Thermoplastic composites with improved fiber-matrix interfacial adhesion

Abstract

This thesis investigates the use of plasma surface-treated polymers and natural fibers to develop sustainable composite materials with enhanced fiber-matrix interfacial bonding. Partially sustainable composites were made using polyethylene (PE) and banana fiber. The PE was modified using plasma treatment and compatibilizers such as maleic anhydride grafted PE (Ma-gPE) and maleic anhydride grafted plasma-treated PE (Ma-gPPE) were developed and added to the composite. Fully biodegradable composites were developed using polylactic acid (PLA) and ramie fiber, where both polymer and fiber underwent plasma or chemical treatment. Various processing methods, including compression molding, rotational molding, and injection molding, were employed to fabricate the composites. The results demonstrated that plasma treatment of polymers significantly improved fibermatrix adhesion, leading to enhanced mechanical, thermal, and morphological properties across all systems. Ma-gPPE compatibilizers notably improved the mechanical performance of PE/banana fiber composites compared to uncompatibilized and Ma-gPE-based samples. Plasma-treated PLA/ramie fiber composites exhibited superior strength, impact resistance, and ductility relative to untreated and chemically treated composites, while maintaining biodegradability. Characterization techniques confirmed the effectiveness of treatment by the formation of new chemical bonds and also improved fiber dispersion. This study confirms that plasma surface treatment is an effective and eco-friendly method to enhance fibermatrix adhesion and improve the mechanical and thermal properties of sustainable polymer composites. Additionally, when plasma-treated polymers are used to produce compatibilisers, their positive effects on composite performance are even more pronounced, demonstrating the versatility and potential of plasma treatment in developing high-performance, eco-friendly composite materials.

Předkládaná práce se zabývá využitím plazmové úpravy povrchu polymerů a přírodních vláken pro vývoj udržitelných kompozitních materiálů se zlepšenou mezifázovou adhezí na rozhraní matrice a výztuže. V prvé řadě udržitelné kompozity byly připravovány z polyethylenu (PE) a banánových vláken. Polyethylen byl modifikován plazmovou úpravou a aplikací kompatibilizátorů. Konkrétně se jednalo o polyethylen roubovaný maleinanhydridem (Ma-gPE) a plazmově upravený polyethylen roubovaný maleinanhydridem (Ma-gPPE). Zcela biologicky rozložitelný kompozit byl vyvinut z polylaktidu (PLA) a vláken z ramie. V obou případech byly jak polymerní matrice, tak výztužná vlákna podrobeny plazmové či chemické úpravě. K přípravě kompozitů byly použity různé zpracovatelské technologie, tj. lisování, rotační spékání a vstřikování. Na základě výsledků bylo zjištěno, že plazmová úprava polymerní matrice a vláken významně zlepšuje mezifázovou adhezi, což vedlo ke zlepšení mechanických vlastností, tepelných charakteristik a morfologii modifikovaných kompozitních systémů. Vazebná činidla na bázi Ma-gPPE se v kompozitech složených z PE a banánových vláken podílela na výrazném nárůstu mechanických vlastností v porovnání s nemodifikovanými vzorky a vzorky obsahujícími Ma-gPE. Plazmově upravené kompozity z PLA a vláken z ramie vykazovaly lepší pevnost, rázovou houževnatost a tažnost ve srovnání s neupravenými a chemicky modifikovanými kompozity, přičemž si zachovaly svou biodegradabilitu. Analytické metody potvrdily tvorbu silných chemických vazeb a zlepšenou disperzi vláken v matrici. Tato práce prokazuje, že plazmová úprava povrchu je účinnou a ekologicky šetrnou metodou pro zlepšení adheze na rozhraní vláknomatrice a zároveň přispívá ke zvýšení mechanických a tepelných vlastností udržitelných polymerních kompozitů. Navíc bylo zjištěno, že při výrobě a využití kompatibilizátorů z plazmově upravených polymerů jsou jejich pozitivní účinky na vlastnosti kompozitů ještě výraznější. To potvrzuje široké možnosti a vysoký aplikační potenciál plazmové modifikace při vývoji vysoce výkonných, ekologických kompozitních materiálů.