Improving the Toughness and Thermal Resistance of Polyoxymethylene/Poly(lactic acid) Blends: Evaluation of Structure–Properties Correlation for Reactive Processing

The study focuses on the development of polyoxymethylene (POM)/poly(lactic acid) (PLA) blends with increased impact and thermal resistance. The study was conducted in two phases; in the first part, a series of unmodified blends with PLA content of 25, 50, and 75 wt.% was prepared, while the second part focused on the modification of the PLA/POM (50/50) blends. An ethylene/butyl acrylate/glycidyl methacrylate terpolymer (E/BA/GMA) elastomer (EBA) was used to improve the impact strength of the prepared blends, while reactive blending was used to improve interfacial interactions. We used a multifunctional epoxy chain extender (CE) as the compatibilizer. Static tensile tests and notched Izod measurement were used to evaluate the mechanical performance of the prepared samples. The thermomechanical properties were investigated using dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) analysis and heat deflection temperature (HDT)/Vicat softening temperature (VST) methods. The crystallinity was measured using differential scanning calorimetry (DSC) and wide-angle X-ray diffraction (WAXS) measurements, while the rheology was evaluated using a rotational rheometer. The paper also includes a structure analysis performed using the SEM method. The structural tests show partial miscibility of the POM/PLA systems, resulting in the perfect compatibility of both phases. The impact properties of the final blends modified by the EBA/CE system were found to be similar to pure POM resin, while the E modulus was visibly improved. Favorable changes were also noticeable in the case of the thermomechanical properties. The results of most of the conducted measurements and microscopic observations confirm the high efficiency of the reaction for PLA as well as for the modified POM/PLA mixtures

The Influence of Sub-Zero Conditions on the Mechanical Properties of Polylactide-Based Composites

Polylactide-based composites filled with waste fillers due to their sustainability are a subject of many current papers, in which their structural, mechanical, and thermal properties are evaluated. However, few studies focus on their behavior in low temperatures. In this paper, dynamic and quasi-static mechanical properties of polylactide-based composites filled with 10 wt% of linseed cake (a by-product of mechanical oil extraction from linseed) were evaluated at room temperature and at −40 °C by means of dynamic mechanical analysis (DMA), Charpy’s impact strength test and uniaxial tensile test. It was found that the effect of plasticization provided by the oil contained in the filler at room temperature is significantly reduced in sub-zero conditions due to solidification of the oil around −18 °C, as it was shown by differential scanning calorimetry (DSC) and DMA, but the overall mechanical performance of the polylactide-based composites was sufficient to enable their use in low-temperature applications

Zastosowanie pomiarów reologicznych typu in-line w charakterystyce kompozytów polipropylenu ze skałą opoka jako napełniaczem proszkowym

The rheological properties of the composites of polypropylene (PP) with a new natural powder hybrid filler – carbonate-silicate rock called opoka – were investigated. Opoka rock is industrial waste originating (as a subsieve fraction) from the production of sorbents used in water treatment processes. The effect of opoka addition (1, 5 and 10 wt %) on the processability of PP was determined during the extrusion process using an in-line measuring stand. The testing instrument was an extruder rheometer equipped with a rheological measuring head with exchangeable dies. Cylindrical measuring dies with a radius of 1.5 mm and a length of L = 20, 30, 40 and 50 mm, respectively, were used in the measurements. The rheological parameters of the composites were determined based on the Ostwald-de-Waele power--law model at a temperature of 230 °C. The effect of the addition of opoka on the extruder operating characteristic, flow curves, viscosity curves, and the values of power law index (n), consistency factor (K), mass flow rate (MFR) and volume flow rate (MVR) have been determined.Badano właściwości reologicznych kompozytów polipropylenu (PP) z nowym, naturalnym, proszkowym napełniaczem hybrydowym – skałą węglanowo-krzemionkową zwaną opoką, stanowiącą odpad przemysłowy powstający podczas produkcji sorbentów (frakcja podsitowa), stosowanych w procesach oczyszczania wody. Wpływ dodatku opoki (1, 5 i 10 % mas.) na przetwarzalność PP określano na stanowisku pomiarowym typu in-line w procesie wytłaczania. Urządzenie badawcze stanowił reometr wytłaczarkowy z reologiczną głowicą pomiarową z wymiennymi dyszami. W pomiarach zastosowano cylindryczne dysze pomiarowe o promieniu R = 1,5 mm i długości L = 20, 30, 40 i 50 mm. Parametry reologiczne kompozytów wyznaczano na podstawie modelu potęgowego Ostwalda-de-Waele w temp. 230 °C. Określano wpływ dodatku opoki na charakterystykę pracy wytłaczarki, przebieg krzywej płynięcia oraz krzywej lepkości, a także wartości wykładnika płynięcia (n), współczynnika konsystencji (K), masowego wskaźnika szybkości płynięcia (MFR) oraz objętościowego wskaźnika szybkości płynięcia (MVR)

Wpływ przyspieszonego starzenia na mechaniczne i termomechaniczne właściwości kompozytów poli(kwasu mlekowego) z napełniaczem z odpadów naturalnych

In this study we investigated the impact of accelerated weathering on selected mechanical and thermomechanical properties of poly(lactic acid) (PLA) composites filled with ground chestnut shell (CN). The mechanical properties were evaluated through static tensile test and Dynstat impact test, which were conducted for pure PLA and composites containing various amounts of the lignocellulosic organic filler (2.5–30 wt %). The results of the dynamic thermomechanical analysis (DMTA) are discussed in reference to structural changes obtained by differential scanning calorimetry (DSC), and they confirm changes in crystalline structure of PLA and its composites induced by cyclic temperature changes and UV light exposure. Scanning electron microscopy (SEM) images showed presence of microcracks and erosion of the PLA and composite surface after the aging process.Przedstawiono wpływ przyspieszonego starzenia na wybrane właściwości mechaniczne oraz termomechaniczne kompozytów na osnowie polilaktydu (PLA) modyfikowanego rozdrobnionymi łupinami kasztana (CN). Właściwości mechaniczne kompozytów zawierających 2,5–30 % mas. napełniacza naturalnego oceniano w próbie statycznego rozciągania oraz na podstawie pomiarów udarności metodą Dynstat. Zmiany właściwości niemodyfikowanego PLA oraz jego kompozytów odniesiono do właściwości termomechanicznych ocenianych metodą dynamiczno-mechanicznej analizy termicznej (DMTA) oraz różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Zastosowanie wielokryterialnej oceny zmiany właściwości kompozytów, spowodowanej przyspieszonym starzeniem, pozwoliło na stwierdzenie istotnych modyfikacji struktury krystalicznej osnowy polimerowej pod wpływem ekspozycji na światło UV oraz dynamicznych zmian temperatury i wilgotności powietrza. Powierzchnie starzonych próbek materiałowych obserwowano z zastosowaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)

Wpływ węglanu wapnia i jego modyfikacji na proces wytłaczania oraz wybrane właściwości użytkowe wylewanych folii polipropylenowych

The effect of unmodified and stearic acid-modified calcium carbonate (5, 10, 20 and 30 wt%) on selected properties (tensile strength, puncture resistance, haze and gloss) and processability of polypropylene films (MVR, extensional viscosity) was investigated. The composites were obtained in the twin-screw extrusion process with cold granulation, and the films in the single-screw extrusion process, using a flat die head (so-called cast films) and a chill roll type cooling and pull-back device. It has been shown that stearic acid is an effective modifier of polypropylene processing properties both under shear and tensile flow conditions (lower extensional viscosity of films containing modified calcium carbonate).Zbadano wpływ dodatku 5, 10, 20 oraz 30 % mas. niemodyfikowanego imodyfikowanego kwasem stearynowym węglanu wapnia na wybrane właściwości użytkowe (wytrzymałość na rozciąganie, odporność na przebicie, zamglenie, połysk) iprzetwórcze folii polipropylenowych (MVR, lepkość wzdłużna). Kompozyty otrzymano w procesie dwuślimakowego wytłaczania z granulacją na zimno, a folie w procesie jednoślimakowego wytłaczania, przy użyciu głowicy płaskiej (tzw. cast films) oraz urządzenia chłodząco - odciągającego typu chill roll. Wykazano, że kwas stearynowy jest efektywnym modyfikatorem właściwości przetwórczych folii polipropylenowych zarówno w warunkach przepływu ścinającego, jak i rozciągającego (mniejsza lepkość wzdłużna folii zawierających modyfikowany węglan wapnia)

The Accelerated Aging Impact on Mechanical and Thermal Properties of Polypropylene Composites with Sedimentary Rock Opoka-Hybrid Natural Filler

This paper presents the impact of accelerated aging on selected mechanical and thermal properties of isotactic polypropylene (iPP) composites filled with sedimentary hybrid natural filler-Opoka rock. The filler was used in two forms: an industrial raw material originating as a subsieve fraction natural material, and a rock calcinated at 1000 °C for production of phosphorous sorbents. Fillers were incorporated with constant amount of 5 wt % of the resulting composite, and the material was subjected to accelerated weathering tests with different exposition times. The neat polypropylene and composites with calcium carbonate as a reference filler material were used for comparison. The aim of the research was to determine the possibility of using the Opoka rock as a new hybrid filler for polypropylene, which could be an alternative to the widely used calcium carbonate and silica. The thermal, mechanical, and structural properties were evaluated by means of differential scanning calorimetry (DSC), tensile tests, scanning electron microscopy (SEM), and Fourier-transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance (FTIR/ATR) prior to and after accelerated aging. As a result, it was found that the composites of polypropylene with Opoka were characterized by similar or higher functional properties and higher resistance to photodegradation compared to composites with conventional calcium carbonate. The results of measurements of mechanical properties, structural and surface changes, and the carbonyl index as a function of accelerated aging proved that Opoka was an effective ultraviolet (UV) stabilizer, significantly exceeding the reference calcium carbonate in this respect. The new hybrid filler of natural origin in the form of Opoka can therefore be used not only as a typical powder filler, but above all as a UV blocker/stabilizer, thus extending the life of polypropylene composites, especially for outdoor applications

Mielone włókna bazaltowe jako wzmocnienie polimocznikowych kompozytowych powłok natryskowych o zwiększonej stabilności termomechanicznej i wytrzymałości mechanicznej

The novel polyurea-based (PUA) composites modified with milled basalt fibers (BMF), formed with spray coating technology were produced. The addition of 5–30 wt % of BMF into commercial two-component PUA was used as a low-cost modification which allowed to significantly improve the mechanical performance, as well as thermomechanical and thermal stability of the final products. It was found that the incorporation of 30 wt % of BMF resulted in over 30% stiffness improvement and extension using temperature of the coating above 80 °C. Moreover, an increase by 25 °C in thermal stability evaluated by thermogravimetric analysis (TGA) was achieved, without significant changes in the rheological behavior of the compositions, resulting in the presence of structural defects. Finally, an evaluation of crosslink density was conducted in order to ascertain that the applied modification of the thermoset reactive fast-curing system allows to obtain fully cured products which may be used as a spray coating for hydrotechnical objects protection.Metodą powlekania natryskowego wytworzono nowe kompozyty na bazie polimocznika (PUA) modyfikowanego mielonymi włóknami bazaltowymi (BMF). Komercyjny dwuskładnikowy PUA modyfikowano niskokosztowo za pomocą dodatku 5–30% mas. BMF, co pozwoliło na wyraźną poprawę właściwości mechanicznych, a także stabilności termomechanicznej i termicznej PUA. Stwierdzono, że wprowadzenie do polimocznika 30% mas. BMF zwiększyło o ponad 30% jego sztywność i umożliwiło rozszerzenie zakresu temperatury stosowania powłoki powyżej 80 °C. Metodą analizy termograwimetrycznej (TGA) stwierdzono wzrost stabilności termicznej o 25 °C, bez istotnych zmian w reologicznym zachowaniu kompozycji, mogących prowadzić do tworzenia się wad strukturalnych w gotowych wyrobach. Na podstawie oceny gęstości usieciowania potwierdzono, że przeprowadzona modyfikacja termoutwardzalnego reaktywnego systemu szybkiego utwardzania pozwala na uzyskanie w pełni utwardzonych produktów, które można zastosować jako powłokę natryskową do ochrony obiektów hydrotechnicznych

Nowy funkcjonalny napełniacz hybrydowy TiO2-SiO2/wielościenny oligomeryczny silseskwioksan, jako potencjalny modyfikator polietylenu

The paper presents preliminary application studies of the innovative TiO2 -SiO2 / POSS filler as a potential low-density polyethylene modifier. It was found that the addition of the filler increases the stiffness and hardness of the composite and slightly changes the intensity of its color.Przedstawiono wstępne badania aplikacyjne innowacyjnego napełniacza TiO2 -SiO2 /POSS jako potencjalnego modyfikatora polietylenu małej gęstości. stwierdzono, że dodatek napełniacza powoduje wzrost sztywności i twardości kompozytu oraz nieznacznie zmienia intensywność jego barwy

The Effect of Surface Treatment with Isocyanate and Aromatic Carbodiimide of Thermally Expanded Vermiculite Used as a Functional Filler for Polylactide-Based Composites

In this work, thermally expanded vermiculite (TE-VMT) was surface modified and used as a filler for composites with a polylactide (PLA) matrix. Modification of vermiculite was realized by simultaneous ball milling with the presence of two PLA chain extenders, aromatic carbodiimide (KI), and 4,4’-methylenebis(phenyl isocyanate) (MDI). In addition to analyzing the particle size of the filler subjected to processing, the efficiency of mechanochemical modification was evaluated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and scanning electron microscopy (SEM). The composites of PLA with three vermiculite types were prepared by melt mixing and subjected to mechanical, thermomechanical, thermal, and structural evaluation. The structure of composites containing a constant amount of the filler (20 wt%) was assessed using FTIR spectroscopy and SEM analysis supplemented by evaluating the final injection-molded samples’ physicochemical properties. Mechanical behavior of the composites was assessed by static tensile test and impact strength hardness measurements. Heat deflection temperature (HDT) test and dynamic thermomechanical analysis (DMTA) were applied to evaluate the influence of the filler addition and its functionalization on thermomechanical properties of PLA-based composites. Thermal properties were assessed by differential scanning calorimetry (DSC), pyrolysis combustion flow calorimetry (PCFC), and thermogravimetric analysis (TGA). The use of filler-reactive chain extenders (CE) made it possible to change the vermiculite structure and obtain an improvement in interfacial adhesion and more favorable filler dispersions in the matrix. This translated into an improvement in impact strength and an increase in thermo-mechanical stability and heat release capacity of composites containing modified vermiculites