ХІМІЯ, ФІЗИКА ТА ТЕХНОЛОГІЯ ПОВЕРХНІ

ISSN 2518-1238 (Online), ISSN 2079-1704 (Print)

За останні два десятиріччя спостерігаємо інтенсивне зростання кількості публікацій, присвячених рослинним волокнам як підсилювачам полімерних матриць. З урахуванням екологічних проблем природні волокна розглядають як привабливі альтернативи синтетичним. На відміну від конопляного волокна, яке часто використовують для цих потреб, його побічний продукт під назвою конопляна костриця (КК) ще не привернув достатньо уваги науковців у цій галузі. Проте завдяки низці унікальних властивостей КК також може бути перспективним наповнювачем. Застосування КК в композитах додатково сприяло би її раціональній утилізації. Однак, до особливостей лігноцелюлозних наповнювачів належить і їхня гідрофільність, яку необхідно знизити, щоб забезпечити міцну міжфазову взаємодію з матрицею та задовільну довговічність виготовлених композитів. У роботі з цією метою використали мерсеризацію (лужну обробку) та/або подальшу модифікацію епоксидованою соєвою олією (ЕСО) або 3-аміно-пропілтриетоксисиланом (АПС). Si-вмісну епоксиуретанову полімерну матрицю синтезували з натрій силікату, поліізоціанату та ЕСО як епоксидної складової. Було виготовлено чотири серії формованих зразків з високим вмістом рослинного наповнювача (60 мас. %). Результати вимірювання кутів змочування та водопоглинання показали, що усі використані типи обробки зумовили гідрофобізацію поверхні. Так, значення кутів змочування композитів з модифікованою КК перевищили 90 °, а їхня поверхнева енергія була нижчою, ніж для вихідних зразків. Незважаючи на досить високу полярність композитів з силанізованою КК внаслідок наявності аміно- та силанольних груп, утворення ковалентних зв’зків між наповнювачем та аміносилановим сполучним аґентом АПС виявилося ключовим для таких характеристик як водостійкість і механічна міцність. Зокрема, рівноважний вміст вологи зменшився на 31 % порівняно з таким для зразків з немодифікованою КК, а міцність на розрив і на вигин поліпшилися на 19 і 65 %, відповідно. Найвища мікробна стабільність зразків з наповнювачем, обробленим силаном, визначена під час тесту при закопуванні в ґрунт, є ще одним доказом поліпшеної міжфазової адгезії в цьому випадку.

1. Malkapuram R., Kumar V., Negi Y.S. Recent development in natural fiber reinforced polypropylene composites. J. Reinf. Plast. Compos. 2009. 28(10): 1169. https://doi.org/10.1177/0731684407087759

2. Brosius D. Natural fiber composites slowly take root. Compos. Technol. 2006. 12(1): 32.

3. Begum K., Islam M.A. Natural fiber as a substitute to synthetic fiber in polymer composites: a review. Res. J. Eng. Sci. 2013. 2(4): 46.

4. Dittenber D.B., GangaRao H.V.S. Critical review of recent publications on use of natural composites in infrastructure. Composites, Part A. 2012. 43(8): 1419. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2011.11.019

5. Lu N., Oza S., Tajabadi M.G. Surface modification of natural fibers for reinforcement in polymeric composites. In: Surface Modification of Biopolymers. (New York: Wiley, 2015). https://doi.org/10.1002/9781119044901.ch9

6. Chen T., Wu Y., Qiu J., Fei M., Qiu R., Liu W. Interfacial compatibilization via in-situ polymerization of epoxidized soybean oil for bamboo fibers reinforced poly(lactic acid) biocomposites. Composites, Part A. 2020. 138: 106066. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106066

7. Le Moigne N., Otazaghine B., Corn S., Angellier-Coussy H., Bergeret A. Modification of the interface/interphase in natural fibre reinforced composites: Treatments and processes. In: Surfaces and Interfaces in Natural Fibre Reinforced Composites: Fundamentals, Modifications and Characterization. (Cham: Springer Cham, 2018). https://doi.org/10.1007/978-3-319-71410-3

8. Stevulova N., Estokova A., Cigasova J., Schwarzova I., Kacik F., Geffert A. Thermal degradation of natural and treated hemp hurds under air and nitrogen atmosphere. J. Therm. Anal. Calorim. 2017. 128: 1649. https://doi.org/10.1007/s10973-016-6044-z

9. Członka S., Strakowska A., Kairyte A. The impact of hemp shives impregnated with selected plant oils on mechanical, thermal, and insulating properties of polyurethane composite foams. Materials. 2020. 13(21): 4709. https://doi.org/10.3390/ma13214709

10. Stevulova N., Cigasova J., Schwarzova I., Sicakova A., Junak J. Sustainable bio-aggregate-based composites containing hemp hurds and alternative binder. Buildings. 2018. 8(2): 25. https://doi.org/10.3390/buildings8020025

11. Balčiūnas G., Vėjelis S., Vaitkus S., Kairytė A. Physical properties and structure of composite made by using hemp hurds and different binding materials. Procedia Eng. 2013. 57: 159. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.04.023

12. Li X., Xiao R., Morrell J.J., Zhou X., Du G. Improving the performance of hemp hurd/polypropylene composites using pectinase pre-treatments. Ind. Crops. Prod. 2017. 97: 465. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.12.061

13. Zhang Y., Remadevi R., Hinestroza J.P., Wang X., Naebe M. Transparent ultraviolet (UV)-shielding films made from waste hemp hurd and polyvinyl alcohol (PVA). Polymers. 2020. 12(1190): 2. https://doi.org/10.3390/polym12051190

14. Cuinat-Guerraz N., Dumont M.-J., Hubert P. Environmental resistance of flax/bio-based epoxy and flax/polyurethane composites manufactured by resin transfer moulding. Composites, Part A. 2016. 88: 140. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.05.018

15. Samoilenko T., Yashchenko L., Yarova N., Brovko O.O. Epoxyurethane polymer matrices for hemp woody core reinforced biocomposites synthesized with the use of plant-originated oils. Iran. Polym. J. 2023. 32: 403. https://doi.org/10.1007/s13726-022-01136-7

16. Samoilenko T., Yashchenko L., Yarova N., Brovko O. Impact of hemp woody core surface chemical modification on wettability of epoxyurethane composites. Compos. Interfaces. 2023. 30(12): 1429. https://doi.org/10.1080/09276440.2023.2229585

17. Samoilenko T.F., Yashchenko L.M., Yarova N.V., Leta O.O., Brovko O.O. Mechanical, thermooxidative and biodegradable properties of composites from epoxyurethanes and chemically modified hemp woody core. Him. Fiz. Tehnol. Poverhni. 2024. 15(1): 67. https://doi.org/10.15407/hftp15.01.067

18. Stalder A.F., Kulik G., Sage D., Barbieri L. Hoffmann P. A snake-based approach to accurate determination of both contact points and contact angles. Colloid. Surface A. 2006. 286(1-3): 92. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2006.03.008

19. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers. J. Appl. Polym. Sci. 1969. 13(8): 1741. https://doi.org/10.1002/app.1969.070130815

20. Heng J.Y.Y., Pearse D.F., Thielmann F., Lampke T., Bismarck A. Methods to determine surface energies of natural fibres: a review. Compos. Interfaces. 2007. 14(7-9): 581. https://doi.org/10.1163/156855407782106492

21. Panthapulakkal S., Sain M. Studies on the water absorption properties of short hemp-glass fiber hybrid polypropylene composites. J. Compos. Mater. 2007. 41(15): 1871. https://doi.org/10.1177/0021998307069900

22. Manaila E., Craciun G., Ighigeanu D. Water absorption kinetics in natural rubber composites reinforced with natural fibers processed by electron beam irradiation. Polymers. 2020. 12(11): 2437. https://doi.org/10.3390/polym12112437

23. Stevulova N., Cigasova J., Purcz P., Schwarzova I., Kacik F., Geffert A. Water absorption behavior of hemp hurds composites. Materials. 2015. 8(5): 2243. https://doi.org/10.3390/ma8052243

24. Abdelmouleh M., Boufi S., Belgacem M.N., Duarte A.P., Ben Salah A., Gandini A. Modification of cellulosic fibres with functionalised silanes: development of surface properties. Int. J. Adhes. Adhes. 2004. 24(1): 43. https://doi.org/10.1016/S0143-7496(03)00099-X

25. Oushabi A., Hassani F.O., Abboud Y., Sair S., Tanane O., El Bouari A. Improvement of the interface bonding between date palm fibers and polymeric matrices using alkali-silane treatments. Int. J. Ind. Chem. 2018. 9: 335. https://doi.org/10.1007/s40090-018-0162-3

26. Bisanda E.T.N., Ansell M.P. The effect of silane treatment on the mechanical and physical properties of sisal-epoxy composites. Compos. Sci. Technol. 1991. 41(2): 165. https://doi.org/10.1016/0266-3538(91)90026-L

27. Karthika M., Shaji N., Johnson A., Santhosh N.M., Gopakumar D.A., Thomas S. Biodegradation of composite materials. In: Bio monomers for green polymeric composite materials. (NY: John Wiley & Sons, Ltd., 2019). https://doi.org/10.1002/9781119301714.ch7

28. Batista K.C., Silva D.A.K., Coelho L.A.F., Pezzin S.H., Pezzin A.P.T. Soil biodegradation of PHBV/peach palm particles biocomposites. J. Polym. Environ. 2010. 18: 346. https://doi.org/10.1007/s10924-010-0238-4

29. Pang A.L., Arsad A., Ahmadipour M., Ismail H., Bakar A.A. Effect of soil burial on silane treated and untreated kenaf fiber filled linear low-density polyethylene/polyvinyl alcohol composites. BioResources. 2020. 15(4): 8648. https://doi.org/10.15376/biores.15.4.8648-8661

30. Rajesh G., Prasad A.V.R., Gupta A.V.S.S.K.S. Mechanical and degradation properties of successive alkali treated completely biodegradable sisal fiber reinforced poly lactic acid composites. J. Reinf. Plast. Compos. 2015. 34(12): 951. https://doi.org/10.1177/0731684415584784

31. Jacob M., Thomas S., Varughese K.T. Biodegradability and aging studies of hybrid biofiber reinforced natural rubber biocomposites. J. Biobased Mater. Bioenergy. 2007. 1(1): 118. https://doi.org/10.1166/jbmb.2007.013