押出成形品の寸法安定性と機械的特性

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10545 (2022) この記事を引用

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粒子サイズ 250 μm の木材とポリエチレン (PE) 材料を 60/40、70/30、および 80/20 の混合比率で配合し (木材含有量を減らすためにポリマーを増加)、単軸押出機を使用して 200 ℃ で押し出しました。温度範囲は 110 ～ 135 °C です。 Gmelina Arborea、Tectona grandis、Cordia milleni、および Nauclea Diderichii の粒子と再生ポリエチレンを配合し、175 N/mm で圧縮してバイオポリマー複合材料を生成しました。 生体高分子複合材料を水浸法で 24 時間の寸法安定性試験に供し、耐荷重能力に耐える能力を調査しました。 結果から、押出圧縮バイオポリマー複合材料は、24 時間水に浸漬した際の観察された密度、吸水性、および厚さの膨張が 0.06 ～ 1.43 g/cm3、0.38 ～ 3.41%、および 0.82 ～ 6.85% の範囲の値を示したことがわかりました。テスト。 機械的特性の値は、曲げ弾性率と強度が 0.28 Nmm-2 ～ 21.35 Nmm-2、0.44 ～ 550.06 Nmm-2 の範囲でした。 引張弾性率と強度はそれぞれ 191.43 Nmm-2 ～ 1857.24 Nmm-2 と 0.35 Nmm-2 ～ 243.75 Nmm-2 です。 複合材料によって示される吸湿量と強度は、異なる混合比率で樹種に対して得られた値に応じて変化することが観察されました。 木材に配合されるポリエチレンの含有量が多いほど、寸法安定性、曲げ特性、引張特性が向上することが観察されています。 Cordia milleni の木材粒子を 60 対 40 (ポリエチレン/木材) の割合で配合したものは、寸法安定性と耐荷重能力において最高の性能を発揮しました。 この研究では、屋内と屋外の両方で使用する木材ポリマーベースの複合材を製造するための木材種と再生 PE に対する方法の影響を確認しました。

20 世紀初頭以来、ポリマー部門は拡大してきました。 世界中のさまざまな樹脂生産者と化学会社が主に年間 2 億トンを超えるプラスチック製品の生産量に貢献しています1,2。 これにより、世界中のポリマー加工産業が数万の中小企業から拡大することが可能になります。 ほとんどのポリマー製造業者は、作業に異なる機械を使用しています。 ほとんどの場合、押出機と射出成形機が使用されます。 ポリマー製造の最初の操作はペレット化ダイを通して行われ、2 番目の操作は最終成形です (Vlachopoulos と Wagner、2001)。 この 2 つの操作には、ポリマーの加熱と溶融が含まれます。溶融したポリマーを成形ユニットにポンプで送り込んで、冷却して固化させた後、必要な形状と寸法を形成します。 ポリマーと木材などの他の粒子の配合は、通常、特定の熱と圧力の下でスクリュー押出機を使用して行われます。 配合された材料は、最終製品にプレスまたは成形することも、射出成形機でさらに加工するためにペレットに成形することもできます。 ポリマー製品は、シートまたは異形押出、射出成形、カレンダー加工、熱成形、または圧縮成形で製造できます4。

ポリマー製品は、製造の容易さ、低密度、耐腐食性、電気絶縁性および断熱性、さらには単位重量あたりの良好な剛性と靭性などのユニークな特性を備えています3。 これらの特性により、ポリマー産業は、輸送、食品包装、住宅、電化製品のニーズが最も重要な発展途上国で成長を続けています。 製品の優れた特性と性能により、ポリマーに強化材として木繊維を添加することへの関心が年々高まっています5。 木材ポリマー複合材は、さまざまな用途に合わせて特性が改善された、有機結合パーティクルボードに代わるバイオ製品であることが知られています4。 木材とポリマーの組み合わせにより、他の木質パネル製品やプラスチック製品と比較して製品が機械的に改善されています6。 直接押出成形は、バイオポリマー複合材料の製造に使用される最も一般的な技術です。 この技術により、原材料を溶融配合し、同じプロセスステップで溶融材料をダイに押し込むことによって連続プロファイルに押し出すことができます7。 間接押出技術は、圧縮成形用のプロファイルまたはシート材料を製造することができます。 この研究では、ナイジェリアで栽培された厳選された木材種からバイオポリマーを生産するために両方の技術を採用しています。 製品の機械的安定性や寸法安定性などの特定の特性に対するそれらの影響を調査することを目的としていました。 温帯および熱帯地域の木材種の多くの粒子が調査されています。 マツ、カエデ、オークなどの樹種は、温帯地域での商業用木材とプラスチックの複合製品の製造に一般的に使用されています8。 これまでの研究では、木材種が WPC の機械的特性に影響を及ぼし、引張特性と熱たわみ温度の点で広葉樹粒子が針葉樹粉よりも優れていることが示されています 5,9。 技術が向上し、マーケティング需要も拡大しているため、木材とプラスチックの複合材メーカーのほとんどは、改良された先進技術を備えた世界の先進国にあります。 先進国でこの産業が成長する一方で、発展途上国では、多数の木材工場産業から大量の木材廃棄物が発生しているにもかかわらず、その技術に適応することが依然として困難であると感じています10、11。 製材工場産業によって発生する木材廃棄物は、埋め立てや焼却に使用されるのではなく、WPC の製造のために重要な産業用途に利用される可能性があります12。 ナイジェリアでは、さまざまなプラスチックバインダーや木材種を使用した WPC に関する研究の傾向が徐々に増加しており、評価されています。 一部の熱帯木材種が WPC の強度特性に及ぼす影響も調査されています 13,14。 スクリュー押出機と手動で製造された配合ホットプレス機を使用して、ナイジェリアでの WPC 生産のための熱帯木材種と農業残渣の可能性と可能性を調査しました。 セイバ・ペンタンドラ、トリプロキトン・スクレオキシロン、エンタンドロフラグマ・シリンドリクム、コルディア・アリオドラ、ファントゥミア・エラスティカ、ブラキステギア・ケネディ、カヤ・イボレンシス、テクトナ・グランディス、ターミナリア・スペルバ、ミリシア・エクセルサなどのナイジェリア産の広葉樹種が、カップリング剤を使用せずにWPCを製造するために使用されてきたことは注目に値します。単軸押出機および/または圧縮成形5、15、16、17、18。 これらの研究により、低応力の屋内用途に使用できる、低吸着特性を備えた強度が向上した製品が明らかになりました 17。 これらすべての木材種は、ナイジェリアの製材産業における構造目的の毎日の木材変換プロセスで定期的に検出されます。 最近、WPC に関する研究が進むにつれて、ナイジェリア産の木材種も調査する必要がますます増えています。 以前に調査された木材種の中には、比重 0.42 ～ 0.64 および 0.61 ～ 0.73 に該当する Gmelina Arborea および Tectona grandis があります。 これらの木材種は、輸出市場での需要が高いため、ナイジェリアの製材所では一般的であり、製紙、家具の成形、室内木工、造船および合板、極材、パーティクルボード、ベニヤ、およびその他の構造材に有用です19,20。 これらの木材種は、まだ調査されていないCordia milleniやNauclea Diderichiiなどの新種と比較するためにこの研究で使用されています。 これらの木材種は、Cordia milleni と Nauclea Diderichii の比重が 0.41 ～ 0.50 および 0.56 ～ 0.63 の半落葉樹林材です。 どちらの木材種も、Gmelina Arborea や Tectona grandis よりも比重が低いことがわかっており、一般建築や木質パネル製品に役立つ優れた特性も備えています。 特に、Nauclea Diderichii は、鉄道の枕木、重建設、淡水または海水と接触する水力工事などの屋外の目的に非常に有用であることがわかっています 21,22。 建設業界における屋根材、タイル、窓枠などの WPC 製品の需要が徐々に増加しているため、プラスチック業界での木材粒子の使用は増加すると予測されています 5,23。 WPC の商業用途はデッキ材や羽目板として非常に高く、これは先進国の将来の経済発展と成長の証拠であると思われます 4,24。 WPC はナイジェリアなどの発展途上国にもその人気を徐々に広げており、発展途上国での構造用途を強化するために的を絞った商業化を行うには、材料と技術の両方で集中的な研究が必要です。

ナイジェリアにおける WPC の研究開発の現在の課題は、フライス加工、加工、生産用の機械の利用可能性に関係している可能性があります。 ポリマー産業と同じ技術を持っているにもかかわらず、ポリマー複合材料のほとんどのメーカーは、自社の機械を WPC 研究に使用することを許可することが難しいと感じています。 ほとんどのポリマー製品は包装や家庭用に使用されており、消費率は高く、使用済みのものは毎日、そして定期的に街路にポイ捨てされています25。 研究により、リサイクルプラスチックを使用できることが示されています26,27。 西ヨーロッパでは、リサイクルされたプラスチック製品全体のほぼ 40% がフィルムや袋などの流通製品に利用され、30% がパイプ、窓、タイルなどの建築用途に利用されました28。 リサイクルプラスチックには、バージンプラスチックよりも優れた品質を備えた WPC を低コストで製造できる大きな可能性があります。 製材工場から出るおがくずやポリマー廃棄物は深刻な環境汚染物質であり、世界のほとんどの発展途上国で緊急の対応が必要です。 プラスチックやおがくずのリサイクルは、環境汚染と闘い、災害を回避する解決策として機能するバイオポリマー複合材料の製造用の原料となる可能性があります。

この環境上の課題の結果として、この研究は、ナイジェリア産の 4 種類の木材の木材粒子で強化された押出圧縮 WPC の寸法安定性と機械的特性に関する情報を提供することを目的としています。 この研究では、ナイジェリアで現地で製造された単軸押出機で、特定の粒子サイズ、加工温度、圧力などの要因を、プラスチック/木材比やさまざまな固有木材種などの変数要因に対して定数として考慮しました。

この調査でサンプルの作成に使用された木材の種類は、Gmelina Arborea、Tectona grandis、Cordia milleni、Nauclea Diderichii など、さまざまな供給源から採取されました。 オヨ州イバダンにあるナイジェリア森林研究所林産物開発利用局の製材所部門は、これらの樹種から木材粒子を収集しました。 廃プラスチックで包装された水袋は、ナイジェリア森林研究所にある DFRIN Consultancy Company の水包装工場から供給されました。 すべての方法は、関連するガイドラインおよび規制に従って実行されました。

Gmelina Arborea の製材された木材に由来する新鮮な木材粒子。 Tectona grandis、Cordia milleni、および Nauclea Diderichii をサイズ 0.25 mm (250 μm) の金網で徹底的にふるいにかけて、木粉を得ました。 各樹種の均一に選別された木粉を 103 ± 2 °C で 24 時間オーブン乾燥して、含水率 4% に達しました。 梱包されたウォーターバッグは徹底的に洗浄され、汚れや砂などの不要な粒子が取り除かれました。 それを乾燥させ、林産物開発利用局で入手可能な５０馬力の工業用ハンマーミル機械（ナイジェリア、ラゴスのルーカスエンジニアリング社製）を使用して粒子に粉砕し、サイズ０．２５ｍｍ（２５０μｍ）の金網で十分にふるい分けした。 ）。 サンプルに必要な木材とリサイクル PE の各割合を手作業で十分に混合し、単軸押出機 (ナイジェリア、ラゴスのルーカス エンジニアリング社製) に供給しました。この押出機も林産物開発利用局で入手できます (図 1)。 押出機には材料を機械に供給するためのホッパーが付いています。 これらの材料はあらかじめ混合され、ヒーターによって制御された温度でバレル内を通過させられました。 バレルには、溶融した材料を混合、ブレンドし、ダイから押し出すように設計されたスクリューが付いています (図 2)。 溶融した材料を寸法サイズ 6 cm × 6 cm × 12 cm の金型に注入し、175 N/mm の油圧プレス機で 45 分間圧縮して平坦な定盤を製造しました。 その後、ボードを金型から剥がし、29、30 に従って試験片に切断して、寸法および機械的特性を測定しました。

単軸押出機。

プレミックス押出機。

水浸漬試験の前に、オーブン乾燥重量と体積を使用して複合材料の密度を計算しました。 密度は、試験片の体積に対する質量の比であり、31 に従って 0.01 g/cm3 の単位で最も近い値まで計算され、D = m/v で計算されます。D は密度 (g/cm3)、m は密度です。質量 (g)、V は体積 (cm3) です。 試験片は一辺１００ｍｍの正方形とした。 試験片は、相対湿度 65 ± 5%、温度 20 °C ± 2 °C の雰囲気中で質量が一定になるように調整されました。

各 WPC の試験片サイズ 76.2 mm × 25.4 mm × 6.4 mm を測定し、29 に従い、室温 26 ± 1 °C で 24 時間水浸漬処理を行い、WPC サンプルの反応を観察しました。水濡れに。 各サンプルの重量、長さ、厚さなどの測定は、規定の時間で水から取り出し、表面の水分を乾いた布で拭き取った後、測定しました。 これらの試験は、吸水率 (%) = Wt−Wo/Wo × 100% を使用して計算されました。ここで、Wo と Wt はそれぞれ、水浸漬試験におけるオーブン乾燥質量 (g) と時間 t 後の質量 (g) です。 。 水浸漬試験中に各複合サンプルの厚さを測定し、次の式を使用して厚さ膨潤 (TS) を決定しました: 厚さ膨潤 (%) = Tt-To/To × 100%、ここで To と Tt はパネルの厚さ ( mm) それぞれ水浸漬前と浸水後。

3 点曲げ試験は、WDW モデルの標準万能試験機 (済南ヘンスグランド計器有限公司、中国済南市) を使用して、寸法 123.5 mm × 12.7 mm × 6.4 mm (厚さ) の曲げ強度試験片に対して実行されました。 30 に準拠し、50 kN ロードセルと 2.8 mm/min のクロスヘッド速度を備えた 858 ロード フレームを使用しました。 曲げ試験も、周囲温度 23±2℃、相対湿度 50±5%で各複合配合物について 3 回繰り返しました。 曲げ強度 (MOR) は、S = 3PL/2bh2 を使用して荷重 - たわみ曲線に対して計算されました。ここで、S は最大曲げ応力、P は荷重 - たわみ曲線上の特定の点での荷重 (N) です。 L はサポート スパン (mm) です。 b はテストされたビームの幅 (mm) です。 h はテストされたビームの深さ (mm) です。 30 に従い、応力と対応するひずみの比である弾性率 (MOE) または曲げ弾性率の決定について説明しています。 これは、荷重 - たわみ曲線の最も急な初期直線部分に接線を引くことによって計算されます。これは、本質的に試験片が 1 (mm) たわむ荷重です。 曲げ試験における曲げ弾性率 (MOE) は、E = PL3/4bh3D を使用して線形限界内で計算されます。ここで、E は曲げにおける弾性率 (曲げ弾性率) (N/mm2) です。 P は、荷重 - たわみ曲線の最も急な初期直線部分における荷重 (N) です。 L はサポート スパン (mm) です。 b はテストされたビームの幅 (mm) です。 h はテストされたビームの深さ (mm) です。 D は荷重 P でのたわみ (mm) です。

万能試験機を使用して、寸法 165 mm × 19 mm × 6.4 mm (厚さ) のモデル WDW (済南ヘンスグランド計器株式会社、中国済南市) 810 ロード フレームのタイプ I 引張試験片を 50 kN で試験しました。クロスヘッド速度 2.8 mm/min、下部サポート 100 mm でロードセルを使用します。 伸び計を使用して、25 mm のゲージ長に沿って試験片の伸び (ひずみ) を測定しました。 引張試験は32に従って実施した。 各複合配合物について、すべての測定は周囲温度（23±2℃および50％RHで少なくとも40時間）で実行され、5回再現されました。 ニュートン単位の最大荷重を、平方メートル単位の試験片の元の最小断面積で割って、引張強度を計算しました。 ヤング弾性率 (MOE) は、荷重-伸び曲線の初期直線部分を使用して計算されました。 MOE は、この直線期間全体にわたる応力の増加をひずみの増加で割ることによって計算されます。

この研究で使用された研究変数の評価のために収集されたテスト データを処理するために、グラフ分析と分散分析が利用されました。 グラフィカル分析により、研究変数と特定のボード属性の間の考えられる関係の傾向を簡単に確認できます。 出現する可能性のある主効果と相互作用効果の有意水準を決定するために、完全にランダム化された計画における 3 x 4 要因計画が採用されました。 この研究では、分散分析 (ANOVA) に SPSS (社会科学のための統計パッケージ) バージョン 20.0 パッケージを使用しました。 平均値間の差を評価し、考慮された基準から最適な治療の組み合わせを特定するために、ダンカンの多重範囲テスト (DMRT) を使用して治療平均を分離しました。 ANOVA は、ボードの密度、吸水率、厚さの膨潤、破断係数、および曲げおよび引張用途における弾性における多数の変動要因の相対的重要性を決定するために使用されました。 木材の種類と比率の違いが主な影響として研究されました。 主成分間の相互作用効果も考慮されました。 WPC は、Gmelina Arborea、Tectona grandis、Cordia milleni、および Naudea Diderichii の木材種で、PE/木材の 60/40、70/30、および 80/20 の 3 つの比例レベルで製造されました。

すべての特性の平均値を表 1 に示します。この調査で得られた観察された密度、吸水率、および厚さ膨潤値が 0.06 g/cm3 ～ 1.43 g/cm3、0.38% ～ 3.41%、およびそれぞれ0.82%～6.85%。 表 1 に示すように、複合材で観察された密度は木材の種類によって異なります。 同様に、表 1 では、混合比率の違いによって観察される密度も変化します。 Cordia milleni は、他の樹種と比較して、研究で使用された樹種の密度が最も高かった。 混合比では、70/30 (PE/木材) が 0.38 g/cm3 で最も高い密度を示し、次に 60/40 と 80/20 (PE/木材) の 0.20 g/cm3 と 0.20 g/cm3 が続きます。 しかし、表 1 は、吸水率と厚み膨張率において、各木材種で得られた吸水率の値が、Gmelina Arborea、Cordia milleni、Nauclea Diderichii、Tectona grandis でそれぞれ 0.84%、1.37%、1.49%、0.68% であったことを示しています。 各木材種について得られた厚さ膨潤値は、Gmelina Arborea、Cordia milleni、Nauclea Diderichii、および Tectona grandis でそれぞれ 1.77%、2.13%、2.93%、および 4.82% でした (表 1)。 研究で採用した混合割合のうち、吸水率と厚み膨潤率では値が異なり、混合割合60/40の場合は0.85％、0.62％、1.82％、4.28％、2.25％、2.20％となることがわかりました。それぞれ 70/30、および 80/20 (表 1)。 図１および図２に示すように。 図 3、4、全体の物理的特性は、観察された密度、吸水性、および厚さの膨潤に関して同様の傾向を示しています。 得られる値は、木材の割合がプラスチックの含有量に対して減少するにつれて減少します。 複合材で観察された物理的特性は、各木材種で得られた観察された密度、吸水性、および厚さ膨潤値が互いに異なることを示しました（図3、4）。 水浸し試験に対する複合材料の反応から、ボードはマトリックスとしてより多くのプラスチックを含んでおり、繊維をカプセル化して湿気の吸収を防ぎ、それによって高い寸法安定性を備えているため、ボードがプラスチックと同様に動作することが明らかになりました。 これは、プラスチックの割合が増加するにつれて、組成物の吸水率と厚さ膨潤値が減少することを意味します (図 3 および 4)。 異なる木材種から作られたボードによる水分の吸収も、製造時に使用される混合比率によって異なります。 この研究で得られた値は、以前の研究で得られた他の値と一致します8、14、26、33。 この結果は、以前の研究で見つかった観察結果とも一致しています26。 彼は、高リサイクルポリエチレンを使用した Gmelina Arborea の粒子から製造された WPC の寸法特性が低下することを示しました。 著者はまた、木材フィラー中の再生プラスチック含有量を増やすとボードの寸法安定性が向上することを確認しました。 この研究でも同様の観察が観察されており、これはプラスチックと木材の界面間の固有の相互結合関係に起因すると考えられます。 この研究では、プラスチックと木材フィラーの構造界面が高いことが判明しました。 溶融混合物にかかる圧縮力によって細孔が制限され、複合材料の表面にも小さな細孔が発生することが判明した。 この複合材料に含まれるプラスチックは、天然の親水性木材が水と接触したときに水分を吸収するのを防ぎました。 以前に報告されたように、バイオポリマー複合製品が湿気にさらされる場合、プラスチックの割合が重要になります。 木材含有量よりもプラスチック含有量が多いと、複合材上に水分が取り込まれるための水の滞留場所が減少します。 観察された密度の吸水率と厚さの膨潤の分散分析の結果を表 2 に示します。表 2 に示すように、観察された密度については、すべての因子 (主因子と 2 つの因子の相互作用) が 5% の確率レベルで有意でしたが、有意ではありませんでした。吸水性において。 厚さの膨張では、主要な要因のみが 5% レベルの確率で有意です。

押出圧縮されたバイオポリマー複合材料から観察された密度。

押出圧縮されたバイオポリマー複合材料から観察される寸法安定性。 WA吸水、TS厚み膨潤、PEポリエチレン、WD木材。

表 1 は、さまざまな木材種および混合割合から生成されたバイオポリマー複合材料の平均曲げ特性を示しています。 表 3 に示すように、曲げ強度と弾性率について得られた値は、それぞれ 8.34 Nmm-2 ～ 21.35 Nmm-2 と 185.05 Nmm-2 ～ 550.8 Nmm-2 の範囲でした。 表 1 に示すように、木材種間で得られた曲げ強度と弾性率の値は、14.79 Nmm-2、19.69 Nmm-2、12.52 Nmm-2、12.90 Nmm-2、341.99 Nmm-2、494.97 Nmm-2、350.52 Nmm でした。 Gmelina Arborea、Cordia milleni、Tectona grandis、Nauclea Diderichii ではそれぞれ -2、353.81 Nmm-2。 混合比率間で得られた曲げ弾性率と強度は、60/40、70/では17.52 Nmm-2、11.97 Nmm-2、15.43 Nmm-2、457.30 Nmm-2、302.04 Nmm-2、396.62 Nmm-2でした。それぞれ30、80/20（表1）。 図１および図２に示すように。 図5、6では、曲げ弾性率と強度も同じ傾向にあります。 木材繊維の割合が減少すると、得られる曲げ値も減少します。

押出圧縮されたバイオポリマー複合材料の曲げ弾性率。

押出圧縮されたバイオポリマー複合材料の曲げ強度。

さらに、バイオポリマー複合材料に見られる曲げ強度と弾性率は、木材の種類ごとに異なります (図 5、6)。 表 2 は、曲げ特性の分散データ分析の出力を示しています。 表 2 に示すように、曲げ弾性率に関しては木材種係数のみが有意でしたが、曲げ強度に関しては混合比率係数も 5% の確率レベルで有意でした。 これらの結果は、木材種がバイオポリマー複合材料の曲げ弾性率に影響を与える一方で、PE/木材の混合比率もバイオポリマー複合材料の強度特性に影響を与えることを意味します。 表 3 は、有意水準で実施されたダンカン多重範囲テスト (DMRT) の結果を示しています。 結果は、この研究で考慮された主要な要因間の有意性のレベルを示すアルファベット文字付きの平均値で示され、Nauclea Diderichii、Tectona grandis、および Gmelina Arborea の粒子から作られた生体高分子複合材料の曲げ弾性率は互いに異なっていませんでした。強度はありますが、Cordia milleni から作られたバイオポリマー複合材料にとって重要です。 追跡試験では、70/30 と 80/20 で作られたバイオポリマー複合材は相互に有意ではないが、60/40 (PE/木材) で作られたバイオポリマー複合材に対しては有意であることも確認されました。

表 1 は、いくつかの木材種からさまざまな混合比で製造されたバイオポリマー複合材についてこの研究で得られた引張特性の平均値を示しています。 表 1 に示すように、引張強度と弾性率について得られた値は、1015.00 Nmm-2 ～ 1885.72 Nmm-2 の範囲でした。

それぞれ11.43Nmm−2〜24.38Nmm−2。 表 1 に示すように、木材種間で得られた引張弾性率と強度の値は、18.83 Nmm-2、18.84 Nmm-2、19.04 Nmm-2、17.35 Nmm-2、および 1541.01 Nmm-2、1404.21 Nmm-2、1273.25 Nmm でした。 Gmelina Arborea、Cordia milleni、Nauclea Diderichii、Tectona grandis ではそれぞれ -2、1346.75 Nmm-2。 同時に引張弾性率と強度の混合割合として得られた値は、60/の場合、1481.87 Nmm-2、1398.59 Nmm-2、1294.76 Nmm-2、20.79 Nmm-2、17.02 Nmm-2 17.73 Nmm-2 でした。それぞれ40、70/30、80/20（表3）。 図 7 と 8 に示すように、引張弾性率と強度は同じ傾向を示しました。 木材の割合が減少すると、得られる引張値は減少します。

押出圧縮されたバイオポリマー複合材料の引張弾性率。

押出圧縮されたバイオポリマー複合材料の引張強度。

さらに、得られる引張強度と弾性率の値は木材の種類によって異なります（図 7 および 8 に示すように）。 表 2 に示すように、確率の 5% レベルでの分散分析は、木材種と混合割合の両方が有意であることを示しています。 追跡試験では、Nauclea Diderichii、Tectona grandis、および Cordia milleni から作られたバイオポリマー複合材料の引張弾性率が相互には有意ではなかったが、Gmelina Arborea に対しては有意であったことが示されました。 混合比率では、80/20 および 70/30 のバイオポリマー複合材料は相互に有意ではありませんでしたが、60/40 (PE/木材) に対しては有意でした。 弾性率のレポートとは対照的に、強度は異なりました。 Gmelina Arborea、Nauclea Diderichii、Tectona grandis、および Cordia milleni から作られたすべての生体高分子複合材料は、相互に有意ではありませんでした。 しかし、強度の混合比率でも弾性率と同じパターンが見られ、バイオポリマー複合材料は 70/30 と 80/20 であり、相互に有意ではありませんでしたが、60/40 では有意でした (表 3)。 この研究では、木材に対するプラスチックの割合が増加するにつれて、引張特性と曲げ特性が低下することが観察されました (図 5、6、7、8)。

この研究で得られた曲げ弾性率と引張弾性率の値は、34,35 によって行われた研究と一致しています。 表 3 に見られるように、バイオポリマー複合材料によって得られた強度特性の値は、使用された木材の粒子とポリマーマトリックス間の非相溶性に起因する可能性があります。 2 成分材料間の界面接着により、複合材料に優れた機械的特性が与えられることが注目されています 36。 また、構造間の結合繊維と繊維の配置 (織り交ぜた) に起因する可能性もあり、これらが重なって応力集中が増加し、より高い強度がもたらされました 12 また、複合材料の MOE が低いのは、主にポリマー マトリックス間の界面相互作用が不十分であることに起因する可能性があるとも報告されています。木材粒子は、使用される割合に応じて、材料の 2 つの相の間で効率的な応力伝達ができない可能性があります。 異なる木材種から作られた複合材の強度と弾性率にはばらつきがありました。 これは、複合材料の機械的特性を決定する、各木材種の強度または密度とポリマーとの相互作用によるものである可能性があります。 34 によって行われた研究では、引張特性と熱たわみ温度 (特定の荷重下でポリマーまたはプラスチックのサンプルが変形する温度) の点で広葉樹粒子が針葉樹粉よりも優れていることが発見されました。 ただし、これは、一部の木材種の粒子が他の種よりも機械的特性が向上することを意味します。 この研究では、Cordia Milleni と Gmelina Arborea の粒子が他の木材種よりも曲げ特性と引張特性において優れていることが観察されました。 この研究ではさらに、プラスチック含有量が木材含有量に増加するにつれて、Tectonia Grandis および Nauclea Diderichii で作られた複合材料は、Cordia milleni や Gmelina Arborea などの低密度木材種よりも高い引張特性を有することが観察されました (図 7 および 8)。 この観察は 34 の報告書と協力しましたが、プラスチック含有量と木材含有量の 80/20 の割合は正確であることがわかりました。 この観察結果は、図2および3に見られるように、バイオポリマー複合材料の曲げ特性において異なりました。 図 5 と 6、低密度の木材種粒子 (Cordia milleni は、すべての比例比で他よりも曲げ特性でリードを維持しました。これは、ポリマー マトリックスに対する木材粒子の含有量が減少し、Cordia milleni で作られたバイオポリマー複合材料が高い曲げ強化を有することを意味します)これは、Cordia milleni に含まれる化学組成の性質と割合に起因すると考えられます 37 は、Cordia milleni に含まれるセルロース、ヘミセルロース、リグニンおよびその他の成分が適切な割合で存在することにより、この木材がさまざまな建設工事に非常に有効であることが確認されたと報告しています。この特性は、Cordia milleni がリグノケミカル産業にとって理想的な原料であり、プラスチック生産において石油化学産業に取って代わることができ、食品や繊維製品のためのあらゆる種類の化学製品の生産にも役立つことを示しています37。 Cordia milleni の化学成分は、木繊維への既存のマトリックスのサポートを強化し、それによってより強力な構造間結合を与え、複合材料の応力伝達と応力集中を増加させ、より高い強度特性とより優れた寸法安定性をもたらした可能性があります。

この調査の結果、混合比率と木材の種類がバイオポリマー複合材料の物理的および機械的特性に大きな影響を与えることが明らかになりました。 PE/木材および木材種の割合は、バイオポリマー複合材料中の水の移動速度に大きく影響し、バイオポリマー複合材料の機械的特性も変化させる可能性があります。 プラスチックの含有量を木材の含有量より減らして作られたバイオポリマー複合材料は、耐荷重性と剛性の点で最高の機械的特性を持ち、高い寸法安定性を維持していることが明らかになりました。 したがって、この研究では、60/40 (PE/木材) から作られたバイオポリマー複合材料が、床タイルや壁タイルなどの製品の製造における利用特性において最も優れていると結論付けられました。 さらに、調査されたすべての木材種の中で、Cordia milleni は、屋外、屋内、および耐荷重用途のバイオポリマー製品に使用できる木材の中で最も優れていることがわかりました。

この調査研究の結果、次のような推奨事項が得られました。

Cordia milleni 粒子は、屋外および屋内用途向けのバイオポリマー製品の製造原料としても機能する可能性があります。

PE/木材の比率は、利用特性を決定する上で重要な役割を果たします。 すべての比率から作られたすべての生体高分子複合材料の寸法値は非常に低かった。 それでも、80/20 の複合材は寸法安定性において最高の優れた性能を示します。

Nauclea Diderichii や Tectona grandis などの高密度の木材種は、中密度および低密度の木材種 (Cordia milleni や Gmelina Arborea) よりも 80/20 の強度性能が向上しています。

耐荷重能力の点で、Cordia milleni 粒子は屋内および屋外用途のバイオポリマー製品の製造に使用できます。 対照的に、Gmelina arborea、Nauclea Diderichii、Tectona grandis は湿った環境でも使用できます。

バイオポリマー複合製品を製造するための原材料として、さまざまな在来木材および非木材種についてさらに研究を行う必要があります。 さらに、これらの木材種の性能に影響を与える可能性があるため、化学組成も確認する必要があります。

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KS いつも

ナイジェリア、オンド州オキティプパ、オルセグン・アガグ科学技術大学化学科

AO オラディメジ

ナイジェリア国立公開大学環境科学天然資源学部、イバダン学習センター、イジョコド、イバダン、ナイジェリア、オヨ州

FZ アグブーラ

ランドマーク大学土木工学科、オムアラン、ナイジェリア

DO オグンタヨ

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KSA、AOO、FZA は提示されたアイデアを考案しました。 KSA と AOO は理論を開発し、データ収集を監督しました。 FZA と DOO は分析方法を検証し、データを分析しました。 著者全員が結果について議論し、最終原稿に貢献しました。

DO オグンタヨへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

アイナ、KS、オラディメジ、AO、アグブーラ、FZ 他厳選されたナイジェリア産の木材種をさまざまな割合で使用して製造された押出圧縮バイオポリマー複合材料の寸法安定性と機械的特性。 Sci Rep 12、10545 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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受信日: 2021 年 12 月 16 日

受理日: 2022 年 6 月 10 日

公開日: 2022 年 6 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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