Polyethylene-Based Composite Fibers In Situ Reinforced with Poly(lactic acid) and Recycled Poly(ethylene terephthalate) Microfibrils

Abstract

In this work, polyethylene (PE)-based composite fibers reinforced by polylactic acid (PLA), recycled polyethylene terephthalate (rPET) and liquid crystalline polymer (LCP) compatibilized with polyethylene-grafted-maleic anhydride (PE-g-MA) were prepared using extrusion and hot drawing process. The rheology, morphology, thermal stability and tensile properties of the composites were investigated. All polymers exhibited non-Newtonian behavior except PLA and rPET. The results of viscosity ratios of PE/PLA and PE/rPET systems suggested the fibrillation ability of PLA and rPET. The larger droplet size of PLA domains was observed in as-extruded strands. The fibrillation of PLA was observed in the as-spun sample whereas rPET appeared as droplets. However, fibrillation of PLA and rPET domains was obviously observed for the composite fibers. The droplet size of PLA and rPET were smaller than those of LCP in as-extruded strands. Thermal stability of the composites seemed to progressively decrease with PLA loading both in nitrogen and in air atmospheres. The addition of rPET or LCP into PE/PLA clearly improved the thermal stability of the composite. The reinforcing performance of the composite fibers was remarkably improved with PLA loading and further improvement in reinforcing performance was observed with addition of PLA and rPET. The tensile strength of PE-10PLA or PE-10PLA-10rPET composite fiber was ~ 600 times higher than that of its corresponding as-spun sample. Moreover, the tensile properties of the fiber were also depended on draw ratios and contents of dispersed phases. It was found that PE-10PLA-10rPET or PE-10PLA-10LCP fibers showed better improved reinforcing performance compared with PE-10PLA. For the present work, the addition of PE-g-MA compatibilizer has a little effect on the tensile properties of the composites. All obtained results suggested the high potential of rPET minor blend component as a good reinforcing for PE/PLA composite fibers, in replacing the more expensive LCP. The high performance composite fibers prepared in the present work has a high potential for load bearing application.

งานวิจัยนี้เป็นการเตรียมเส้นใยเชิงประกอบพอลิเอทิลีนที่มีการเสริมแรงด้วยกรดพอลิแลกติก (PLA) พอลิเอทิลีนที่ผ่านกระบวนการนำกลับมาใช้ใหม่ (rPET) และพอลิเมอร์ผลึกเหลว (LCP) โดยมีการเติมสารเสริมสาพเข้ากันได้คือ พอลิเอทิลีนกราฟท์มาเลอิก แอนไฮไดรด์ (PE-g-MA) ซึ่งเตรียมวัสดุเชิงประกอบด้วยกระบวนการอัดรีดและดึงเส้นใยขณะร้อน ได้ทำการศึกษาวิทยากระแส สัณฐานวิทยา เสถียรภาพทางความร้อนและสมบัติการทนต่อแรงดึงของวัสดุเชิงประกอบ ซึ่งพบว่า พอลิเมอร์ทั้งหมดมีพฤติกรรมแบบนอนนิวโตเนียน (non-Newtonian) ยกเว้น PLA และ rPET ผลของอัตราความหนืดบอกให้ทราบถึงความสามารถในการเกิดเป็นเส้นใยของ PLA และ rPET จากสัณฐานวิทยาของเส้นอัดรีด พบว่า โดเมนของ PLA มีขนาดใหญ่ และพบการยืดเป็นเส้นใยในตัวอย่างที่เป็น as-spun ขณะที่ rPET ที่พบมีลักษณะเป็นเม็ดขนาดเล็ก อย่างไรก็ตามทั้ง PLA และ rPET สามารถยืดเป็นเส้นใยขนาดเล็กได้เมื่อเตรียมในรูปของเส้นใยเชิงประกอบ จากสัณฐานวิทยาของเส้นอัดรีด พบว่า โดเมนของ PLA และ rPET จะมีขนาดเล็กกว่า LCP จากการศึกษาเสถียรภาพทางความร้อนพบว่า เสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุเชิงประกอบลดลงเมื่อเพิ่มปริมาณ PLA ทั้งในบรรยากาศไนโตรเจนและอากาศ การเติม rPET และ LCP ลงในระบบ PE/PLA ช่วยดพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนอย่างเห็นได้ชัด การเติม PLA ช่วยปรับปรุงสมรรถนะการเสริมแรงให้เส้นใยเชิงประกอบและสมรรถนะการเสริมแรงเพิ่มขึ้นอีกเมื่อเติมทั้ง PLA และ rPET โดยการทนต่อแรงดึงของเส้นใยเชิงประกอบ PE-10PLA และ PE-10PLA-10rPET สูงกว่าในกรณีที่เป็น as-spun ถึง 600 เท่า นอกจากนี้ สมบัติการทนต่อแรงดึงขึ้นอยู่กับอัตราส่วนการดึงและปริมาณของวัฏภาคกระจาย จากการศึกษาพบว่าสมบัติการทนต่อแรงดึงของเส้นใย PE-10PLA-10rPET และ PE-10PLA-10LCP สูงกว่าในกรณีของเส้นใย PE-10PLA อย่างไรก็ตาม การเติมสารเสริมสภาพเข้ากันได้พบว่ามีบทบาทน้อยต่อสมบัติบัติของพอลิเมอร์เชิงประกอบนี้ ผลที่ได้ แสดงให้เห็นว่า rPET มีศักยภาพในการใช้เป็นตัวเสริมแรงสำหรับเส้นใยเชิงประกอบ PE/PLA เช่นเดียวกันกับ LCP ซึ่งมีราคาแพง เส้นใยเชิงประกอบสมรรถนะสูงนี้ที่เตรียมได้มีศักยภาพสูงสำหรับนำไปประยุกต์ใช้งานเป็นชิ้นส่วนเพื่อใช้เป็นวัสดุรับน้ำหนักเพื่อใช้ประโยชน์ในทางการแพทย์