Influence of Wood Modification on the Properties of Polyvinyl Chloride based Wood Polymer Composites (WPC)

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Abstract

The study investigated the influences of wood modification on the properties of Polyvinyl chloride (PVC) based Wood Polymer Composites (WPC). Various ethanolamines, L-arginine, pre-hydrolyzed and monomeric aminosilane, melamine and acetic anhydride treatment were used to improve the adhesion between wood and polymer as well as water absorption behavior and resistance to basidiomycetes. Amine based treatments were chosen to change the nature of wood from acidic to basic in order to increase the compatibility with the acidic polymer. Treated and untreated wood flour, PVC and additives were dry blended in a mixer. The dry blend was compounded to granulate by counter-rotating twin screw extrusion and compression moulded into panels using a hydraulic press.

Elemental analysis (nitrogen content) via gas chromatography showed expected fixation of aminosilane and melamine treatment. The nitrogen fixation of ethanolamine and L-arginine treated material were obviously reduced, whereas the amount and reactivity of the aminogroups influenced the fixation behavior. With increasing content of amino-groups and reactivity, the fixation was improved. Fourier transform infrared (FTIR) analyses revealed interactions between monoethanolamine and cell wall components. The amine based treatments changed the nature of wood from acidic to basic. An improvement of the interphase was detected via mechanical property testing. Tensile strength, elongation at break and unnotched impact strength of the composite were obviously increased by Larginine, ethanolamine and aminosilane treatments. It has to be considered that amine based treatments (monoethanolamine in this study) led to reduced thermal stability of the composite. Thermogravimetric analysis showed a decrease of onset temperature with increasing monoethanolamine content. Water repellence of the composite was improved by melamine, pre-hydrolyzed aminosilane and acetic acid treatment. Treated and untreated composites revealed high resistance against basidiomycetes. Due to the low initial moisture content and low weight loss of untreated and treated composites, no effect of the various modifications was distinguished.

In general it is possible to treat/modify PVC/wood flour composites with used processing and chemical agents. Amine based treatments indicate an improved adhesion between wood and polymer and can be used as coupling agents. Acetic anhydride, melamine and prehydrolyzed aminosilane treatments improved water absorption behavior.

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen verschiedener Holzmodifizierungen auf die Eigenschaften von Polyvinylchlorid (PVC) basierten Holz-Kunststoff Kompositen untersucht. Der Fokus lag dabei auf Verbesserung der Interphase zwischen Holz und Polymer, sowie einer Reduktion der Wasseraufnahme und einer Erhöhung der biologischen Dauerhaftigkeit des Komposits. Als Modifizierungschemikalien wurden Ethanolamine (Mono-, Di-, Triethanolamin), L-Arginin, Aminosilane, Melamin und Essigsäureanhydrid verwendet. Die eingesetzten Aminosilane unterschieden sich hinsichtlich ihrer Molekülgröße vor der Behandlung (Monomer, vor-hydrolisiert). Amin basierte Chemikalien wurden ausgewählt, um die Ladungseigenschaften des Holzes zu verändern. Eine bessere Kompatibilität zwischen dem sauren Polymer und der basisch modifizierten Holzoberfläche sollte dementsprechend erreicht werden. Das behandelte und unbehandelte Holzmehl wurde mit dem PVC und ausgewählten Additiven im Heiz-Kühl Mischer zu einem Trockengemisch verarbeitet. Das Trockengemisch wurde in einem gegenläufigen Doppelschneckenextruder granuliert und anschließend im Heißpressverfahren zu Platten gepresst.

Mittels einer gaschromatischen Elementaranalyse wurde der Stickstoffgehalt der Holzmehlproben ermittelt, um Aussagen über die Fixierung der jeweiligen Chemikalie treffen zu können. Aminosilan und Melamin behandelte Proben zeigten die erwarteten Fixierungswerte. Die Stickstofffixierung der Ethanolamin und L-Arginin behandelten Proben war im Vergleich dazu deutlich reduziert. Allerdings wurde beobachtet, dass mit steigender Aminogruppenanzahl und Reaktivität auch die Fixierung zunahm. In Fourier Transform Infrarot (FTIR) Analysen wurden Interaktionen zwischen Monoethanolamin und den chemischen Zellwandkomponenten beobachtet. Zudem führte die Behandlung mit Aminosilanen, Ethanolaminen und dem L-Arginin zu einer pH-Wert Verschiebung. Die behandelten Proben besaßen basische Eigenschaften. Eine Verbesserung der Interphase wurde nach der Durchführung mechanischer Eigenschaftsprüfungen gemessen. Die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und Schlagzähigkeit der Komposite wurden deutlich erhöht, wenn das Holzmehl zuvor mit Aminosilanen, Ethanolaminen oder L-Arginin behandelt wurde. Allerdings wurde die thermische Stabilität des Komposits durch die Behandlung (Monoethanolamin) herabgesetzt. Thermogravimetrische Analysen (TGA) zeigten eine reduzierte Zersetzungstemperatur mit steigendem Monoethanolamingehalt. Die Behandlung mit Essigsäureanhydrid und Melamin führte zu einer Verringerung der Wasseraufnahmegeschwindigkeit, sowie zu einer Reduzierung der maximalen Materialfeuchte. Bezüglich der verwendeten Aminosilane wurde nur bei der vor-hydrolisierten Variante eine Verbesserung des Wasseraufnahmeverhaltens beobachtet. Alle Komposite wiesen eine hohe Resistenz gegenüber Basidiomyceten auf. Aufgrund der niedrigen Feuchtegehalte vor Versuchsbeginn und den geringen Masseverlusten wurden keine Effekte der jeweiligen Behandlung festgesellt.

Prinzipiell ist es möglich mit den verwendeten Chemikalien und Verarbeitungsverfahren Modifizierungen an PVC basierten Holz-Kunststoff Kompositen durchzuführen. Amin basierte Behandlungen zeigten eine erhöhte Kompatibilität mit dem Polymer, womit sie grundsätzlich als Haftvermittler eingesetzt werden können. Zudem wurde das Wasseraufnahmeverhalten der Komposite durch die Behandlung mit Essigsäureanhydrid, Melamin und vorhydrolisiertem Aminosilan positiv beeinflusst.