Stabilità dimensionale e proprietà meccaniche degli estrusi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10545 (2022) Citare questo articolo

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Particelle di legno e materiali di polietilene (PE) con dimensioni di 250 µm sono stati miscelati con proporzioni di miscelazione di 60/40, 70/30 e 80/20 (con un aumento del polimero per diminuire il contenuto di legno) ed estrusi utilizzando un estrusore a vite singola a un intervallo di temperatura di 110–135 °C. Le particelle di Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni e Nauclea diderichii con polietilene riciclato sono state mescolate e compresse a 175 N/mm per produrre compositi biopolimerici. I compositi biopolimerici sono stati sottoposti a test di stabilità dimensionale a 24 ore con il metodo di immersione in acqua ed è stata studiata la capacità di sopportare la capacità portante. Il risultato dei risultati mostra che i compositi biopolimerici estrusi-compressivi avevano valori compresi tra 0,06–1,43 g/cm3, 0,38–3,41% e 0,82–6,85% per la densità osservata, l'assorbimento d'acqua e il rigonfiamento dello spessore a 24 ore di immersione in acqua test. I valori delle proprietà meccaniche variavano da 0,28 Nmm−2–21,35 Nmm−2 e 0,44–550,06 Nmm−2 per modulo di flessione e resistenza; e 191,43 Nmm−2–1857,24 Nmm−2 e 0,35 Nmm−2–243,75 Nmm−2 rispettivamente per modulo di trazione e resistenza. È stato osservato che l'assorbimento di umidità e la resistenza mostrata dai compositi variano di conseguenza nei valori ottenuti per le specie legnose a diverse proporzioni di miscelazione. Come osservato, maggiore è la quantità di polietilene mescolata al legno, migliore è la sua stabilità dimensionale e le proprietà di flessione e trazione. Le particelle di legno di Cordia milleni composte in una proporzione da 60 a 40 (polietilene/legno) hanno ottenuto i migliori risultati in termini di stabilità dimensionale e capacità portante. Questo studio ha confermato l’effetto dei metodi sulle specie legnose e sul PE riciclato per la produzione di compositi a base di polimeri di legno per applicazioni sia interne che esterne.

Dall'inizio del XX secolo il settore dei polimeri è in espansione; vari produttori di resina e aziende chimiche in tutto il mondo contribuiscono principalmente al volume di prodotti in plastica prodotti ogni anno, che supera i 200 milioni di tonnellate1,2. Ciò consente all’industria della lavorazione dei polimeri in tutto il mondo di espandersi da decine di migliaia di piccole e medie imprese. La maggior parte dei produttori di polimeri utilizza macchine diverse per il funzionamento; la maggior parte utilizza estrusori e macchine per lo stampaggio a iniezione. La prima operazione di produzione del polimero avviene attraverso lo stampo di pellettizzazione mentre la seconda è per la modellatura finale (Vlachopoulos e Wagner, 2001). Le due operazioni prevedono il riscaldamento e la fusione del polimero, pompando il polimero fuso nell'unità di formatura per formare la forma e le dimensioni richieste, dopo il raffreddamento per solidificarsi. La composizione del polimero e di altre particelle come il legno viene generalmente eseguita utilizzando estrusori a vite sotto calore e pressione specifici. Il materiale composito può essere pressato o modellato in un prodotto finale o formato in pellet per l'ulteriore lavorazione in una macchina per lo stampaggio a iniezione. I prodotti polimerici possono essere fabbricati mediante estrusione di lastre o profili, stampaggio a iniezione, calandratura, termoformatura o stampaggio a compressione4.

I prodotti polimerici hanno proprietà uniche che includono facilità di fabbricazione, bassa densità, resistenza alla corrosione, isolamento elettrico e termico e spesso rigidità e tenacità favorevoli per unità di peso3. Grazie a queste proprietà dimostrate, l’industria dei polimeri ha continuato a crescere nei paesi in via di sviluppo dove le loro esigenze in termini di trasporti, imballaggi alimentari, alloggi ed elettrodomestici sono di primaria importanza. L'interesse nell'aggiungere fibra di legno come rinforzo al polimero è cresciuto nel corso degli anni grazie alle eccezionali proprietà e prestazioni dei prodotti5. È noto che il composito di polimeri di legno è un bioprodotto alternativo ai pannelli truciolari con incollaggio organico con caratteristiche migliorate per adattarsi a diverse applicazioni4. La combinazione di legno e polimero ha mostrato prodotti meccanicamente migliori rispetto ad altri prodotti in pannelli a base di legno e prodotti in plastica6. L’estrusione diretta è la tecnica più comune utilizzata nella produzione di compositi biopolimerici. Questa tecnica consente alle materie prime di essere mescolate allo stato fuso ed estruse in un profilo continuo forzando il materiale fuso attraverso lo stampo nella stessa fase del processo7. La tecnica di estrusione indiretta può essere di profili o di materiali in fogli per la produzione di stampaggio a compressione. Questo studio adotta entrambe le tecniche per la produzione di biopolimero da specie legnose selezionate coltivate in Nigeria; lo scopo era studiare il loro effetto su proprietà specifiche come la stabilità meccanica e dimensionale del prodotto. Sono state studiate molte particelle di specie legnose provenienti da regioni temperate e tropicali. Specie come il pino, l'acero e la quercia sono comunemente utilizzate per la produzione di prodotti commerciali compositi legno-plastica nella regione temperata8. Precedenti ricerche hanno dimostrato che le specie legnose influenzano le proprietà meccaniche dei WPC, con le particelle di legno duro che superano le farine di legno tenero in termini di proprietà di trazione e temperatura di deflessione del calore5,9. La maggior parte dei produttori di compositi legno-plastica si trovano nei paesi sviluppati del mondo con tecnologie migliorate e avanzate, poiché la tecnologia sta migliorando e anche la domanda di marketing è in crescita. Poiché l'industria è in crescita nei paesi sviluppati, i paesi in via di sviluppo hanno ancora difficoltà ad allinearsi alle tecnologie nonostante l'enorme produzione di rifiuti di legno provenienti dalle numerose industrie del legno10,11. I rifiuti di legno generati dalle industrie del legno potrebbero essere destinati ad un importante uso industriale per la produzione di WPC piuttosto che essere utilizzati in discarica o bruciati12. Si registra un graduale aumento del trend di ricerca sui WPC in Nigeria con l'utilizzo di diversi leganti plastici e specie legnose in fase di valutazione. È stato studiato anche l'effetto di alcune specie di legno tropicale sulle proprietà di resistenza dei WPC13,14. Ha studiato la possibilità e il potenziale delle specie di legno tropicale e dei residui agricoli per la produzione di WPC in Nigeria, utilizzando un estrusore a vite e una pressa a caldo per compounding fabbricata manualmente. Vale la pena notare che specie di legno duro coltivate in Nigeria come Ceiba pentandra, Triplochiton scleroxylon, Entandrophragma cylindricum, Cordia alliodora, Funtumia Elastica, Brachystegia Kennedy, khaya ivorensis, Tectona grandis, Terminalia Superba e Milicia excelsa sono state utilizzate per produrre WPC senza agenti di accoppiamento utilizzando un estrusore monovite e/o stampato a compressione5,15,16,17,18. Questi studi hanno rivelato prodotti con resistenza migliorata e proprietà di basso assorbimento che possono essere utilizzati per applicazioni interne a basso stress17. Tutte queste specie di legno si trovano regolarmente nel processo quotidiano di conversione del legno nelle industrie nigeriane di lavorazione del legno per scopi strutturali. Recentemente, con la crescita della ricerca sui WPC, è necessario studiare anche un numero sempre maggiore di specie legnose coltivate in Nigeria. Tra le specie legnose precedentemente indagate figurano Gmelina Arborea e Tectona grandis che rientra nei pesi specifici di 0,42–0,64 e 0,61–0,73. queste specie di legno sono comuni alle segherie nigeriane a causa dell'elevata domanda di mercato per l'esportazione, la specie di legno è utile per la fabbricazione della carta, lo stampaggio di mobili, la lavorazione del legno per interni, la costruzione navale e il compensato, il legno per pali, i pannelli truciolari, l'impiallacciatura e alcuni altri elementi strutturali19,20. Queste specie legnose vengono utilizzate in questo studio per confrontarle con nuove specie come Cordia milleni e Nauclea diderichii che devono ancora essere studiate. Queste specie legnose sono legno forestale semideciduo con densità specifica di 0,41–0,50 e 0,56–0,63 per Cordia milleni e Nauclea diderichii. Entrambe le specie legnose risultano avere peso specifico inferiore rispetto a Gmelina Arborea e Tectona grandis, hanno anche buone caratteristiche che le hanno rese utili per l'edilizia generale e per i prodotti in pannelli a base di legno; nello specifico la Nauclea diderichii si è rivelata molto utile per usi esterni come traversine ferroviarie, costruzioni pesanti, opere idrauliche a contatto con acqua dolce o marina21,22. Si prevede che l’uso di particelle di legno nell’industria della plastica aumenterà poiché la domanda di prodotti WPC nel settore edile sta gradualmente crescendo per coperture, tegole e telai di finestre5,23. Le applicazioni commerciali dei WPC sono molto elevate per coperture e rivestimenti, il che sembra essere la prova del futuro sviluppo economico e della crescita per i paesi sviluppati4,24. I WPC stanno gradualmente estendendo la loro popolarità ai paesi in via di sviluppo come la Nigeria e la necessità di una commercializzazione mirata per migliorare le applicazioni strutturali nei paesi in via di sviluppo richiede un'intensa ricerca sia sui materiali che sulla tecnologia.