Biochar/polyurethane composites:mechanical and electrical properties

Abstract. As non-renewable resources are being depleted, legislative regulations are tightening and environmental awareness is increasing, the interest in using more environment-friendly materials is growing. In particular, there is higher demand for alternative options to petroleum-based materials, such as polymers and composites. However, in order to replace these materials with bio-based options, their quality should be the same as or better than petroleum-based materials. It is known that the properties of bio-based materials and additives are highly affected by the feedstock and its processing conditions. Biochar is a viable option for use as an additive in polymers to create electrically conductive polymer composites. For example, there is interest in developing conductive polyurethane composites to be used as an abrasion-resistant material in industry. The use of biochar would also decrease the amounts of petroleum-based additives used in the field. Moreover, the raw material options for biochar are abundant. The main objective of this study was to study whether it is possible to prepare electrically conductive composite materials by incorporating biochar (BC) in polyurethane (PU). Another aim was to study how the addition of biochar would affect the wear and hardness properties of polyurethane. For the first part of the thesis, a literature survey was conducted focusing on electrically conductive polyurethane composites and the type of additives used in them. The focus was to gather information about the carbon and biochar additives used and their properties. In the experimental part, biochar based on different wood species was ground to smaller particle sizes (300–700 nm), and these biochar powders were mixed with polyurethane and then cast into sheets for further characterization. The dielectric, wear, and hardness properties of the prepared PU/BC composites were studied as well as the dispersion of the biochar in the polyurethane matrix and the interface between the biochar and PU. The results show that PU-BC composites have good wear properties and hardness values, which were only slightly lower than those of neat PU. However, electrical percolation was not achieved even with the highest amounts of BC. Biochar had the greatest effect on the electrical properties as it was found to be non-conductive due to the low pyrolysis temperature as well as the high void content in the composites. The results show that biochar should be of higher quality to be able to conduct electrical current. Nevertheless, good adhesion between additive and matrix was achieved in the composites according to microscopy images. In future work, more focus should be placed on improving the electrical conductivity of biochar in order to achieve composites suitable for electrical applications.Polyuretaani/biohiili komposiitien mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet. Tiivistelmä. Rajalliset luonnonvarat, tiukentuvat lainsäädännöt sekä ympäristötietoisuuden lisääntyminen lisäävät kiinnostusta ympäristöystävällisten materiaalien käytöstä. Erityisesti vaihtoehtoja muovin ja komposiittien valmistuksessa käytetylle raakaöljylle etsitään kovasti. Mikäli raakaöljy halutaan korvata biopohjaisella raaka-aineella, tulee sen täyttää vaaditut ominaisuudet. On yleisesti tiedossa, että biopohjaisiin materiaaleihin ja lisäaineiden ominaisuuksiin vaikuttaa suuresti raaka-aineet ja prosessointi olosuhteet. Yksi mahdollinen vaihtoehto, jossa biopohjaisia täyteaineita voitaisiin käyttää, ovat sähköä johtavat biohiilikomposiitit. Sähköä johtavia polyuretaanikomposiitteja voidaan käyttää esimerkiksi sellaisissa teollisuuden käyttötarkoituksissa, jossa vaaditaan kulutuksenkestävyyttä. Tämä auttaisi vähentämään raakaöljypohjaisten täyteaineiden käyttöä tällä alalla. Biohiilen raaka-ainetta on yleisesti hyvin saatavilla joka puolella maailmaa. Tämän työn päätavoitteena oli tutkia voiko polyuretaanista ja biohiilestä valmistaa sähköä johtavia komposiitteja. Toinen työn tavoite oli tutkia kuinka biohiili vaikuttaa polyuretaanin kulutuksen kestoon ja kovuuteen. Ensimmäinen osio tässä työssä on kirjallisuuskatsaus, jossa keskitytiin sähköä johtaviin komposiitteihin, sekä niissä käytettyihin täyteaineisiin. Kirjallisuusosiossa keskityttiin keräämään tietoa käytössä olevista hiili, ja biohiili täyteainesta sekä niiden ominaisuuksista. Työn kokeellisessa osiossa eri puulajeista valmistetut biohiilet jauhettiin 300–700nm partikkelikokoon, sekoitettiin polyuretaaniin ja valettiin polyuretaani-biohiilikomposiitti levyiksi. Valmistettujen komposiittien kulutuksen kestoa ja kovuutta, kuten myös sähköisiä ominaisuuksia tutkittiin mittaamalla dielektrisiä ominaisuuksia komposiiteista. Koska hyvän dispersion saaminen komposiittien valmistuksessa on haastavaa, tutkittiin komposiittien mikrorakennetta ja polyuretaanin/biohiilen vuorovaikutusta kenttäemissiopyyhkäisy-elektronimikroskoopilla. Tulokset osoittavat, että tehdyillä polyuretaani/biohiili komposiiteilla on hyvät kulutuksenkesto ja kovuus ominaisuudet, nämä ominaisuudet huononivat vain hieman alkuperäisistä arvoista, mutta sähköistä perkolaatiota ei saavutettu edes korkeimmilla biohiilipitoisuuksilla (15 m%). Syynä huonoihin elektronisiin ominaisuuksiin on huonolaatuinen, sähköä johtamaton biohiili ja suuri huokoisuus. Nämä ominaisuudet johtuvat biohiilen valmistuksessa käytetystä lämpötilasta. Mikroskooppikuvat komposiittien rakenteesta osoittavat, että polyuretaanin ja biohiilen adheesio on hyvä mutta kaikissa komposiiteissa on suuri huokoisuus, joka vaikuttaa komposiittien ominaisuuksiin negatiivisesti. Tulevissa tutkimuksissa tulisi keskittyä biohiilen sähköisten ominaisuuksien parantamiseen sekä huokoisuuden estämiseen