Polypropylene (PP) nanocomposites incorporating nanocrystalline cellulose (NCC)

The main objective of this dissertation is to evaluate the feasibility of preparation of well dispersed polypropylene (PP)/nanocrystalline cellulose (NCC) nanocomposites by melt processing. There has been growing interest in using NCC as reinforcement in polymer systems because of its interesting properties and the abundant and renewable sources of cellulose. Preparation of polymer nanocomposites incorporating NCC has been mainly carried out using solution or water-assisted mixing. Only few attempts have been made to prepare it using melt mixing. Polypropylene (PP) is a commodity polymer with wide application in the automotive, pharmaceutical and packaging industries. In the first phase of this project, physical properties (shape, size and surface energy) of NCC are evaluated. An equation was introduced to estimate the dispersion energy of NCC in polymer matrices based on room and high temperature surface energy data. The influence of NCC surface modification on its interaction with a polar polymer (polylactic acid (PLA)) and non-polar polymer (PP) was evaluated.In the second phase of this project, the relationship between NCC agglomerate structure and its dispersion in polymer matrices is considered. The effect of various drying techniques on NCC agglomerate structure is investigated. It was found that spray drying and freeze drying of NCC aqueous suspensions result in dense and compact NCC aggregates. On the other hand, spray freeze drying of NCC aqueous suspensions could form agglomerates with more open or porous structures. The structure of the agglomerates depends on the initial concentration of the NCC aqueous suspension before spray freeze drying. In the low concentration regime (below ca. 2 wt.%), a web-like structure of inter-connected nano-scale fibers is formed. On the other hand, micron sized spherical-foam structure particles are formed at higher concentration (ca. 2 wt.% and above). The specific surface area of NCC powder produced using spray freeze drying increased by more than 30 times.Polypropylene nanocomposites containing spray dried NCC, freeze dried NCC, and spray freeze dried NCC (NCCSFD) were prepared in an internal batch mixer. Polarized light microscopy (PLM) and scanning electron microscopy (SEM) showed better dispersion of NCCSFD particles. The results of dynamic mechanical analysis (DMA) and tensile tests showed a considerable improvement in modulus and tensile strength of samples containing NCCSFD particles. Rheological measurements, including linear and non-linear viscoelastic tests, were performed on PP/NCC samples. Small amplitude oscillatory (SAOS) tests showed a large impact of NCCSFD incorporation on rheological characteristics of PP samples. Steady shear results revealed strong shear thinning and a yield stress for PP samples containing NCCSFD particles. The magnitude of yield stress and the degree of shear thinning increased with NCCSFD concentration. The effects of NCC structure (web-like and spherical-foam structure) on rheological properties were examined.Le principal objectif de cette dissertation consiste à évaluer la faisabilité de la préparation de polypropylène bien dispersé (PP) / la cellulose nanocristalline du (NCC) nanocomposites par traitement par fusion. Il ya un intérêt croissant à utiliser du (NCC) comme renforcement dans les systèmes de polymère à cause de ses propriétés intéressantes et les sources de cellulose abondante et renouvelable. La préparation de nanocomposites polymères incorporant du NCC a été principalement effectuée en utilisant une solution ou un mélange d'eau-assistée. Seulement quelques essais ont été faites à préparer en utilisant un mélange à l'état de fondre. Le polypropylène (PP) est un polymère produit à de larges applications dans l'industrie de l'automobile, produits pharmaceutiques et les industries d'emballage.Dans la première phase de ce projet, les propriétés physiques (forme, taille et d'énergie de surface) du NCC sont évaluées. Une équation a été présentée pour estimer l'énergie de la dispersion du NCC dans les matrices à base de polymère dans une la pièce et les données d'énergie de surface à haute température. L'influence de la modification de surface du NCC et son interaction avec un polymère polaire (acide polylactique (PLA)) et un polymère non polaire (PP) a été évaluée.Dans la deuxième phase de ce projet, la relation entre la structure d'agglomérat du NCC et sa dispersion dans des matrices de polymère est considérée. L'effet des diverses techniques de séchage sur la structure des agglomérats du NCC est examiné. On a constaté que séchage par pulvérisation et par lyophilisation du NCC, les suspensions aqueuses se traduisent dans les agrégats du NCC denses et compactes. D'autre part, la pulvérisation par lyophilisation des suspensions aqueuses du NCC pourrait former des agglomérats ou des structures poreuses plus ouvertes. La structure des agglomérats dépend de la concentration initiale de la suspension aqueuse du NCC avant la pulvérisation par lyophilisation. Dans le régime à faible concentration (en dessous de2%environ en poids), une structure en forme de bande de fibres interconnectée à l'échelle nanométrique est formée. D'autre part, le micron dimensionné des particules de structure sphérique est formé à une concentration plus élevée (ca. 2 wt.% et au-dessus). La surface spécifique de la poudre du NCC produite en utilisant le séchage par atomisation ou lyophilisation a progressé de plus de 30 fois. Les nanocomposites contenant du polypropylène séché par pulvérisation du NCC, et lyophilisés à froid du NCC (NCCSFD) ont été préparé dans un malaxeur discontinu interne. La microscopie en lumière polarisée (PLM) et la microscopie électronique à balayage (SEM) ont montré une meilleure dispersion des particules de NCCSFD. Les résultats de l'analyse mécanique dynamique (DMA) des tests de traction ont démontré une amélioration considérable de modules de résistance à la traction des échantillons contenant des particules de NCCSFD. Des mesures rhéologiques, y compris les tests de viscoélasticité linéaire et non linéaire, ont été effectuées sur des prélèvements des PP/NCC. De petits tests oscillatoires d'amplitude (SAOS) ont montré un impact considérable d'incorporation de NCCSFD sur les caractéristiques rhéologiques des échantillons de PP. Des résultats réguliers de cisaille ont révélé une forte fluidification par cisaillement et une limite d'élasticité pour les échantillons de PP contenant des particules de NCCSFD. La magnitude de la limite de stress et le degré de rhéofluidification a augmenté avec la concentration de NCCSFD. Les effets de la structure du NCC (sous forme de bande et la structure en mousse sphérique) sur les propriétés rhéologiques ont été examinés

Effect of Cellulose Nanocrystals (CNC) Particle Morphology on Dispersion and Rheological and Mechanical Properties of Polypropylene/CNC Nanocomposites

Polypropylene (PP) nanocomposites containing spray-dried cellulose nanocrystals (CNC), freeze-dried CNC, and spray-freeze-dried CNC (CNCSFD) were prepared via melt mixing in an internal batch mixer. Polarized light, scanning electron, and atomic force microscopy showed significantly better dispersion of CNCSFD in PP/CNC nanocomposites compared with the spray-dried and freeze-dried CNCs. Rheological measurements, including linear and nonlinear viscoelastic tests, were performed on PP/CNC samples. The microscopy results were supported by small-amplitude oscillatory shear tests, which showed substantial rises in the magnitudes of key rheological parameters of PP samples containing CNCSFD. Steady-shear results revealed a strong shear thinning behavior of PP samples containing CNCSFD. Moreover, PP melts containing CNCSFD exhibited a yield stress. The magnitude of the yield stress and the degree of shear thinning behavior increased with CNCSFD concentration. It was found that CNCSFD agglomerates with a weblike structure were more effective in modifying the rheological properties. This effect was attributed to better dispersion of the agglomerates with the weblike structure. Dynamic mechanical analysis showed considerable improvement in the modulus of samples containing CNCSFD agglomerates. The percolation mechanical model with modified volume percolation threshold and filler network strength values and the Halpin–Kardos model were used to fit the experimental results