Development of new lightweight green composites reinforced with nonwoven structures of flax fibres

Abstract

Composite materials offer good mechanical performance with lower weight than classical materials, what has encouraged their use in many industry applications. Moreover, the rising awareness about environmental problems has prompted the progress towards more sustainable materials, thus encouraging the research in natural fibre reinforcements and biopolymeric matrices. This PhD thesis focuses on the development of green composites made of polyhydroxyalkanoate (PHA) matrix with a reinforcement of flax nonwoven fabrics, while considering materials and processes with low environmental impact. However, in order to achieve lighter materials with even further improved specific properties, the strategy chosen is the enhancement of weight reduction of the matrix by means of foaming processes. The approach considered in this thesis differs from the classical approaches with these materials in its use of foaming techniques to obtain a cellular structure in the matrix, This, in addition, enhances the competitiveness of these composites, since biopolymers present (nowadays) a high cost. However, the cellular structure obtained after foaming leads to a decrease in the mechanical properties. The use of fibres of high strength is a key factor for counteracting this loss. In this sense, a novel approach is given for the use of flax fibres (of high stiffness and low cost) as reinforcement, since they are used in the form of nonwoven structures. The use of natural fibres in composites has two main concerns: the fibre/matrix interaction and their sensibility to moisture absorption. This drawbacks can be reduced by using sustainable methods. On the one hand, the compatibility with the matrix can be improved by plasma techniques, which modify the roughness and chemistry of the fibre surface (without affecting the bulk properties) with a minimal use of chemicals and no need of water. On the other hand, wet/dry cycling treatments with water are an interesting option to increase fibre stability against water absorption and dimensional changes without the need of chemicals. The effectiveness of these sustainable treatments applied to the nonwoven is evaluated by means of hydrothermal aging and mechanical characterisation on solid PHA/flax composites. The matrix foamability is evaluated by means of extrusion foaming, considering two main strategies for improving this process: the use of chain extenders and cooling by means of a water quenching. Finally, the most challenging novelty (given the limitations imposed by both the reinforcement structures and the matrix foamability) is the achievement of the cellular composites reinforced with the optimized flax fabrics. A gas dissolution batch foaming from solid precursors is used for such a production. This strategy is evaluated and optimised to this purpose, leading to cellular composite materials with good specific properties and reduced density. The combination of properties of both components leads to a biodegradable, stiff and lightweight material that present good regularity in the foaming process, which prompts a possible replacement for other less sustainable materials in automotive, construction or other applications. Due to the aforementioned, this thesis presents the development of a challenging new approach for lightweight green composites from a multidisciplinary point of view.

Los materiales compuestos ofrecen buenas prestaciones mecánicas con un menor peso que los materiales convencionales, lo que ha extendido su uso a múltiples sectores. Además, el creciente interés sobre los problemas ambientales ha impulsado la evolución hacia materiales más sostenibles, lo que ha potenciado la investigación en refuerzos de fibras naturales y en matrices de biopolímero. Esta tesis se centra en el desarrollo de materiales compuestos sostenibles de polihidroxialcanoato (PHA) y refuerzo de telas no-tejidas de lino, teniendo en cuenta materiales y procesos de bajo impacto ambiental. Sin embargo, con el objetivo de conseguir componentes cada vez más ligeros y con aún mejores propiedades específicas, se emplea la estrategia de reducir el peso de la matriz mediante técnicas de espumado. El hecho de emplear técnicas de espumado para obtener estructuras celulares en la matriz es el valor añadido que diferencia el resultado de los que pueden obtenerse con las técnicas clásicas, y además conlleva un aumento de la competitividad de estos compuestos, puesto que los biopolímeros presentan (actualmente) un mayor coste económico. Sin embargo, la formación de una estructura celular por efecto del espumado lleva a la reducción de las propiedades mecánicas. Esto puede ser contrarrestado mediante el uso de fibras de alta resistencia. En este sentido, el uso de fibras de lino (de alta rigidez y bajo coste) en la forma de estructuras no-tejidas supone también un acercamiento novedoso. El uso de fibras naturales en materiales compuestos presenta dos problemáticas: la interacción fibra/matriz y la sensibilidad frente a la absorción de humedad. Estos inconvenientes pueden minimizarse mediante el uso de métodos sostenibles. En este sentido, la compatibilidad con la matriz puede mejorarse mediante técnicas de plasma que modifican la rugosidad y química superficiales de las fibras (sin afectar sus propiedades generales) con un mínimo uso de productos químicos y sin necesidad de agua. Por otra parte, los tratamientos de ciclado seco/húmedo en agua son una interesante opción para incrementar la estabilidad de las fibras frente a la absorción de agua y los cambios dimensionales sin la necesidad de productos químicos. La efectividad de estos tratamientos ecológicos aplicados al no-tejido se evalúa mediante caracterización mecánica y envejecimiento hidrotérmico en compuestos sólidos de PHA/lino. Por otro lado, la espumabilidad de la matriz se evalúa durante un espumado por extrusión considerando dos estrategias para su mejora: el uso de aditivos para la extensión de cadenas y un enfriamiento rápido en agua. Finalmente, la novedad que presenta un mayor reto (consideradas las limitaciones impuestas tanto por las estructuras de refuerzo como por la espumabilidad de la matriz) es conseguir materiales compuestos celulares reforzados con estructuras optimizadas de lino. Para tal propósito, se evalúa y optimiza un proceso de espumado por disolución de gas por lotes a partir de precursores sólidos. Esta estrategia permite la obtención de materiales compuestos celulares con una reducción de densidad y buenas propiedades específicas. La combinación de propiedades de ambos componentes lleva a la obtención de materiales biodegradables, rígidos y ligeros que presentan buena regularidad en el proceso de espumado, lo que plantea una posible solución para el reemplazo de otros materiales menos sostenibles en automoción, construcción u otras aplicaciones. Por todo esto, en esta tesis se presenta el desarrollo, desde un punto de vista multidisciplinar, de un nuevo método para la obtención de compuestos sostenibles y ligeros.