66 Tabel 8 viser volumenandelen af jute i henholdsvis skud og kæderetning. Baseret på resultater fundet af forsker Bo Madsen ........................................................................................................................................................................................ 66

20 Figurliste Figur 1. Den røde kurve viser punktet P, hvor emnet overgår fra den lineære elastiske til den ulineære elastiske region. Den blå kurve viser en polymer, der både har et øvre og et nedre flydepunkt. Modificeret fra Callister, 2007 (s. 587) ............... 11 Figur 2 viser forskellige spænding-tøjningskurveforløb for forskellige polymerer. Kurve a er forløbet for et sprødt materiale, kurve b og c er for et sejt materiale med flydepunkt, kurve d er for et sejt materiale uden flydepunkt. Modificeret fra ISO 527-1. .............................................................................................................................................................................. 12 Figur 3 viser forskellige kompositinddelinger og deres undergrupper. Modificeret fra Callister, 2007 (s. 579). ..................... 13

64

Figur 4 viser deformationsmønstret i en matrice, der omgiver en fiber med en påført spændingskraft. Modificeret fra Callister, 2007 (s. 585). ..................................................................................................................................................... 14 Figur 5 viser en skematisk spændingtøjningskurve for matricen og fiberen alene, og hvorledes en komposit af disse ser ud. ε*

f og σ*f viser punktet, hvor fiberen har sin maksimale spændning og tøjning. ε*

m og σ*m viser punktet, hvor matricen er

nået sit ultimative brud. εm og σm viser overgangen mellem den lineære og ulineære fase. Stadie I og stadie II indikerer overgangen for kompositten mellem den lineære fase og den ulineære fase. Modiceret fra Callister, 2007 (s.587) samt Michigan Technological University. ................................................................................................................................... 15 Figur 6 viser kemisk struktur af polylactat syre. Modificeret fra Metaefficient, 2009 ........................................................... 18 Figur 7 viser en skematisk fremstilling af PLA fra majs. Modificeret fra Mohanty, 2005 (s.530)............................................ 19 Figur 8 viser, hvor mange megajoule pr. kilogram, der er nødvendig for at fremstille følgende polymere. De rødlige søjler viser en række petroleumsbaserede polymere, og de grønne søjler viser PLA for det første og femte år PLA blevet produceret, og hvor stor energiomkostningen vil være på længere sigt. Modificeret fra Mohanty, 2005 (s. 535). ................ 19 Figur 9 viser, hvorledes juten er vævet. Modificeret fra John, 2007. ................................................................................... 22 Figur 10 viser teknikken for fremstilling af kompositplader ved kompressionsformning. ..................................................... 25 Figur 11 viser dimensionerne for hvert emne. ................................................................................................................... 26 Figur 12 viser eksperimental opstilling af trækprøve i ovn under opvarmning. .................................................................... 26 Figur 13 viser videoextensometrets reference-punkter på selve emnet under trækning. Under trækning vil de sorte strege flytter sig, og computeren registrerer da denne forskel. .................................................................................................... 26 Figur 14 viser spændings-tøjningskurven ved 25oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 28 Figur 15 viser spændings-tøjningskurven ved 30oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 28 Figur 16 viser spændings-tøjningskurven ved 40oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 29 Figur 17 viser spændings-tøjningskurven ved 50oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 30 Figur 18 viser spændings-tøjningskurven ved 55oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 30 Figur 19 viser spændings-tøjningskurven ved 60oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 31 Figur 20 viser spændings-tøjningskurven ved 80oC for jute/PLA 4032D. ............................................................................. 32 Figur 21 viser spændings-tøjningskurven ved 25oC for PLA 4032D. ..................................................................................... 32 Figur 22 viser kurveforløb for spændings-tøjningskurven ved 30oC for PLA 4032D. ............................................................. 33 Figur 23 viser spændings-tøjningskurven ved 40oC for PLA 4032D. ..................................................................................... 34 Figur 24 viser spændings-tøjningskurven ved 45oC for PLA 4032D. ..................................................................................... 34 Figur 25 viser spændings-tøjningskurven ved 50oC for PLA 4032D. ..................................................................................... 35 Figur 26 viser spænding-tøjningskurve for PLA 4032D ved 55oC. ........................................................................................ 35 Figur 27 viser spændings-tøjningskurven for PLA 4032D ved 55oC, hvor y-aksen kun viser til 10MPa. .................................. 36 Figur 28 viser spænding-tøjningskurven ved 60oC for PLA 4032D. Figuren til højre er en forstørrelse af kurven. .................. 36 Figur 29 viser spændings-tøjningskurven ved 25oC for jute/PLA 2002D. ............................................................................. 37 Figur 30 viser spændings-tøjningskurven ved 50oC for jute/PLA 2002D. ............................................................................. 37 Figur 31 viser spændings-tøjningskurven ved 60oC for jute/PLA 2002D. ............................................................................. 38 Figur 32 viser spændings-tøjningskurven ved 80oC for jute/PLA 2002D. ............................................................................. 38 Figur 33 viser spændings-tøjningskurve ved 25oC for PLA CA24 .......................................................................................... 39 Figur 34 viser spændings-tøjningskurve ved 50oC for PLA CA24 .......................................................................................... 40 Figur 35 viser spændings-tøjningskurve ved 60oC for PLA CA24 .......................................................................................... 40 Figur 36 viser spændings-tøjningskurve ved 80oC for PLA CA24 .......................................................................................... 41 Figur 37 viser E-modulet som funktion af temperatur for PLA 4032D, jute/PLA 4032D og beregnet jute. Den grønne kurve viser forløbet for juten, hvor der tages for højde for både skud og kæderetning. Den gule kurve viser forløbet, hvor der kun tages hensyn til skudretningen. ......................................................................................................................................... 44 Figur 38 viser E-modul som funktion af temperatur for PLA 4032D, jute/PLA 4032D og beregnet jute/PLA 4032D. Den grønne kurve viser forløbet for den beregnede komposit, hvor der tages for højde for både skud og kæderetning. Den gule kurve viser forløbet, hvor der kun tages hensyn til skudretningen. ..................................................................................... 45 Figur 39 viser spændingsstyrke som funktion af temp., for PLA 4032D, jute/PLA 4032D og beregnet jute............................ 46 Figur 40 viser PLA 4032D emner efter træk. Det øverste emne er trukket på tværs, hvorimod det nederste emne er trukket på langs. ........................................................................................................................................................................... 47 Figur 41 viser den maksimale spændingsstyrke som funktion af temperatur for PLA 4032D. ............................................... 48 Figur 42 viser sammenligning af den maksimale spændingsstyrke for henholdsvis PLA 4032D og jute/PLA 4032D som funktion af temperatur. .................................................................................................................................................... 49 Figur 43 viser E-modulet for henholdsvis PLA 4032D og jute/PLA 4032D som funktion af temperatur ................................. 49 Figur 44 viser sammenligning af den maksimale spændingsstyrke for henholdsvis jute/PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 som funktion af temperatur. ...................................................................................................................... 52 Figur 45 viser E-modulet for henholdsvis jute/PLA 4032D, jute/PLA 2002D og jute/PLA CA24 som funktion af temperatur. . 52 Figur 46 viser de tre materialetypen efter træk ved 50oC. .................................................................................................. 55 Figur 47 viser hvorledes PLACA 24 klæber ringere til fiberklædet. ...................................................................................... 55 Figur 48 viser den uforstærkede PLA 4032D ved samtlige temperaturer efter træk. ........................................................... 71 Figur 49 viser Jute/PLA 4032D ved samtlige temperaturer efter træk. ................................................................................ 71

65

Figur 50 viser Jute/PLA 2002D ved samtlige temperaturer efter træk. ................................................................................ 71 Figur 51 viser Jute/PLA CA24-001 ved samtlige temperaturer efter træk. ........................................................................... 71

21 Appendiks

21.1 PLA 2002D

(PLA 2002D data sheet) og (PLA 2002D proces guide)

21.2 PLA 4032D

66

(PLA 4032D proces guide)

21.3 Jute

Densitet Fugtindhold Spændingsstyrke (MPa) E-modul (MPa) Totalforlængelse

Jute 1,5* 6,2-12 345-1500 13000-26000 1,6%

(Mohanty, 2005)

*specifikt for juten brugt til dette forsøg.

Jute før tørring (g) Jute efter tørring (g) Fordampet (%)

CDD1 84,1 80,2 4,64

CDD2 86,1 80,8 6,16

CDD3 85,1 76,2 10,46

CDC1 88,6 83,5 5,76

Tabel 7 viser jutevægt før og efter klædet har været i tørreskab, og hvor meget vand der er fordampet.

Tabel 8 viser volumenandelen af jute i henholdsvis skud og kæderetning. Baseret på resultater fundet af forsker Bo Madsen

Fabric name Jutevæv 100 16

Fabric type Plain weave, square

Volume fractions

Warp, V1 0,30

Weft, V2 0,70

67

21.4 Oplysning fra Natureworks

---------------------------- Original Message ---------------------------- Subject: RE: 4032D IngeoTM Sheet Question From: [email protected] Date: Fri, May 8, 2009 6:20 pm To: [email protected] Cc: [email protected] -------------------------------------------------------------------------- Dear Ms. Lovdal and Ms. Laursen, I checked our website and found that the physical properties listed for 4032D are indeed those for films. So, I then will refer to three whitepapers on filler reinforcement, PLA blends and PLA toughening that will provide some useful additional information. The two values listed for neat injection molded IngeoTM Polylactide were 9000 and 9150 psi (62.1 to 63.1 Mpa). (I apologize for the English units.) Your results from compression molded samples are somewhat lower, possibly due to the lack of orientation, length of time needed for fabrication, imperfections (bubbles), or cracks along the edges of test parts if in fact they are cut out of a compression molded plaque. I hope that this additional information is helpful. Regards, Dick -----Original Message----- From: [email protected] [mailto:[email protected]] Sent: Thursday, May 07, 2009 8:07 AM To: Bopp, Dick Subject: Re: 4032D IngeoTM Sheet Question Dear Richard C. Bopp Thank you very much for your fast reply, we appreciate it very much. We might not have explained our question well enough the first. We are testing 4032D PLA, with the intent of using it as Jute/4032D composite. We are aware of the fact that the intentet use for 4032D is packaging, but we are discussing the possibilities of using biobiocomposites on a much broader scale. When testing the 4032D PLA, we use compress moulding at 190C to produce our test speciments. We use ISO-75 to find the tensile strenght. When doing so, we are not able to achieve as high a strenght as is indicated by the datasheet for 4032D which we found on Natureworks homepage. On the datasheet it says that the properties where found when testing a biaxial orientated film, which was stretched. The question now is, if we are ruining some of the materials properties when we compress mould our test speciments? And if there is a way to take

68

into consideration the biaxial orientated properties when producing test samples, so that we are able to optain a higher strenght? We only get a tensile strenght at about 55MPa. Kind Regards Alexandra Løvdal and Louise Laursen > To whom it might concern. > > We are two students from the Techinical University of Denmark. At the moment we are writting our bachelor thesis about biocomposites. As the matrix, we are using 4032D PLA and when testing the PLA alone, we are not able to obtain as high of a value for the strenght as you have mentioned on your techinical data sheet for that materiale. When testing, we have used the ISO-75, and we are wondering if we might have destroyed the biaxial oriented properties when compress moulding the material. And if that might explain the lower tensile strenght that we obtain? > > Sincerly Alexandra Løvdal and Louise Laursen > > > Dear Ms. Lovdal and Ms. Laursen, > > Thank you for your interest in IngeoTM bioresins and your question regarding the strength of compression molded neat polymer and > biocomposites based upon Ingeo 4032D. > > Without more detail about the composition, conditioning, compounding and molding conditions employed in your study, it's difficult for me to provide an informed answer. > > However, please allow me to make a couple of observations: > > 1) Compounding Ingeo bioresins with natural fillers, e.g., wood > flour, flax fiber, straw, etc., is problematic due to the difficulty of adequately drying the filler prior to melt processing. If the filler is not adequately dry, any moisture that is released during melt processing will contribute to the hydrolytic degradation of the polymer resulting in a significant reduction in molecular weight which can then lead to a substantial loss of engineering properties, e.g., strength and toughness. Typically, all ingredients should be dried to a moisture level <500 ppm, preferably <350 ppm. The same is true for the neat polymer. > > 2) Your mention of biaxial orientation is a little puzzling. > Normally, biaxial orientation is not achieved in compression molding. Also, I'm not sure the specific source of your comparative data supplied by NatureWorks. Are your data based on BIAX sheet or > injection molded parts? In any case, for a whole host of reasons that we can discuss later I would expect that the engineering properties of compression molded parts might be substantially lower than those of either BIAX or injection molded test specimens. On the other hand, one should expect that the reinforcement effect of the fillers in your biocomposites will provide enhanced strength and modulus--all other factors being equal. > > 3) In summary, the two most likely causes of lower than expected

69

> strength would be hydrolytic degradation and compression molding test parts. > > I hope this response is of some help as you complete your academic project. > > If I can be of further help, please don't hesitate to email or call me at > (952) 742-0454. > > Regards, > > Richard C. Bopp, Ph.D. > Senior Materials Scientis

21.5 Eksempel på MatLab script

Funktionen kaldes efter materiale type og temperatur

function 4032d25 clear all close all

Importerer Data fra de gemte .ASC filer

DefaultImport; in.filetype='ASC'; in.idata=18; % Linjenumber hvor data begynder in.itime=1;in.iload=2;in.istrain=3;in.istrain1=4;in.cdata='\t'; in.iavestrain=1; in.fload=1000; in.fstrain=0.01;in.fstrain1=0.01; in.fmaxadd=0.95 ; % <0.95 : inkluder kurve in.fmaxadd*load indtil den er faldet 5% efter max pkt.

De rette filer indlæses, afh. hvilke emner er blevet trukket ved den pågældende temperatur. Emnenummer kan aflæses i excell filen: 'Emner'.

in.file={'CDA6-01','CDA6-02','CDA6-03','CDA6-04','CDA6-05'};

Afgører hvilke farve hver enkel kurve afbilledes med

in.style={'-r','-b','-g','--r','--b','--g','-.r','-.b','-.g'}; in.igeo=-1;in.igeotype=0;

Størrelsen af nP afhænger af hvor mange emner der er trukket ved den pågældende temperatur. I dette tilfælde er nP=5

nP=length(in.file);

I dette loop importeres filerne, således at de alle afbildedes i det samme plot.

for i=1:nP;[out1{i}]=ImportFile(in,i); end;

Plotter henholdsvis lasten og forlængelsen som funktion af tid.

70

PlotIni('TimeLoad',out1); title ('4032DPLA ved 25 grader') PlotIni('StrainLoad',out1); title ('4032DPLA ved 25 grader') nF=length(out1);

Tøjningsinterval i hvilket E-modulet findes. Dette er bestemt således at de er ens for samtlige prøver, således at alle prøver kan sammenlignes på tværs af materiale type og temperatur.

strainrange=[0.002 0.0035];

Beregner E-modulet, samt finder den maksimale spænding for samtlige emner.

for i=1:nF; [emod1{i},emodul(i),strainrate(i)]=CalcEmod(strainrange,out1{i}); maxstress(i)=out1{i}.maxstress; end

Plotter Spænding-tøjningskurve samt det beregnede E-modul.

PlotEmod(out1,emod1); Titel samt navngivning af akserne.

title ('PLA 4032D ved 25 grader') ylabel ('Spænding [MPa]') xlabel ('Tøjning [m/m]')

Beregner det gennemsnitlige E-modul og maksimale spændingsstyrke.

mspla25 = mean (maxstress) mepla25 = mean (emodul)

Beregner standard afvigelsen for både E-modul og Maksimal spændingsstyrke.

sdpla25= std (emodul) sspla25=std(maxstress)

De udregnede værdier gemmes, således at de kan loades i en anden funktion senere.

save mspla25 %Det gennemsnitlige E-modul for PLA 4032d ved 25 grader save mepla25 %Den gennemsnitlige maksimale spændingsstyrke for PLA 4032d ved 25 grader save sdpla25 %Standard afvigelsen for E-modulet. save sspla25 %Standard afvigelsen for den maksimale spændings styrke.

Published with MATLAB® 7.0

71

21.6 Billeder af udvalgte emner efter træk

Figur 48 viser den uforstærkede PLA 4032D ved samtlige temperaturer efter træk.(til venstre)

Figur 49 viser Jute/PLA 4032D ved samtlige temperaturer efter træk. (til højre)

Figur 50 viser Jute/PLA 2002D ved samtlige temperaturer efter træk. (til venstre)

Figur 51 viser Jute/PLA CA24-001 ved samtlige temperaturer efter træk. (til højre)

72

Risø DTU er Nationallaboratoriet for Bæredygtig Energi. Forskningen er rettet mod udviklingen

af klimavenlige energiteknologier og energisystemer, og bidrager til innovation, uddannelse og

rådgivning. Risø har store forsøgsfaciliteter og tværfaglige forskningsmiljøer og inkluderer

kompetencecenteret for nukleare teknologier.

Risø DTU

Nationallaboratoriet for Bæredygtig Energi Danmarks Tekniske Universitet Frederiksborgvej 399 Postboks 49 4000 Roskilde Telefon 4677 4677 Fax 4677 5688 www.risoe.dtu.dk

Documents

Mekanisk karakterisering af biopolymerer - etd.dtu.dketd.dtu.dk/thesis/245142/2009_68.pdfbachelorerstuderende af natur- eller teknisk videnskab og andre med interesse for biopolymerer