Optimization of mechanical and moisture resistance of polyethylene wood plastic composites reinforced with nanocrystalline cellulose

Bensalem, Foued (2015). Optimization of mechanical and moisture resistance of polyethylene wood plastic composites reinforced with nanocrystalline cellulose. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The addition of nanoparticles in polymers reinforced with wood fiber has been considered as one of the most effective way to improve the mechanical and physical properties of woodplastic composites. In this framework, the objective of this study was to investigate the effect of incorporation of nanocrystalline cellulose (NCC) on the mechanical properties and water absorption of wood-plastic composite made from high density polyethylene (HDPE) and wood flour.

The first phase of this project involved the reinforcement of HDPE matrix with NCC using internal mixer. The effect of processing conditions, NCC content (0%, 3% and 10% wt.) and compatibilizing agent on the mechanical properties, water absorption rate and dispersion of NCC was analyzed. In the second phase, the best compounding conditions of HDPE/NCC nanocomposite, obtained from the first step, was used for the preparation of hybrid wood plastic composite. Mechanical properties (flexural and tensile) and water uptake were carried out to evaluate the performance of the composite.

Mechanical results showed that the increase of NCC content until 10wt. % lead to the increase of flexural and tensile properties of HDPE/NCC nanocomposite. However, the SEM analysis of NCC dispersion showed the presence of big agglomerations. For Hybrid HDPE/NCC/WF composite, a partial replacement of wood flour with 10% NCC did not show any improvement in the flexural and tensile properties. This is due to the poor dispersion of NCC. In contrast a slight decrease of water absorption was detected in hybrid composite which can be caused by differences of hydrophilicity between wood flour and NCC. In further work, more tests with surface modification and liquid feeding of NCC should be done for successful development of hybrid wood nanocomposite. Also, the effect of different NCC concentration can be realized to identify the percolation threshold of composite reinforcement.

Titre traduit

Optimisation des propriétés mécaniques et de résistance à l'humidité de composites bois-plastique à base de polyéthylène et de nanocristaux de cellulose

Résumé traduit

L'ajout de nanoparticules dans les polymères thermoplastiques renforcés par des fibres de bois a été considéré comme l’un des moyens les plus efficaces pour améliorer les propriétés mécaniques et physiques des composites bois-plastiques. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'étudier l'effet d’incorporation des nanocristaux de cellulose (NCC) sur les propriétés mécaniques et l'absorption d'eau du composite bois-plastique à base de polyéthylène haute densité (HDPE) et de farine de bois.

La première phase a consisté d’étudier la faisabilité d’obtention du nanocomposite HDPE/NCC en utilisant un mélangeur. L’effet des paramètres de mise en forme, de concentrations de NCC (0%, 3% et 10% en poids) et d’agent de compatibilité sur les propriétés mécaniques, le taux d’absorption d’eau et de la dispersion des NCC a été analysé. Dans la deuxième phase, les conditions de préparation et de la formulation de nanocomposites HDPE/NCC obtenues à la première phase, sont utilisés pour la fabrication du composite hybride HDPE/NCC/farine de bois. Des tests de propriétés mécaniques (flexion et traction) et d’absorption d’eau ont été réalisés pour évaluer la performance du composite.

Les résultats ont montré qu’une augmentation de la teneur en NCC jusqu'à 10% conduit à une amélioration significative des propriétés en flexion et en traction de nanocomposites HDPE/NCC. Toutefois, l’analyse de la dispersion des NCC avec le microscope électronique à balayage (MEB) a montré la présence de grosses agglomérations quelques soit la concentration d’agent de compatibilité. Le remplacement partiel de farine de bois avec 10% de NCC n’a pas montré aucune amélioration de la résistance en flexion et en traction du composite hybride bois-plastique. Cela est peut-être dû aux problèmes de compatibilité entre les NCC et la matrice HDPE, et aussi à la mauvaise dispersion des NCC en présence d’une haute concentration. En revanche, une légère baisse du taux absorption d'eau a été détectée dans le cas du composite hybride qui peut être causé par la différence de caractère hydrophile entre la farine de bois et les NCC. Plus de tests avec la modification de surface et du dosage liquide des NCC devrait être fait pour améliorer la performance des nanocomposites hybrides HDPE/bois/NCC. En outre, l'effet de la concentration NCC peut être étudié pour identifier le seuil de percolation dans le composite.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 81-98).
Mots-clés libres:	composite bois plastique, nanocristaux de cellulose, hybride, dispersion, HDPE
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Demarquette, Nicole R.
Codirecteur:	Codirecteur Ngô, Anh Dung
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	10 juill. 2019 14:29
Dernière modification:	09 déc. 2019 19:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1545

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