Stabilité dimensionnelle et propriétés mécaniques des produits extrudés

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10545 (2022) Citer cet article

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Des particules de bois et de polyéthylène (PE) de 250 µm de granulométrie ont été mélangées dans des proportions de mélange de 60/40, 70/30 et 80/20 (avec une augmentation du polymère pour diminuer la teneur en bois) et extrudées à l'aide d'une extrudeuse à vis unique à une plage de température de 110 à 135 °C. Les particules de Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni et Nauclea diderichii avec du polyéthylène recyclé ont été mélangées et comprimées à 175 N/mm pour produire des composites biopolymères. Les composites biopolymères ont été soumis à un test de stabilité dimensionnelle à 24 h de la méthode de trempage dans l'eau et la capacité à résister à la capacité portante a été étudiée. Le résultat des résultats montre que les composites de biopolymères extrudés-compressifs avaient des valeurs allant de 0,06 à 1,43 g / cm3, 0,38 à 3,41% et 0,82 à 6,85% pour la densité observée, l'absorption d'eau et le gonflement de l'épaisseur à 24 h de trempage dans l'eau. test. Les valeurs des propriétés mécaniques variaient de 0,28 Nmm−2 à 21,35 Nmm−2 et de 0,44 à 550,06 Nmm−2 pour le module de flexion et la résistance ; et 191,43 Nmm−2–1857,24 Nmm−2 et 0,35 Nmm−2–243,75 Nmm−2 pour le module de traction et la résistance respectivement. Il a été observé que l'absorption d'humidité et la résistance affichées par les composites varient en conséquence dans les valeurs obtenues pour les essences de bois à différentes proportions de mélange. Comme on l'a observé, plus la teneur en polyéthylène est mélangée au bois, meilleures sont sa stabilité dimensionnelle et ses propriétés de flexion et de traction. Les particules de bois de Cordia milleni mélangées dans une proportion de 60 à 40 (polyéthylène/bois) ont obtenu les meilleures performances en termes de stabilité dimensionnelle et de capacité portante. Cette étude a confirmé l'effet des méthodes sur les essences de bois et le PE recyclé pour la fabrication de composites à base de polymères de bois pour des applications intérieures et extérieures.

Depuis le début du XXe siècle, le secteur des polymères est en pleine expansion ; divers producteurs de résine et entreprises chimiques à travers le monde contribuent principalement au volume de produits en plastique produits chaque année, qui dépasse 200 millions de tonnes1,2. Cela permet à l'industrie de transformation des polymères du monde entier de se développer à partir de dizaines de milliers de petites et moyennes entreprises. La plupart des fabricants de polymères utilisent différentes machines pour fonctionner; la plupart utilisent des extrudeuses et des machines de moulage par injection. La première opération de production de polymères passe par la filière de granulation tandis que la seconde est destinée à la mise en forme finale (Vlachopoulos et Wagner, 2001). Les deux opérations impliquent le chauffage et la fusion du polymère, en pompant le polymère fondu vers l'unité de mise en forme pour former la forme et les dimensions requises, après refroidissement pour solidifier. Le mélange de polymère et d'autres particules comme le bois est généralement effectué à l'aide d'extrudeuses à vis sous une chaleur et une pression spécifiques. Le matériau composé peut être pressé ou façonné en un produit final ou formé en granulés pour un traitement ultérieur dans une machine de moulage par injection. Les produits polymères peuvent être fabriqués par extrusion de feuilles ou de profilés, moulage par injection, calandrage, thermoformage ou moulage par compression4.

Les produits polymères ont des propriétés uniques qui comprennent une fabrication facile, de faibles densités, une résistance à la corrosion, une isolation électrique et thermique, et souvent une rigidité et une ténacité favorables par unité de poids3. En raison de ces propriétés affichées, l'industrie des polymères n'a cessé de croître dans les pays en développement où leurs besoins en matière de transport, d'emballage alimentaire, de logement et d'appareils électriques sont très importants. L'intérêt d'ajouter de la fibre de bois comme renfort au polymère s'est accru au fil des ans en raison des propriétés et des performances exceptionnelles des produits5. Le composite bois-polymère est connu pour être un bioproduit alternatif aux panneaux de particules liées organiques avec des caractéristiques améliorées pour s'adapter à différentes applications4. La combinaison du bois et du polymère a montré des produits mécaniquement améliorés par rapport aux autres produits de panneaux à base de bois et aux produits en plastique6. L'extrusion directe est la technique la plus couramment utilisée dans la fabrication de composites biopolymères. Cette technique permet aux matières premières d'être mélangées à l'état fondu et extrudées en un profil continu en forçant le matériau fondu à travers la filière au cours de la même étape de processus7. La technique d'extrusion indirecte peut concerner soit des profilés, soit des matériaux en feuilles destinés au moulage par compression à fabriquer. Cette étude adopte les deux techniques pour la production de biopolymère à partir d'essences de bois sélectionnées cultivées au Nigeria ; il visait à étudier leur effet sur des propriétés spécifiques telles que la stabilité mécanique et dimensionnelle du produit. De nombreuses particules d'essences de bois provenant de régions tempérées et tropicales ont été étudiées. Des espèces telles que le pin, l'érable et le chêne sont couramment utilisées pour la production de produits composites bois-plastique commerciaux dans la région tempérée8. Des recherches antérieures ont montré que les essences de bois affectent les propriétés mécaniques des WPC, les particules de bois dur surpassant les farines de bois tendre en termes de propriétés de traction et de température de déflexion thermique5,9. La plupart des fabricants de composites bois-plastique se trouvent dans les pays développés du monde avec des technologies améliorées et avancées, car la technologie s'améliore et la demande commerciale augmente également. Alors que l'industrie se développe dans les pays développés, les pays en développement ont encore du mal à s'aligner sur les technologies malgré leur énorme génération de déchets de bois provenant des nombreuses industries du bois10,11. Les déchets de bois générés par les industries du bois pourraient être utilisés à des fins industrielles importantes pour la production de WPC plutôt que d'être utilisés dans des décharges ou brûlés12. Il y a une augmentation progressive de la tendance de la recherche sur les WPC au Nigeria avec l'utilisation de différents liants plastiques et essences de bois en cours d'évaluation. L'effet de certaines essences de bois tropicaux sur les propriétés de résistance des WPC a également été étudié13,14. Étude de la possibilité et du potentiel des essences de bois tropicales et des agro-résidus pour la production de WPC au Nigeria, à l'aide d'une extrudeuse à vis et d'une presse à chaud composée fabriquée manuellement. Il convient de noter que des espèces de feuillus cultivées au Nigéria telles que Ceiba pentandra, Triplochiton scleroxylon, Entandrophragma cylindricum, Cordia alliodora, Funtumia Elastica, Brachystegia Kennedy, khaya ivorensis, Tectona grandis, Terminalia Superba et Milicia excelsa ont été utilisées pour produire des WPC sans agents de couplage en utilisant une extrudeuse monovis et/ou moulée par compression5,15,16,17,18. Ces études ont révélé des produits à résistance améliorée avec de faibles propriétés de sorption qui peuvent être utilisés pour des applications intérieures à faible contrainte17. Toutes ces essences de bois se retrouvent régulièrement dans le processus quotidien de transformation du bois dans les industries nigérianes de minoterie à des fins structurelles. Récemment, alors que la recherche sur les WPC se développe, de plus en plus d'espèces de bois cultivées au Nigéria doivent également être étudiées. Parmi les espèces de bois précédemment étudiées figurent Gmelina Arborea et Tectona grandis qui tombent à des densités de 0,42–0,64 et 0,61–0,73. ces essences de bois sont communes aux scieries nigérianes en raison de la forte demande de valeur du marché pour l'exportation, l'essence de bois est utile pour la fabrication du papier, le moulage de meubles, le travail du bois intérieur, la construction navale et le contreplaqué, le bois de poteau, les panneaux de particules, le placage et certains autres éléments structurels19,20. Ces espèces de bois sont utilisées dans cette étude pour comparer avec les nouvelles espèces comme Cordia milleni et Nauclea diderichii qui doivent encore être étudiées. Ces espèces de bois sont des bois forestiers semi-décidus avec des densités de 0,41–0,50 et 0,56–0,63 pour Cordia milleni et Nauclea diderichii. Les deux espèces de bois ont des densités plus faibles que Gmelina Arborea et Tectona grandis, elles ont également de bonnes caractéristiques qui les rendent utiles pour la construction générale et les produits de panneaux à base de bois ; Plus précisément, Nauclea diderichii s'avère très utile à des fins extérieures telles que les traverses de chemin de fer, la construction lourde, les travaux hydrauliques en contact avec de l'eau douce ou de l'eau de mer21,22. L'utilisation de particules de bois dans l'industrie du plastique devrait augmenter à mesure que la demande de produits WPC dans l'industrie de la construction augmente progressivement pour les toitures, les tuiles et les cadres de fenêtres5,23. Les applications commerciales des WPC sont très nombreuses pour les terrasses et les parements, ce qui semble être la preuve du développement et de la croissance économiques futurs des pays développés4,24. Les WPC étendent progressivement leur popularité aux pays en développement comme le Nigéria et la nécessité d'une commercialisation ciblée pour améliorer les applications structurelles dans les pays en développement nécessite une recherche intensive à la fois sur les matériaux et la technologie.

Le défi actuel de la recherche et du développement des WPC au Nigéria peut être lié à la disponibilité de machines pour le broyage, le traitement et la production. Bien qu'ayant les mêmes techniques que l'industrie des polymères, la plupart des fabricants de composites polymères ont du mal à autoriser l'utilisation de leurs machines pour la recherche sur les WPC. La plupart des produits polymères sont utilisés pour les emballages et les usages domestiques, le taux de consommation est élevé et les produits utilisés se retrouvent quotidiennement et régulièrement dans les rues25. Des études ont montré que les plastiques recyclés peuvent être utilisés26,27. En Europe occidentale, près de 40 % de tous les produits en plastique recyclé ont été utilisés dans des produits de distribution tels que des films et des sacs, tandis que 30 % ont été utilisés dans des applications de construction telles que des tuyaux, des fenêtres et des carreaux28. Les plastiques recyclés ont un énorme potentiel pour produire des WPC à moindre coût avec de meilleures qualités que les plastiques vierges. La sciure de bois des scieries et les déchets de polymères sont de graves polluants environnementaux qui nécessitent une attention urgente dans la plupart des pays en développement du monde. Le recyclage du plastique et de la sciure de bois servira de matières premières possibles pour la production de composites biopolymères qui peuvent également servir de solution pour lutter contre la pollution de l'environnement et éviter les catastrophes.

À la suite de ce défi environnemental, cette étude vise à fournir des informations sur la stabilité dimensionnelle et les propriétés mécaniques des WPC extrudés-compressés renforcés avec des particules de bois de quatre essences de bois cultivées au Nigéria. Cette étude a considéré des facteurs tels que la taille spécifique des particules, la température de traitement et la pression comme une constante par rapport à des facteurs variables tels que le rapport plastique/bois et différentes essences de bois indigènes sur une extrudeuse à vis unique fabriquée localement au Nigeria.

Les essences de bois utilisées pour fabriquer les échantillons de cette enquête provenaient de diverses sources, notamment Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni et Nauclea diderichii. La branche des scieries du Département du développement et de l'utilisation des produits forestiers de l'Institut de recherche forestière du Nigéria, Ibadan, État d'Oyo, a collecté des particules de bois de ces essences. Les déchets de sacs d'eau emballés en plastique ont été fournis par l'usine d'emballage d'eau de DFRIN Consultancy Company à l'Institut de recherche forestière du Nigeria. Toutes les méthodes ont été réalisées conformément aux directives et réglementations en vigueur.

Particules de bois frais provenant de bois scié de Gmelina Arborea ; Tectona grandis, Cordia milleni et Nauclea diderichii ont été soigneusement tamisés avec un treillis métallique de 0,25 mm (250 µm) pour obtenir de la poussière de bois. La poussière de bois tamisée de manière homogène pour chaque essence de bois a été séchée au four à 103 ± 2 °C pendant 24 h pour atteindre une teneur en humidité de 4 %. Les sacs d'eau emballés ont été soigneusement lavés pour éliminer les taches et les particules indésirables comme le sable. Il a été séché et broyé en particules à l'aide d'un broyeur à marteaux industriel de 50 ch (fabriqué par la société d'ingénierie Lucas, Lagos, Nigéria) disponible au Département du développement et de l'utilisation des produits forestiers et soigneusement tamisé avec un treillis métallique de taille 0,25 mm (250 µm ). Chaque proportion de bois et de PE recyclé nécessaire pour les échantillons a été soigneusement mélangée à la main et introduite dans une extrudeuse à vis unique (fabriquée par la société d'ingénierie Lucas, Lagos, Nigéria), également disponible au Département du développement et de l'utilisation des produits forestiers (Fig. 1). L'extrudeuse a une trémie pour alimenter les matériaux à la machine ; ces matériaux ont été prémélangés et autorisés à voyager à travers le baril à une température contrôlée fournie par les appareils de chauffage ; le canon a une vis conçue pour mélanger, mélanger et pousser le matériau fondu à travers la filière (Fig. 2). Les matériaux fondus ont été injectés dans un moule métallique de dimension dimensionnelle 6 cm × 6 cm × 12 cm et compressés pour produire des planches plates sous une presse hydraulique de 175 N/mm pendant 45 min. Après cela, les panneaux ont été démoulés du moule et découpés en éprouvettes selon 29, 30 pour déterminer les propriétés dimensionnelles et mécaniques.

Extrudeuse monovis.

Extrudeuse de prémélange.

Avant le test d'immersion dans l'eau, la densité du composite a été calculée en utilisant le poids et le volume anhydre. La masse volumique est le rapport de la masse d'une éprouvette à son volume, calculé à 0,01 g/cm3 près conformément à31, et calculé avec D = m/v, où D est la masse volumique en (g/cm3), m est la masse en (g), et V est le volume en (cm3). Les éprouvettes étaient carrées avec des côtés mesurant 100 mm. l'échantillon a été conditionné à masse constante dans une atmosphère d'humidité relative de 65 ± 5 % et à une température de 20 °C ± 2 °C.

La taille de l'échantillon de 76,2 mm × 25,4 mm × 6,4 mm dans chaque WPC a été mesurée et soumise à un traitement par immersion dans l'eau pendant 24 h conformément à 29, à une température ambiante de 26 ± 1 °C, ceci afin d'observer la réaction des échantillons de WPC à l'exposition à l'eau. Les mesures telles que le poids, la longueur et l'épaisseur de chaque échantillon ont été prises après avoir été retirées de l'eau à une période stipulée et toute l'eau de surface a été essuyée avec un chiffon sec. Ces tests ont été calculés en utilisant Absorption d'eau (%) = Wt−Wo/Wo × 100%, où Wo et Wt sont la masse anhydre (g) et la masse (g) après le temps t, dans le test d'immersion dans l'eau, respectivement . L'épaisseur de chaque échantillon composite a été mesurée lors des essais d'immersion dans l'eau pour déterminer le gonflement en épaisseur (TS) à l'aide de l'équation suivante : Gonflement en épaisseur (%) = Tt−To/To × 100 %, où To et Tt sont l'épaisseur du panneau ( mm) avant et après l'immersion dans l'eau, respectivement.

Des essais de flexion en trois points ont été effectués sur des éprouvettes de résistance à la flexion de dimensions 123,5 mm × 12,7 mm × 6,4 mm (épaisseur) à l'aide d'une machine d'essai universelle standard du modèle WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, Chine). Conformément à la norme30, un bâti de charge 858 avec une cellule de charge de 50 kN et une vitesse de traverse de 2,8 mm/min a été utilisé. Les tests de flexion ont également été répétés trois fois pour chaque formulation composite à des températures ambiantes de 23 2 °C et 50 5 % d'humidité relative. La résistance à la flexion (MOR) a été calculée pour la courbe charge-déformation en utilisant S = 3PL/2bh2, où S est la contrainte de flexion maximale, P est la charge en un point donné sur la courbe charge-déformation, en (N) ; L est la portée du support, en (mm); b est la largeur de la poutre testée, en (mm). ; et h est la profondeur de la poutre testée, (mm). Conformément à 30, qui décrit la détermination du module d'élasticité (MOE) ou module de flexion, qui est le rapport de la contrainte à la déformation correspondante. Il est calculé en traçant une tangente à la partie droite initiale la plus raide de la courbe charge-déformation, qui est essentiellement une charge à laquelle l'éprouvette fléchit de 1 (mm). Le module d'élasticité en flexion (MOE) dans les essais de flexion est calculé dans la limite linéaire en utilisant E = PL3/4bh3D, où E est le module d'élasticité (module de flexion) en flexion, en (N/mm2) ; P est la charge à la partie droite initiale la plus raide de la courbe charge-déformation, en (N) ; L est la portée du support, en (mm); b est la largeur de la poutre testée, en (mm) ; h est la profondeur de la poutre testée, po (mm); et D est la flèche à la charge P en (mm).

La machine d'essai universelle a été utilisée pour tester des éprouvettes de barre de traction de type I avec des dimensions de 165 mm × 19 mm × 6,4 mm (épaisseur) du modèle WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, Chine) 810 bâti de charge avec 50 kN cellule de charge à une vitesse de traverse de 2,8 mm/min et support inférieur de 100 mm. Un extensomètre a été utilisé pour mesurer l'allongement (déformation) de l'éprouvette sur une longueur de référence de 25 mm. Les essais de traction ont été effectués conformément à32. Pour chaque formulation composite, toutes les mesures ont été effectuées à température ambiante (23 2 °C et 50 % HR pendant au moins 40 h) et reproduites cinq fois. La charge maximale en Newton a été divisée par la section minimale d'origine de l'éprouvette en mètres carrés pour calculer la résistance à la traction. Le module d'élasticité de Young (MOE) a été calculé en utilisant la partie linéaire initiale des courbes charge-allongement. La MOE est calculée en divisant l'augmentation de la contrainte tout au long de cette période linéaire par l'augmentation de la déformation.

L'analyse graphique et l'analyse de la variance ont été utilisées pour traiter les données de test recueillies pour l'évaluation des variables d'étude utilisées dans cette étude. L'analyse graphique permet de voir simplement la tendance de toute relation possible entre la variable d'étude et un certain attribut du conseil. Des plans factoriels 3 par 4 dans un plan complètement randomisé ont été adoptés pour déterminer le niveau de signification de l'effet principal et interactif qui pourrait émerger. Cette étude a utilisé le package SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) version 20.0 pour l'analyse de la variance (ANOVA). Pour évaluer la différence entre les moyennes et identifier la combinaison de traitement optimale à partir des critères considérés, le test de plage multiple de Duncan (DMRT) a été utilisé pour séparer les moyennes de traitement. L'ANOVA a été utilisée pour déterminer l'importance relative de nombreuses sources de variation de la densité du panneau, de l'absorption d'eau, du gonflement de l'épaisseur, du module de rupture et de l'élasticité dans les applications de flexion et de traction. Les différences dans les essences de bois et le rapport proportionnel ont été les principaux effets étudiés. Les effets d'interaction entre les composants primaires ont également été pris en compte. Les WPC ont été produits à trois niveaux proportionnels de PE/bois de 60/40, 70/30 et 80/20 sur les essences de bois de Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni et Naudea diderichii.

Les valeurs moyennes pour toutes les propriétés sont présentées dans le tableau 1. Il montre que les valeurs observées de densité, d'absorption d'eau et de gonflement en épaisseur obtenues dans cette étude variaient de 0,06 g/cm3 à 1,43 g/cm3, 0,38 % à 3,41 %, et 0,82 % à 6,85 %, respectivement. Comme présenté dans le tableau 1, la densité observée pour les composites varie selon les différentes essences de bois. De même, dans le tableau 1, la densité observée varie également selon les différentes proportions de mélange. Cordia milleni avait la densité la plus élevée des essences de bois utilisées dans l'étude, par rapport aux autres essences de bois. Dans le rapport de mélange, 70/30 (PE/bois) a la densité la plus élevée observée à 0,38 g/cm3, suivi de 60/40 et 80/20 (PE/bois) à 0,20 g/cm3 et 0,20 g/cm3. Cependant, en termes d'absorption d'eau et de gonflement en épaisseur, le tableau 1 montre que les valeurs d'absorption d'eau obtenues pour chaque essence de bois étaient de 0,84 %, 1,37 %, 1,49 % et 0,68 % pour Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii et Tectona grandis, respectivement. Les valeurs de gonflement en épaisseur obtenues pour chaque essence de bois étaient de 1,77 %, 2,13 %, 2,93 % et 4,82 % pour Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii et Tectona grandis, respectivement (tableau 1). Parmi les proportions de mélange employées dans l'étude, la valeur obtenue variait différemment pour l'absorption d'eau et le gonflement en épaisseur et s'est avérée être de 0,85 %, 0,62 %, 1,82 % et 4,28 %, 2,25 %, 2,20 % pour les proportions de mélange 60/40, 70/30 et 80/20 respectivement (tableau 1). Comme illustré dans les Fig. 3, 4, toutes les propriétés physiques montrent une tendance similaire pour la densité observée, l'absorption d'eau et le gonflement en épaisseur ; les valeurs obtenues diminuent à mesure que la proportion de bois par rapport à la teneur en plastique diminue. Les propriétés physiques observées sur les composites ont montré que les valeurs de densité, d'absorption d'eau et de gonflement en épaisseur obtenues pour chaque essence de bois varient différemment les unes des autres (Figs. 3, 4). La réaction des composites au test de trempage dans l'eau a révélé que les panneaux se comportaient de la même manière que le plastique car ils avaient plus de plastique comme matrice, ce qui encapsulait la fibre et l'empêchait d'absorber l'humidité, lui conférant ainsi une stabilité dimensionnelle élevée. Cela implique qu'à mesure que la proportion de plastique augmente, les valeurs d'absorption d'eau et de gonflement en épaisseur de la composition diminuent (figures 3 et 4). L'absorption d'humidité par les planches fabriquées à partir de différentes essences de bois varie également avec les proportions de mélange utilisées pour la production. Les valeurs obtenues dans cette étude concordent avec d'autres valeurs obtenues dans des études antérieures8,14,26,33. Le résultat est également en accord avec les observations trouvées dans des études précédentes par26 ; il a montré une diminution des propriétés dimensionnelles des WPC fabriqués à partir de particules de Gmelina Arborea à haute teneur en polyéthylène recyclé. L'auteur a également confirmé que l'augmentation de la teneur en plastique recyclé dans les charges de bois donne une meilleure stabilité dimensionnelle des planches. Une observation similaire a également été observée dans cette étude, qui pourrait être attribuée à la relation d'interliaison inhérente entre les interfaces plastique et bois. L'interface structurelle du plastique avec la pâte à bois s'est avérée élevée dans cette étude ; les pores étaient limités en raison de la force de compression exercée sur le mélange fondu, et les minuscules pores se sont également avérés présents à la surface des composites. Le plastique présent dans ce composite a empêché le bois naturellement hydrophile d'absorber l'humidité lorsqu'il entre en contact avec l'eau. Comme indiqué précédemment, la proportion de matières plastiques lorsque les produits composites biopolymères sont exposés au contact de l'humidité ; une teneur en plastique supérieure à la teneur en bois réduit les sites de résidence de l'eau pour l'absorption d'eau sur le composite. Les résultats de l'analyse de variance pour la densité d'absorption d'eau observée et le gonflement en épaisseur sont présentés dans le tableau 2. Comme le montre le tableau 2, tous les facteurs (interaction principale et à deux facteurs) étaient significatifs à un niveau de probabilité de 5 % pour la densité observée alors qu'ils ne sont pas significatifs. dans l'absorption d'eau. Dans le gonflement en épaisseur, seuls les facteurs principaux sont significatifs à un niveau de probabilité de 5 %.

Densité observée à partir de composites de biopolymères extrudés-compressés.

Stabilité dimensionnelle observée à partir de composites de biopolymères extrudés-compressés. Absorption d'eau WA, gonflement en épaisseur TS, polyéthylène PE, bois WD.

Le tableau 1 montre les caractéristiques de flexion moyennes des composites biopolymères générés à partir de diverses essences de bois et fractions de mélange. Comme présenté dans le tableau 3, les valeurs obtenues pour la résistance à la flexion et le module variaient de 8,34 Nmm-2 à 21,35 Nmm-2 et de 185,05 Nmm-2 à 550,8 Nmm-2, respectivement. Comme présenté dans le tableau 1, les valeurs de résistance et de module de flexion obtenues parmi les essences de bois étaient de 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 −2 et 353,81 Nmm−2 pour Gmelina Arborea, Cordia milleni, Tectona grandis et Nauclea diderichii respectivement. Alors qu'entre la proportion de mélange, le module de flexion et la résistance obtenus étaient de 17,52 Nmm−2, 11,97 Nmm−2, 15,43 Nmm−2 et 457,30 Nmm−2, 302,04 Nmm−2, 396,62 Nmm−2 pour 60/40, 70/ 30, 80/20, respectivement (tableau 1). Comme illustré dans les Fig. 5, 6, le module de flexion et la résistance font face à la même tendance. Lorsque la proportion de fibres de bois diminue, les valeurs de flexion obtenues diminuent également.

Module de flexion des composites biopolymères extrudés-compressés.

Résistance à la flexion des composites biopolymères extrudés-compressés.

De plus, la résistance à la flexion et le module trouvés dans les composites biopolymères varient différemment dans chaque essence de bois (Figs. 5, 6). Le tableau 2 montre le résultat de l'analyse des propriétés de flexion des données de variance. Comme présenté dans le tableau 2, seul le facteur d'essence de bois était significatif pour le module de flexion, tandis que le facteur de proportion de mélange était également significatif à un niveau de probabilité de 5 % pour la résistance à la flexion. Le résultat de ces résultats implique que les essences de bois influencent le module de flexion des composites biopolymères tandis que la proportion de mélange PE/bois influence également les propriétés de résistance des composites biopolymères. Le tableau 3 montre les résultats du test de plage multiple de Duncan (DMRT) effectué au niveau de signification ; les résultats ont été présentés en valeurs moyennes avec des lettres alphabétiques indiquant le niveau de signification parmi et entre les principaux facteurs pris en compte dans cette étude, les composites de biopolymères fabriqués à partir de particules de Nauclea diderichii, Tectona grandis et Gmelina Arborea n'étaient pas différents les uns des autres en termes de module de flexion et la résistance, mais significative pour les composites biopolymères fabriqués à partir de Cordia milleni. Le test de suivi a également confirmé que les composites biopolymères fabriqués à partir de 70/30 et 80/20 n'étaient pas significatifs les uns par rapport aux autres, mais significatifs par rapport à ceux fabriqués à partir de 60/40 (PE/bois).

Le tableau 1 montre les valeurs moyennes des caractéristiques de traction obtenues dans cette enquête pour les composites biopolymères fabriqués à partir de plusieurs essences de bois à divers rapports de mélange. Comme présenté dans le tableau 1, les valeurs obtenues pour la résistance à la traction et le module variaient de 1015,00 Nmm-2 à 1885,72 Nmm-2 et.

11,43 Nmm-2 à 24,38 Nmm-2 respectivement. Comme présenté dans le tableau 1, les valeurs de module de traction et de résistance obtenues parmi les essences de bois étaient de 18,83 Nmm−2, 18,84 Nmm−2, 19,04 Nmm−2, 17,35 Nmm−2 et 1541,01 Nmm−2, 1404,21 Nmm−2, 1273,25 Nmm −2, 1346,75 Nmm−2 pour Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii et Tectona grandis respectivement. Dans le même temps, les valeurs obtenues pour les proportions de mélange pour le module de traction et la résistance étaient de 1481,87 Nmm−2, 1398,59 Nmm−2, 1294,76 Nmm−2 et 20,79 Nmm−2, 17,02 Nmm−2 17,73 Nmm−2 pour 60/ 40, 70/30, 80/20 respectivement (tableau 3). Comme illustré sur les Fig. 7 et 8, le module de traction et la résistance avaient la même tendance ; plus la proportion de bois diminue, plus les valeurs obtenues pour la traction diminuent.

Module de traction de composites biopolymères extrudés-compressés.

Résistance à la traction des composites biopolymères extrudés-compressés.

De plus, les valeurs de résistance à la traction et de module obtenues varient selon les essences de bois (comme le montrent les figures 7 et 8). Comme le montre le tableau 2, à un niveau de probabilité de 5 %, l'analyse de la variance démontre que les essences de bois et la fraction de mélange sont significatives. Le test de suivi montre que le module de traction des composites biopolymères fabriqués à partir de Nauclea diderichii, Tectona grandis et Cordia milleni n'était pas significatif entre eux mais significatif pour Gmelina Arborea. En proportion de mélange, les composites biopolymères de 80/20 et 70/30 n'étaient pas significatifs l'un par rapport à l'autre mais significatifs à 60/40 (PE/bois). Contrairement au rapport sur le module, la résistance était différente ; tous les composites de biopolymères fabriqués à partir de Gmelina Arborea, Nauclea diderichii, Tectona grandis et Cordia milleni n'étaient pas significatifs les uns par rapport aux autres. Mais le même schéma avec le module a été observé dans la proportion de mélange pour la résistance, et les composites biopolymères étaient de 70/30 et 80/20, non significatifs l'un par rapport à l'autre mais significatifs à 60/40 (tableau 3). Cette étude a observé qu'à mesure que la proportion de plastique par rapport au bois augmente, les propriétés de traction et de flexion diminuent (Figs. 5, 6, 7, 8).

Les valeurs de module de flexion et de traction obtenues dans cette étude concordent avec l'étude menée par34,35. Comme on le voit dans le tableau 3, les valeurs obtenues par les composites biopolymères pour les propriétés de résistance pourraient être attribuées à l'incompatibilité entre les particules de bois utilisées et la matrice polymère. Il a été constaté que l'adhésion interfaciale entre les matériaux bi-composants confère de meilleures propriétés mécaniques au composite36. Cela pourrait également être attribué à l'arrangement de fibre à fibre de liaison interstructurelle (entrelacé), qui se chevauchait pour augmenter la concentration de contrainte, conduisant à une résistance plus élevée. et les particules de bois, qui peuvent ne pas permettre un transfert efficace des contraintes entre les deux phases du matériau qui dépendent de la proportion utilisée. Il y avait des variations dans la résistance et le module des composites fabriqués à partir de différentes essences de bois. Cela pourrait être dû à l'interaction de la résistance ou de la densité de chaque essence de bois avec le polymère, qui détermine les propriétés mécaniques des composites. Dans une étude menée par34, il a été découvert que les particules de bois dur surpassent la farine de résineux en termes de caractéristiques de traction et de température de déflexion thermique (la température à laquelle un échantillon de polymère ou de plastique se déforme sous une charge particulière). Cela signifie cependant que certaines particules d'essences de bois auront des améliorations de propriétés mécaniques plus élevées que d'autres essences. Il a été observé dans cette étude que les particules de Cordia Milleni et Gmelina Arborea ont obtenu de meilleures propriétés de flexion et de traction que les autres essences de bois. Cette étude a en outre observé qu'à mesure que la teneur en plastique augmentait jusqu'à la teneur en bois, les composites fabriqués avec Tectonia Grandis et Nauclea diderichii avaient des propriétés de traction plus élevées que les essences de bois à faible densité comme Cordia milleni et Gmelina Arborea (Figs. 7 et 8). Cette observation concordait avec le rapport de34 mais s'est avérée exacte avec la proportion de 80/20 de contenu en plastique par rapport au contenu en bois. Cette observation était différente dans les propriétés de flexion pour les composites biopolymères, comme on le voit sur les Fig. 5 et 6, particules d'essences de bois de plus faible densité (Cordia milleni a maintenu la tête des propriétés de flexion que d'autres à tous les rapports proportionnels, implique qu'une diminution de la teneur en particules de bois dans la matrice polymère, les composites biopolymères fabriqués à partir de Cordia milleni auront une amélioration élevée de la flexion Cela pourrait être attribué à la nature et au pourcentage de la composition chimique trouvée dans Cordia milleni37 a rapporté que la présence de cellulose, d'hémicelluloses, de lignine et d'autres composants trouvés dans Cordia milleni dans les bonnes proportions confirmait que le bois était très efficace pour divers travaux de construction. Cet attribut montre que Cordia milleni est une matière première idéale pour l'industrie lignochimique qui peut remplacer l'industrie pétrochimique pour la production de plastique et également aider à la production de toutes sortes de produits chimiques pour les produits alimentaires et textiles 37. Il est possible que ce particulier Le composant chimique de Cordia milleni aurait pu améliorer le support de matrice existant à la fibre de bois, donnant ainsi des liaisons inter-structurelles plus fortes qui ont augmenté le transfert de contrainte et la concentration de contrainte dans les composites pour donner des propriétés de résistance plus élevées et de meilleures stabilités dimensionnelles.

Les résultats de cette enquête ont révélé que la proportion de mélange et les essences de bois avaient un impact substantiel sur les propriétés physiques et mécaniques des composites biopolymères. La proportion de PE/bois et essences de bois affecte de manière significative la vitesse de mouvement de l'eau dans les composites biopolymères et peut également modifier les propriétés mécaniques des composites biopolymères. Il a été révélé que les composites biopolymères fabriqués à partir d'une faible teneur en plastique par rapport à la teneur en bois présentaient les meilleures propriétés mécaniques en termes de capacité de charge et de rigidité tout en conservant une stabilité dimensionnelle élevée. Par conséquent, il est conclu dans cette étude que les composites biopolymères fabriqués à partir de 60/40 (PE/bois) ont obtenu les meilleures performances en termes de propriétés d'utilisation pour la production de produits tels que les carreaux de sol et de mur. De plus, parmi toutes les essences de bois étudiées, le Cordia milleni a été considéré comme le meilleur bois parmi d'autres pouvant être utilisé pour les produits biopolymères pour les applications extérieures, intérieures et porteuses.

Le résultat de cette enquête de recherche a donné les recommandations suivantes;

Les particules de Cordia milleni pourraient également servir de matière première pour la production de produits biopolymères pour des applications extérieures et intérieures

Le rapport proportionnel PE/bois joue un rôle crucial dans la détermination des propriétés d'utilisation. Tous les composites biopolymères fabriqués à partir de tous les ratios avaient des valeurs dimensionnelles très faibles. Pourtant, les composites à partir de 80/20 présentent les meilleures performances exceptionnelles en matière de stabilité dimensionnelle.

Les essences de bois à densité plus élevée comme Nauclea diderichii et Tectona grandis présentent des performances de résistance améliorées à 80/20 par rapport aux essences de bois à densité moyenne et faible (Cordia milleni et Gmelina Arborea).

En termes de capacité portante, la particule de Cordia milleni peut être utilisée pour la production de produits biopolymères pour des applications intérieures et extérieures. En revanche, Gmelina arborea, Nauclea diderichii et Tectona grandis peuvent être utilisés dans un environnement humide.

Des recherches supplémentaires devraient être menées sur diverses espèces indigènes de bois et non ligneuses comme matières premières pour la fabrication de produits composites biopolymères. De plus, leur composition chimique doit également être effectuée, car cela peut également être un facteur d'influence sur les performances de ces essences de bois.

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DO Oguntayo

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KSA, AOO et FZA ont conçu l'idée présentée. KSA et AOO ont développé la théorie et supervisé la collecte de données. FZA et DOO ont vérifié les méthodes d'analyse et analysé les données. Tous les auteurs ont discuté des résultats et contribué au manuscrit final.

Correspondance au DO Oguntayo.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Aina, KS, Oladimeji, AO, Agboola, FZ et al. Stabilité dimensionnelle et propriétés mécaniques des composites biopolymères extrudés-compressés fabriqués à partir d'essences de bois cultivées au Nigéria dans des proportions variables. Sci Rep 12, 10545 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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Reçu : 16 décembre 2021

Accepté : 10 juin 2022

Publié: 22 juin 2022

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

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