Influence of the bifunctional triethoxy-vinyl polydimethylsiloxane (PDMS) coupling mechanisms on the wood flour and polypropylene matrices to enhance the properties of wood plastic composites (WPC)

Baharum, Azizah Binti

The studies in this doctoral thesis concentrate on enhancing of WPC performance characteristics with a special bifunctional polydimethylsiloxane (PDMS) coupling agent containing groups of triethoxy and vinyl. Composites manufactured from 70% wood flour and 30% polypropylene (WF/PP 70/30) were investigated to see the influence of this special coupling agent on the WPC performance characteristics. In the first step, wood flour was treated with PDMS using impregnation procedure. Composites were prepared by compounding treated or untreated WF and PP in a lab scale twin screw compounder. Flexural strength test, impact test, moisture and water absorption analysis, morphology and microstructure investigation, Fourier transform infrared analysis and dynamic mechanical analysis were done to determine the properties of WPCs produced with and without PDMS. Also, dicumylperoxide (DCP) was used as the radical initiator for the bonding reaction of the vinyl groups with PP. As a result of these investigations it was found that the optimum amount of coupling agent for 70/30 WF/PP is about 1.75 % PDMS and 0.1% DCP. PDMS with very high molecular weight gave composites with better mechanical properties compared to composites treated with PDMS with lower molecular weights. Also, a better interphase bonding between wood and PP was detected when both vinyl and triethoxy groups were available compared to single functionality PDMS. Covalent bonding was proposed between coupling agent-wood interface through triethoxy reaction with OH-groups of wood during treatment as well as coupling with PP interface through the reaction of the vinyl group initiated by DCP during compounding. These additional bridges between the interfaces of wood and PP could be indirectly indicated by improvements of mechanical properties of WPC but were below the detection limit of the available analytical procedures. The performance of this special PDMS treated WPC was also proven to be comparable with the performance of commercially available MAPP treated composite.

Die Arbeiten dieser Doktorarbeit konzentrieren sich auf die Verbesserung der Eigenschaften von WPC durch Einsatz von Polydimethylsiloxan (PDMS) mit den funktionellen Triethoxy- und Vinyl-Gruppen als Haftvermittler. Die Untersuchungen erfolgten mit einem Komposit bestehend aus 70% Holzmehl und 30% Polypropylen (WF/PP 70/30). Es wurde der Einfluss dieses Kopplungsmittels auf die Eigenschaften des WPC ermittelt. Das Holzmehl wurde im Imprägnierungsverfahren zunächst mit PDMS vorbehandelt. Die Komposite wurden dann in einem Labor-Doppelschneckenextruder sowohl aus unbehandeltem als auch aus behandeltem Holzmehl und Polypropylen durch Kompoundierung erzeugt und danach zu WPC-Platten gepresst. An diesem Material wurden Biege- und Schlagfestigkeitstest, Feuchtigkeits- und Wasserabsorptions-Analyse sowie Untersuchung der Mikrostruktur, FTIR und DMA durchgeführt. Auch wurde der Einfluss von Dicumylperoxid (DCP) als Radikalstarter für die Bindungsreaktion der Vinylgruppe mit PP untersucht. Es wurde nachgewiesen, dass für 70/30 WF/PP die optimalen Mengen des Kopplungsmittels 1,75 % und des DCP 0,1 % betragen. Mit bifunktionalem und hochmolekularem PDMS erzeugte Kompositen zeigten deutlich bessere mechanische Eigenschaften als die Komposite erzeugt mit niedermolekularem PDMS bzw. mit monofunktionalem PDMS. Dieser Befund lässt sich durch eine bessere Interphasenbindung zwischen Holz und PP erklären, insbesondere dann wenn an der PDMS-Polymerkette die chemischen Funktionen der Vinyl- und Triethoxygruppen zur Verfügung standen. Kovalente Bindungen mit den Holzoberflächen sind möglich durch Reaktion der Triethoxygruppe mit den OH-Gruppen des Holzes. Das Kopplungsmittel kann auch mit der Oberfläche des PP reagieren, wenn die Vinylgruppen vom DCP während der Kompoundierung aktiviert werden. Dieser Reaktionsablauf wurde postuliert, lag aber unterhalb der Erfassungsgrenze gängiger Analyseverfahren und zeigte sich nur indirekt in der deutlich Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Es wurde zudem nachgewiesen, dass die Eigenschaften der mit dem PDMS behandelten WPC vergleichbar sind wie die von WPC, die mit dem kommerziellen Haftvermittler Maleinsäureanhydrid MAPP hergestellt werden.

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Baharum, Azizah Binti: Influence of the bifunctional triethoxy-vinyl polydimethylsiloxane (PDMS) coupling mechanisms on the wood flour and polypropylene matrices to enhance the properties of wood plastic composites (WPC). 2012.

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