Flax fibers, along with a number of other natural fibers, are being considered as an environmentally friendlier alternative of synthetic fibers in fiber-reinforced polymer composites. A common feature of natural fibers is a much higher variability of mechanical properties. This necessitates study of the flax fiber strength distribution and efficient experimental methods for its determination. Elementary flax fibers of different gauge lengths are tested by single fiber tension in order to obtain the stress-strain response and strength and failure strain distributions. The applicability of single fiber fragmentation test for flax fiber failure strain and strength characterization is considered. It is shown that fiber fragmentation test can be used to determine the fiber length effect on mean fiber strength and limit strain. The effect of mechanical damage in the form of kink bands and of diameter variability on the strength of elementary flax fibers is considered. Stiffness and strength under uniaxial tension of flax fiber composites with thermoset and thermoplastic polymer matrices are studied. The applicability of rule of mixtures and orientational averaging based models, developed for short fiber composites, to flax reinforced polymers are evaluated. Both the quasi-static and time dependent mechanical properties of flax fiber/thermoplastic starch based composites are analyzed. The effect of temperature and relative humidity is investigated. It is found that microdamage accumulation in this type of composites is not significant. Results show that the composite elastic modulus and failure stress are linearly related to the maximum stress reached by the matrix in tensile tests. Simple material models are suggested to account for the observed nonlinear viscoelasticity and viscoplasticity. / Godkänd; 2009; 20091029 (edgspa); DISPUTATION Ämnesområde: Polymera konstruktionsmaterial/Polymeric Composite Materials Opponent: Docent Kristofer Gamstedt, Kungliga Tekniska Högskolan, Stockholm Ordförande: Docent Roberts Joffe, Luleå tekniska universitet Tid: Onsdag den 9 december 2009, kl 10.00 Plats: E 231, Luleå tekniska universitet

Biocomposites made from biodegradable polymer as matrix and natural fiber as reinforcement are certainly environmentally friendly materials. Both constituent materials are fully biodegradable and do not leave any noxious components on Earth. The natural fibers have been used as reinforcement due to their advantages compared to glass fibers such as low cost, high specific strength and modulus, low density, renewability and biodegradability. Major aims of this work were to produce natural fibers and/or nanoparticles with polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polylactide (PLA), poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) matrices and determine their structure-property relationships. Following abstracts of the present research work are manifold: BINARY COMPOSITES Polylactide (PLA)/flax mat composites The polylactide (PLA)/flax mat and modified PLA/flax mat composites were produced by hot press technique. Two additives of non-regulated wax/ethylene acrylate copolymer/butyl acrylate and acrylic were used as modifier for PLA. The dispersion of the flax mat in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical and thermal properties of the composites were determined in tensile test, thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the PLA based composites increased the impact resistance. The tensile strength value of modified PLA/flax mat composite decreased slightly compared to the PLA. The elongation at break data indicated that an improvement in ductility of modified PLA and its composites. Moreover, addition of thermal modifier enhanced thermal resistance below processing temperature of PLA and had a marginal effect on the glass transition temperature of PLA. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The principle of linear viscoelastic material was fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance for all systems studied. Polylactide (PLA)/woven flax textiles composites The polylactide (PLA)/woven flax textiles 2x2 twill and 4x4 hopsack composites were produced by interval hot press technique. Two weave styles of flax used to reinforce in PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was inspected in scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical properties (tensile, stiffness and strength) of the composites were determined in tensile and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) tests, respectively. SEM observed that the interfacial gaps around pulled-out fibers were improved when produced by the interval hot press. It was also found that the both styles of flax composites increased the impact resistance compared to the neat PLA. The tensile strength and stiffness value of PLA/flax composites were markedly higher than that of the neat PLA and reflect the effects of composite structures. The calculated storage creep compliance was constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The calculated creep response of these flax composites was much lower than that of the neat PLA. Polyethylene and polypropylene/nano-silicon dioxide/flax composites Composites composed of polylactide (PLA), modified PLA and woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) were produced by hot press technique. Two structurally different additives used to modify PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and computed microtomography system (µCT). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The thermomechanical and creep properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA)and short-time creep tests, respectively. It was found that the modified PLA and its composite increased the impact resistance compared to the unmodified PLA. Incorporation of flax decreased resistance to thermal degradation and increased water uptake. The impact energy and stiffness value of PLA/flax composites was markedly higher than that of PLA but reflect the effects of composite structures and flax content. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. From the master curve data, the effect of modified PLA on the storage modulus was more pronounced in the low frequencies range. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites The textile biocomposites made from woven and non-woven flax fibre reinforced poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) were prepared by compression moulding using film stacking method. The mechanical properties (such as tensile strength and stiffness, flexural strength and modulus, and impact strength) of textile biocomposites were determined in tensile, flexural and impact tests, respectively. The PBAT-based composites were subjected to water absorption. The comparison of the mechanical properties was made between pure PBAT and textile composites. The influence of flax weave styles on the mechanical properties was also evaluated. The results showed that the strength of the textile biocomposites was increased according to weave types of fibers, especially in the stiffness was significantly increased with the higher densification of the fibers. The 4x4-plain woven fibers (4-yard-wrap and 4-yard-weft weave direction) reinforced biocomposite indicated the highest strength and stiffness compared to the other textile biocomposites and pure PBAT. This was considered to be as the result of the character of weave style of 4x4-plain woven fibers. The aminopropyltriethoxysilane affected the mechanical properties and water absorption of the resulting composites laminates due to the surface compatibility between flax fiber and PBAT. HYBRID COMPOSITES Polyethylene/nanoparticle, natural and animal composites Binary and ternary composites composed of high-density polyethylene (HDPE), boehmite alumina (BA) and different kinds of natural-, animal fibers, like flax, sponge gourd (SG), palm and pig hair (PH) were produced by hot press technique. Aqueous BA suspensions were sprayed on the HDPE/flax mat to prepare nanoparticle/natural fiber reinforced ternary polymer composites followed by drying. The dispersion of the natural-, animal fibers and BA particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and discussed. The thermomechanical and stress relaxation properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and short-time stress relaxation tests (performed at various temperatures), respectively. The HDPE based composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. It was found that the all composites systems increased the stiffness, stress relaxation and reduced the impact toughness. The stress relaxation modulus of natural-, animal fiber composites were higher compared to that of the neat HDPE. This modulus increased greatly with in corporation of BA. The relaxation master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The inverse of Findley power law could fairly applicable to describe the relaxation modulus vs. time traces for all systems studied. Incorporation of BA particles enhanced the thermal resistance which started to degrade at higher temperature compared to the HDPE/flax mat composite. The HDPE/flax mat/BA composite could reduce the water uptake. Polyethylene/Flax/SiO2 Composites Composites composed of high-density polyethylene (HDPE), woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press with nano spraying technique. The SiO2 slurries were sprayed by a hand onto the both surface of the woven flax fiber. The HDPE /woven flax fibers composites with and without used nano-spraying technique were produced by hot pressing in a laboratory press. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal resistance, stiffness and tensile strength properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and tensile tests, respectively. It was found that the impact energy and stiffness value of HDPE/flax composites was markedly higher than that of HDPE but reflect the effects of composite structures and flax content. Incorporation of SiO2 particles enhanced resistance to thermal degradation. It was established that the linear viscoelastic material principle are fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance results. Un- and Modified Polylactide (PLA) /woven Flax Fiber composites Hybrid composites composed of polypropylene (PP) or high-density polyethylene (HDPE), different flax fibers (unidirectional-, biaxial and twill2x2) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press technique. The ternary polymer composite was effectively fabricated by spraying SiO2 solvents onto the surface of flax fiber. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related PP and HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal and mechanical properties of the composites were determined by thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), creep and stress relaxation tests, respectively. It was found that thermal decomposition temperature of the PP or HDPE/flax composites increased by the addition of SiO2 particles. The impact energy, stiffness, creep resistance and relaxation modulus value of all flax composites increased markedly compared to the PP and HDPE matrix. Time–temperature superposition (TTS) was applied to estimate the creep and relaxation modulus of the composites as a function of time in the form of a master curve. The activation energies for the all PP and HDPE composites systems studied were also calculated by using the Arrhenius equation. The generalized Maxwell model was fairly applicable to the stress relaxation results. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites Composites composed of polylactide (PLA), woven flax fiber textiles (weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and boehmite alumina (BA) were produced by hot press. The spraying technique served for the pre-dispersion of the alumina nanoparticles. The aqueous alumina slurry was produced by mixing the water with water dispersible alumina. The dispersion of the flax structures and alumina particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The creep and thermomechanical properties of the composites were determined in short-time creep tests (performed at various temperatures), thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the incorporation of alumina particles reduced the water uptake compared to the PLA/flax blends. The impact energy and stiffness value of PLA/flax blends was markedly higher than that of PLA but reflected the effects of composite structures. Incorporation of alumina particles enhanced storage modulus and the creep resistance compared to the PLA/flax blends but slightly incremented thermal resistance at high temperature. No clear trend in the flax weave style- effect was found in the thermal behaviour. The creep master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The Findley power law could satisfactorily describe the creep compliance vs. time traces for all systems studied. Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)/sisal natural fiber/clay composites Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) biocomposites different sisal containing with the fiber length of 0.25 and 5 mm, and addition of clay particles were prepared by hot compression technique. Silane (Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) treatment has been used to modify in order to enhance the properties of related hybrid composites. The all composites were subject to water absorption test. The mechanical properties of hybrid composites such as tensile stiffness and strength, toughness and hardness determined in tensile, impact and hardness tests, respectively. It was found that tensile strength, stiffness and impact strength of long sisal fiber improved with increasing fiber content. Hardness of short sisal fiber improved with increasing fiber content. Treated Silane of long fibers at 20 wt.% loading was found to enhance the tensile strength fiber by 10% and impact strength by 750% as compared to the neat PHBV. Note that this feature was also confirmed by the appearance of a scanning electron microscopy. Moreover, the hardness and water resistance of the PHBV/sisal composites increased by the addition of clay particles. The diffusion coefficient for the PHBV and hybrid composites systems studied were also calculated. / Bioverbundwerkstoffe aus biologisch abbaubarem Polymer als Matrix und Naturfasern als Verstärkung sind ohne weiteres umweltfreundliche Materialien. Beide Bestandsmaterialien sind vollständig biologisch abbaubar und hinterlassen keine schädlichen Bestandteile auf der Erde zurück. Die als Verstärkung verwendeten Naturfasern wurden aufgrund ihrer Vorteile gegenüber Glasfasern, wie z.B. geringe Kosten, hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, geringe Dichte, Erneuerbarkeit und Kompostierbarkeit ausgesucht. Der Hauptfokus dieser Arbeit lag darin Naturfasern und/oder Nanopartikel mit Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polylactid (PLA) herzustellen, sowie Poly-Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat (PHBV) Matrizen und deren Struktur-Eigenschaft-Verhältnis zu bestimmen. Die folgenden Kurzfassungen der vorliegenden Forschungsarbeit sind vielfältig: BINÄRE VERBUNDWERKSTOFFE Polylactid (PLA)/ Flachsmatten-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachsmatte und modifizierte PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe wurden im Pressverfahren hergestellt. Als Modifikator für das PLA wurden zwei nicht regulierte Wachs/Ethylen-Acrylat-Copolymer/Butyl-Acrylat und Acryl Additive verwendet. Die Verteilung der Flachsmatte in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden im Zugversuch, der thermogravimetrische Analyse (TGA) und der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) jeweils bestimmt. Es zeigte sich, dass die PLA/Flachsmatten-basierten Verbundwerkstoffe eine erhöhte Schlagzähigkeit aufwiesen. Die Zähigkeitswerte der modifizierten PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe waren leicht verringert im Vergleich zum PLA. Die Bruchdehnungswerte zeigten eine Verbesserung der Verformbarkeit des modifizierten PLAs und dessen Verbundwerkstoffe. Nach Zugabe eines Wärme-Modifikators verbesserte sich der Wärmewiderstand auf unter Verarbeitungstemperatur des PLA und hatte nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur des PLA. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit der Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) aufgestellt. Auf alle untersuchten Systeme konnte das dafür gut geeignete Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe angewendet werden um die Steifigkeit in die Kriechneigung umzuwandeln. Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung-Verbundwerkstoffe wurden im Intervall-Pressverfahren hergestellt. Das PLA wurde mit zwei Flachsgewebeformen verstärkt. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstrukturen in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Steifigkeit und Festigkeit) der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Zugversuchen und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Das Rasterelektronenmikroskop zeigte auf, das der Grenzflächenzwischenraum von rausgezogenen Fasern sich durch das Herstellen im Intervall-Pressverfahren verbessert hat. Auch zeigte sich, dass beide Arten der Flachs-Verbundwerkstoffe die Schlagzähigkeit der Verbundwerkstoffe erhöht im Vergleich zum puren PLA. Die Zugfestigkeit- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe waren deutlich höher als die der puren PLA und spiegeln die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Die berechnete Kriechneigung im Speichermodul wurde durch die Anwendung des Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzips aufgestellt. Die errechnete Kriechgeschwindigkeit der Flachs-Verbundwerkstoffe war wesentlich geringer als im puren PLA. Polyethylen und Polypropylen/Nanosilikon Dioxid/Flachs-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe hergestellt aus Polylactid (PLA), modifiziertem PLA und Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform von 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) wurden im Pressverfahren hergestellt. Zwei strukturell unterschiedliche Additive wurden verwendet um das PLA zu modifizieren. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstruktur wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und dem computergestütztes Computer-Tomography-System (µCT) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Kriechversuch bestimmt. Das modifizierte PLA und dessen Verbundwerkstoffe zeigten eine Erhöhung der Schlagzähigkeit im Vergleich zum unmodifizierten PLA. Die Einbindung von Flachs verringerte den Widerstand gegenüber thermischer Degradierung und erhöhte die Wasseraufnahme. Die Schlagenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe war deutlich höher als die der PLA aber spiegelt die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen mit Flachsinhalt wieder. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Datenmaterial der Hauptkurve zeigte den Effekt des modifizierten PLAs auf dem Speichermodul deutlich ausgeprägter im Bereich der Niederfrequenz. Polylactide (PLA)/Flachfasertextilgewebe/Böhmit Aluminumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Die textilen Bioverbundwerkstoffe wurden aus flachsfaserverstärkten Poly(Butylen Adipat-Co-Terephtalat) (PBAT) Gewebe und Vlies im Formpressverfahren mit der Folien-Stapelmethode hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften (wie Zugfestigkeit und Steifigkeit, Biegefestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit) der jeweiligen textilen Bioverbundwerkstoffe wurde in Zug-, Biege-, und Schlagtests ermittelt. Die PBAT basierten Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften wurde zwischen reinem PBAT und textilen Verbundwerkstoffen durchgeführt. Der Einfluss der Flachsgewebeformen auf die mechanischen Eigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse zeigten das die Festigkeit der textilen Bioverbundwerkstoffe mit der Webart der Fasern anstieg, signifikant in Bezug auf die Steifigkeit bei einer erhöhten Verdichtung der Fasern. Die 4x4 flachfasergewebten (4-Schussfaden-Windung und 4-Kettfaden-Windung) verstärkten Bioverbundwerkstoffe zeigten die höchste Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu den anderen textilen Bioverbundwerkstoffen und dem puren PBAT. Dieses Resultat wurde der Beschaffenheit der 4x4-flachfasergewebten Webart zugewiesen. Das Aminopropyltriethoxysilan beeinträchtigte die mechanischen Eigenschaften und Wasseraufnahme der entstandenen Verbundlaminate durch Oberflächenkompatibilität zwischen der Flachsfaser und dem PBAT. HYBRIDE VERBUNDWERKSTOFFE Polyethylen/Nanopartikel, natürliche und tierische Verbundwerkstoffe Binäre und ternäre Verbundwerkstoffe, bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Böhmit Aluminumoxid (BA) und verschiedenen natürlichen und tierischen Fasern wie Flachs, Schwammgurke (SG), Palmfaser und Schweinehaar (PH), wurden im Pressverfahren hergestellt. Vorbereitend wurden wasserhaltige BA-Suspensionen auf die HDPE/Flachsmatte gesprüht um nanopartikel/naturfaserverstärkte ternäre Polymer-Verbundwerkstoffe nach dem Trocknen zu erhalten. Die Verteilung der Natur-,Tierfasern und der BA-Partikel in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht und diskutiert. Die thermomechanischen und Spannungsrelaxation-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Stressrelaxationstest (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt) bestimmt. Die HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Es wurde festgestellt, dass alle Verbundwerkstoffsysteme eine Erhöhung der Steifigkeit und Spannungsrelaxation und eine Verminderung der Kerbschlagzähigkeit aufzeigten. Die Spannungsrelaxations-Steifigkeit von Naturfaser-, Tierfaserverbundwerkstoffen war größer im Vergleich zu reinem HDPE. Diese Steifigkeit steig deutlich an mit der Einbindung von BA. Die Hauptkurven der Relaxation wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Die Umkehrung des Findley Potenzgesetzes konnte gut für die Beschreibung der Relaxations-Steifigkeit vs. Zeitüberwachung in allen untersuchten Systemen angewendet werden. Die Einbindung der BA-Partikel erhöhte den Wärmewiderstand, welcher bei höherer Temperatur zu sinken begann im Vergleich zu HDPE/Flachsmatten-Verbundwerkstoff. Der HDPE/Flachsmatte/BA-Verbundwerkstoff konnte die Wasseraufnahme verringern. Polyethylen/Flachs/SiO Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren mit Nanospritztechnik hergestellt. Die SiO2 Schlämme wurden auf beide Oberflächen des Flachsfasergewebes per Hand gesprüht. Die HDPE/ Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe wurden in einer Laborpresse im Pressverfahren mit und ohne Nanospritztechnik hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Der Wärmewiderstand, Steifigkeit- und Zugfestigkeit-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) und Zugversuchen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Aufprallenergie und Steifigkeitswerte der HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe deutlich höher als die des HDPE waren aber die Effekte von Verbundwerkstoffen mit Flachsinhalt widerspiegeln. Die Einbindung von SiO2-Partikeln erhöhte den Widerstand von thermischer Degradierung. Es wurde bestimmt, das das Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe gut anwendbar auf die Umwandlung der Steifigkeit zu Kriechneigungsergebnissen ist. Modifizierte und nicht modifizierte Polylactid (PLA)/Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe Hybride Verbundwerkstoffe aus Polypropylen (PP) oder hoch-dichtem Polyethylen (HDPE), verschiedenen Flachsfasern (unidirektional, biaxial und 2x2 Körper) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren hergestellt. Der ternäre Polymer-Verbundwerkstoff wurde wirkungsvoll durch das Aufbringen von SiO2 Lösemitteln auf die Oberfläche der Flachsfaser hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen PP- und HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurde in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA), Kriech- und Spannungsrelaxations-Tests bestimmt. Es zeigte sich, dass die thermische Zersetzungstemperatur der PP oder HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe durch das Auftragen der SiO2-Partikel ansteigt. Die Aufprallenergie-, Steifigkeit-, Kriechbeständigkeit- und Relaxation-Steifigkeitn-Werte aller Flachs-Verbundwerkstoffe stiegen deutlich an im Vergleich zur PP und HDPE Matrix. Die Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) wurde angewandt um die Kriech- und Relaxation-Steifigkeit für die Verbundwerkstoffe als Funktion der Zeit in Form einer Hauptkurve zu schätzen. Die Aktivierungsenergien aller untersuchten PP und HDPE-Verbundwerkstoffsysteme wurden mit der Arrhenius Gleichung errechnet. Das generalisierte Maxwell Model war gut auf die Spannungsrelaxationsergebnisse anwendbar. Polylactide (PLA)/Flachsfasertextilgewebe/Böhmit Aluminiumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus Polylactid (PLA), Flachfasertextilgewebe (Gewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Böhmit Aluminium (BA) wurden im Pressverfahren hergestellt. Für die Vordispergierung der Aluminiumoxid-Nanopartikel wurde die Spritztechnik angewendet. Die wasserhaltigen Aluminiumoxid-Schlämme wurden durch das Vermischen von Wasser mit wasserdispergierbarem Aluminiumoxid hergestellt. Die Verteilung der Flachsstrukturen und Aluminiumoxid-Partikeln in den Verbundwerkstoffen wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Kurzzeit-Kriechversuchen (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt), thermogravimetrischen Analysen (TGA) und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Es zeigte sich, dass das Einbringen der Aluminiumoxid-Partikel die Wasseraufnahme im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen reduziert. Die Aufprallenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Gemische waren signifikant höher als die des PLA aber spiegelten die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Das Einbringen von Aluminiumoxid-Partikeln verbesserte die Lagerungs-Steifigkeit und die Kriechbeständigkeit im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen, erhöhte allerdings leicht den Wärmewiderstand bei hohen Temperaturen. Kein klarer Trend in der Flachswebart konnte dem Temperaturverhalten zugeordnet werden. Die Kriech-Hauptkurven wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Findley Potenzgesetz konnte zufriedenstellend die Kriechneigung vs. Zeitüberwachung für alle untersuchten Systeme beschreiben. Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat)/Natursisalfaser/Ton-Verbundwerkstoffe Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat) (PHBV) Bioverbundwerkstoffe die Sisalfasern in Längen von 0,25 und 5 mm und Ton-Partikeln enthalten wurden im Heißpressverfahren hergestellt. Die Silan (Bis(Trithoxysilylpropyl)Tetrasulfide) Behandlung wurde für die Modifizierung verwendet um die Eigenschaften von ähnlichen hybriden Verbundwerkstoffen zu verbessern. Alle Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften der jeweiligen hybriden Verbundwerkstoffe wie Zugsteifigkeit und Festigkeit, Zähigkeit und Härte wurden in Zugversuchen, Schlagtests und Härteprüfungen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Zugfestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit von langen Sisalfasern sich mit der Erhöhung des Fasergehalts verbessert. Behandeltes Silan von langen Fasern mit 20 wt.% Belastung zeigte eine Verbesserung der Faser-Zugfestigkeit um 10% und Schlagzähigkeit von 750% im Vergleich zu reinem PHBV. Diese Besonderheit wurde auch von einem Rasterelektronenmikroskop bestätigt. Weiterhin ist die Härte und Wasserbeständigkeit in PHBV/Sisal-Verbundwerkstoffen durch das Einbringen von Ton-Partikeln angestiegen. Die Diffusionskoeffizienten für die untersuchten PHBV- und hybriden Verbundwerkstoffsysteme wurden auch errechnet.

Al pasar de los años se han ido utilizando distintos tipos de materiales en el ámbito de la construcción, tales como el barro, piedra, adobe y entre otros. Estos se han visto desplazados debido a la existencia de otros materiales que brindan mayor resistencia, como el uso de concreto. Sin embargo, para las personas con déficit económico, trabajar con concreto puede resultar costoso y se ven obligadas a utilizar materiales de bajo costo, como el adobe. El principal problema de este material es su baja resistencia a la compresión y a la tracción. Por esta razón, se propone el uso de fibra de lana en las unidades de adobe y el reforzamiento de la mampostería con ferrocemento. Para llevar a cabo la investigación fue necesario realizar el estudio del suelo in situ para obtener información acerca de sus características físicas. Luego, se realizó una investigación sobre la cantidad y longitud de la fibra. Seguidamente se elaboraron las muestras de adobe tradicional y con 1% de lana para someterlas a ensayos de compresión axial y diagonal. Se concluye que la implementación solo de la fibra de lana aumenta en un 75% la resistencia a la compresión en la unidad, así mismo se obtiene un incremento del 25% en la resistencia al corte diagonal. Por otro lado, el uso de fibra de lana adicionando ferrocemento en la mampostería nos muestra que existe un incremento a la compresión axial de 64% con respeto a la pila de adobe tradicional. / Over the years, different types of materials have been used in construction, such as mud, stone, adobe and others. These have been displaced due to the existence of other materials that provide greater resistance, such as concrete. However, for people with economic deficits, working with concrete can be costly and they are forced to use low-cost materials such as adobe. The main problem with adobe is its low compressive and tensile strength. For this reason, the use of wool fibre in the adobe units and the reinforcement of the masonry with ferrocement is proposed. In order to carry out the research it was necessary to study the soil in situ to obtain information about its physical characteristics. Then, an investigation of the quantity and length of the fibre was carried out. Samples of traditional adobe and 1% wool were then prepared and subjected to axial and diagonal compression tests. It is concluded that the implementation of wool fibre alone increases the compressive strength of the unit by 75%, as well as increasing the diagonal shear strength by 25%. On the other hand, the use of wool fibre with the addition of ferrocement in the masonry shows that there is an increase in axial compression of 64% with respect to the traditional adobe pile. / Tesis

Karton ist ein aus nachwachsenden Rohstoffen hergestelltes Halbzeug, biologisch abbaubar und mit sehr guter Wiederverwertbarkeit. Damit stellt Karton eine zukunftsträchtige Grundlage für die Herstellung von Verpackungen für die Lebensmittel- und Konsumgüterproduktion dar. Schon heute werden in vielen Verpackungslösungen Kunststoffe durch naturfaserbasierte Halbzeuge ersetzt, um von den genannten Vorteilen zu profitieren. Um die Verbreitung dieses Naturstoffes weiter zu unterstützen, werden intelligente und effektive Herstellungsverfahren benötigt, die eine Massenfertigung von Packmitteln in hoher Qualität ermöglichen. [... aus der Einleitung]

Produktionen av syntetiska textilfibrer har lett till stora konsekvenser för miljön, bland annat i form av utsläpp av mikroplaster samt stora koldioxidutsläpp. Textilbranschen har i och med globaliseringen centrerat produktionen till ett fåtal låglöneländer och avståndet mellan producent och konsument har gjort det svårare för användaren att förstå vilket avtryck en vara lämnar på miljön. För att kunna ställa om till en mer hållbar textilindustri, finns inom EU en strävan efter innovativa lösningar och nya affärsmodeller. Ett område som fått ett stort genomslag inom hållbara material är biokompositer, som helt eller delvis är tillverkade av förnybara råvaror och är biologiskt nedbrytbara. Högskolan i Borås koordinerar projektet Biobaserade restströmmar med potential i teknisk textilindustri och har för detta köpt in spillmaterial från företaget Svensk Hampaindustri (SHI), i form av hampastjälkar. Som komplement till tidigare studier inom projektets ramar, syftar denna studie till att undersöka spillmaterialets potential utifrån estetiska aspekter, för att kunna bredda dess användningsområden till att omfatta heminredning och således förbättra möjligheterna att tillvarata lokalproducerat växtmaterial. För att ta reda på detta framställdes tre biokompositer av spillmaterialet. I två utav materialen tillsattes även behandlade hampafibrer respektive ull, för att undersöka om och hur det förändrade resultatet utifrån ett estetiskt perspektiv. I syfte att undersöka kundintresset utvärderades dessa materialprototyper genom en liten marknadsundersökning. På grund av det knappa underlaget, kan inga långtgående slutsatser dras utifrån resultatet men det ger dock en indikation på att det finns ett kundintresse för materialen utifrån dess estetiska aspekter och framför allt i kombination med dess fördelar avseende hållbarhet, däribland lokal produktion. Respondenterna kunde se en rad potentiella användningsområden för biokompositerna inom området heminredning. Resultaten stärker således tesen om att spillmaterialet från SHI kan utgöra en lokal källa till hållbara produkter, där det estetiska har en avgörande roll och att det är befogat med satsningar på infrastruktur och ny teknik för att kunna ta tillvara och förädla detta. Att möjliggöra för odlarna själva att bereda fibrerna för framställning av kompositer eller textilier, skulle dessutom kunna stärka den lokala kunskapen om råvaran och kunna bidra till ökad lokal självförsörjning. Resultaten av studien kan således vara ett steg i rätt riktning mot ett systemskifte där hållbar lokal produktutveckling och design ersätter globala värdekedjor och mot omställningen mot en mer hållbar och fossilfri ekonomi vilket EU eftersträvar. / The production of synthetic textile fibers has resulted in major environmental impacts, including large emissions of carbon dioxide and microplastics. Along with the globalization, the textile industry has concentrated the production to a few low-wage countries and the distance between producer and consumer has made it more difficult for the user to understand the environmental impact of a product. In order to promote a more sustainable textile industry, there is a quest for innovative solutions and new business models within the EU. One significant area when it comes to sustainable materials is biocomposites, which are made entirely or partially from renewable and biodegradable sources. The University of Borås coordinates a project called Bio-based residual streams with potential in the technical textile industry, and has for this purpose purchased waste material from the company Svensk Hampaindustri (SHI), in terms of hemp stalks. As a complement to previous studies within the framework of the project, this report aims to investigate the potential of the waste material based on aesthetic aspects in order to expand the areas of use to also include interior decoration. This could improve the possibility of making better use of locally produced plant material. To investigate this, three biocomposites were produced from the waste material. In two of the materials, treated hemp fibers and wool were added, to find out whether it affected the result from an easthetic perspective, and in that case how. In order to investigate the customer interest, these material prototypes were evaluated through a small market survey. The result indicates that there is a customer interest for the materials based on its aesthetic aspects and especially in combination with its advantages regarding sustainability, including local production. The respondents could see a wide range of potential uses for the biocomposites in the field of home decoration. The results strenghten the thesis that the waste material from SHI can contribute as a local source of sustainable products, where the aesthetics has a major role and that investments in infrastructure and new technology according to the processing of the raw material, is justified. Enabling the farmers to prepare the fibers themselves for the production of composites or textiles, could also strengthen local knowledge of the raw material and further contribute to increased local self-sufficiency. The results of the report can therefore promote a system shift where sustainable product development and design replaces global value chains and further support the transition to a more sustainable and fossil free economy, in accordance with the ambition of the EU.

In this study, several types of modified methods were tried for improving natural fiber reinforced composites and also three kind of natural fibers were used for reinforced composite. Plasma polymerization increased fiber tensile and composites mechanical properties. It is higher effect than alkali treatment. Resin impregnation was expected cheaper method than plasma polymerization. Polyvinyl Alcohol resin impregnation method can increase fiber tensile strength, interfacial shear strength between fiber and composites mechanical properties. And with Bamboo/polypropylene/maleic anhydride polypropylene water absorption ratio also can decrease. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University

The preparation of polymeric hybrid composite consisting of organic and inorganic fillers is of interest for industries like automotive, construction and packaging. In order to understand and predict the physical and chemical properties of these hybrid composites, it is necessary to fully understand the nature and properties of the employed fillers. In this study, the preparation of polypropylene hybrid composite consisting of wheat straw and clay was investigated. A detailed study was performed on wheat straw from South Western Ontario region. The effect of grinding the straw and compounding it with polypropylene was investigated. Experiments were carried out to identify the thermal stability of the ground wheat straw with respect to their size and composition. It was important to identify a correlation between these properties in order to minimize the straw degradation by processing and also to improve the final properties of the hybrid composite. The composite samples were prepared through melt blending method using a co-rotating twin-screw extruder. Sample test bars were prepared by injection moulding. The composition of the constituents of the hybrid composite; percentages of wheat straw, clay and coupling agent, were varied in order to investigate their influence on thermal stability, water resistance and mechanical properties. The results of the study indicated that grinding the wheat straw with a hammer mill produced particles with different sizes and shapes. It was found that through the grinding system all particles, regardless of their size, had a multi-layered structure similar to the plant structure. Further hammer milling did not produce plant particles with long aspect ratios that would be expected in a defibrillation process. Analysis of the chemical composition of wheat straw particles of different sizes and shapes was used to measure the ratio of hemicelluloses: lignin and the ash content. It was found that the large particles contained more amount of lignin whereas smaller particles had larger amount of ash content. The thermal stability of the particles was found to be a function of particle size rather than the lignin content. Particle size analysis on the wheat straw particles after the extrusion process indicated a reduction in the particle length and aspect ratio. The thermal stability of the composites was found to be enhanced by the addition of clay particles at higher temperature and the addition of coupling agent at lower temperatures. Increasing the amount of wheat straw and clay content increased the flexural modulus and reduced the resistance for water absorption. Increasing the amount of coupling agent also increased the flexural modulus and resistance for water absorption. The morphological study by scanning electron microscopy revealed that coupling agent increased the interfacial interaction between the particles and the polymer matrix.

The preparation of polymeric hybrid composite consisting of organic and inorganic fillers is of interest for industries like automotive, construction and packaging. In order to understand and predict the physical and chemical properties of these hybrid composites, it is necessary to fully understand the nature and properties of the employed fillers. In this study, the preparation of polypropylene hybrid composite consisting of wheat straw and clay was investigated. A detailed study was performed on wheat straw from South Western Ontario region. The effect of grinding the straw and compounding it with polypropylene was investigated. Experiments were carried out to identify the thermal stability of the ground wheat straw with respect to their size and composition. It was important to identify a correlation between these properties in order to minimize the straw degradation by processing and also to improve the final properties of the hybrid composite. The composite samples were prepared through melt blending method using a co-rotating twin-screw extruder. Sample test bars were prepared by injection moulding. The composition of the constituents of the hybrid composite; percentages of wheat straw, clay and coupling agent, were varied in order to investigate their influence on thermal stability, water resistance and mechanical properties. The results of the study indicated that grinding the wheat straw with a hammer mill produced particles with different sizes and shapes. It was found that through the grinding system all particles, regardless of their size, had a multi-layered structure similar to the plant structure. Further hammer milling did not produce plant particles with long aspect ratios that would be expected in a defibrillation process. Analysis of the chemical composition of wheat straw particles of different sizes and shapes was used to measure the ratio of hemicelluloses: lignin and the ash content. It was found that the large particles contained more amount of lignin whereas smaller particles had larger amount of ash content. The thermal stability of the particles was found to be a function of particle size rather than the lignin content. Particle size analysis on the wheat straw particles after the extrusion process indicated a reduction in the particle length and aspect ratio. The thermal stability of the composites was found to be enhanced by the addition of clay particles at higher temperature and the addition of coupling agent at lower temperatures. Increasing the amount of wheat straw and clay content increased the flexural modulus and reduced the resistance for water absorption. Increasing the amount of coupling agent also increased the flexural modulus and resistance for water absorption. The morphological study by scanning electron microscopy revealed that coupling agent increased the interfacial interaction between the particles and the polymer matrix.

Das Forschungsvorhaben liefert einen Beitrag zum Schweißen von Gleich- und Mischmaterialverbindungen aus Naturfaserverstärkten Kunststoffen (NFK) sowie deren Verarbeitung im Compoundieren und Spritzguss. Es wurde holzfasergefülltes (WPC) und flachsfasergefülltes (FFC) Polypropylen (PP) mit unterschiedlichen Füllgraden verwendet. Der Einsatz synthetisch-organsicher Fasern (PET-Fasern) im Compound zielte darauf ab, besonders die Schlagzähigkeit zu verbessern. Im Bereich des Urformens wurden Aussagen zur Verarbeitbarkeit, zu rezepturabhängigen Kurz- und Langzeiteigenschaften sowie Aussagen zur Dauergebrauchsfähigkeit erarbeitet. Die Anwendbarkeit der Fügeverfahren Heizelement- (HE-Schweißen) und Vibrationsschweißen (VIB-Schweißen) konnte für Gleich- und Mischmaterialverbindungen sowohl ohne als auch mit angepasster Energieeinbringung nachgewiesen werden. In diesem Zusammenhang können Aussagen zur Rezepturabhängigkeit, Verfahrensführung, Parameterauswahl, Prüfkriterien sowie den technischen Grenzen der Schweißverbindung unter kurzzeitmechanischer Beanspruchung getroffen werden. Weiterhin wird ein Beitrag zur Dauergebrauchsfähigkeit unter UV-Globalbewitterung und thermischer Alterung sowie zu langzeitmechanischen Eigenschaften von NFK-Schweißverbindungen geliefert.

Denna studie undersöker för- och nackdelar med textilier gjorda av bananavfall applicerat inom modebranschen. Studien granskas ur ett miljöperspektiv med ett fokus utifrån mål 12: Hållbarkonsumtion och produktion från de Globala målen. De Globala målen är en del avhandlingsplanen Agenda 2030 som är uppsatt av United Nation Development Program, där det eftersträvas att fram till och med år 2030 ha uppnått en mer hållbar värld. Vidare kommer bananfiberns egenskaper att granskas ur ett teoretiskt perspektiv för att se om detta är ett lämpligt val inom modebranschen. Studien ger också en inblick i hur modebranschen i Sverige förhåller sig till textilt material av bananavfall. Studien utgör en viktig del för att sprida kunskap om bananfiberns för- och nackdelar medmöjligheter att ge bättre förutsättningar till modeindustrin att kunna använda en hållbar fiber. Studiens resultat visar att det finns möjligheter för att detta ska kunna uppnås i framtiden sett ur ett hållbarhetsperspektiv, samt utifrån bananfiberns egenskaper. / This thesis examines the advantages and disadvantages regarding textiles made out of bananawaste within the fashion industry. An environmental perspective is applied based on goal 12:Responsible consumption and production from the Sustainable Development Goals (SDGs).SDGs is a part of the 2030 Agenda set by United Nation Development Programs, which aims tocreate a better world by 2030. Furthermore, the characteristics of the banana fiber and itsadequacy for the fashion industry will be theoretically examined. An aspect regarding thematerial from the fashion industries point of view will also be processed. Only swedishcompanies are included in the thesis.The thesis constitutes an important part for disseminate knowledge regarding the advantages anddisadvantages of the banana fiber. This with an expectation to provide better conditions withinthe fashion industry using a more sustainable fiber. Based on the results of the thesis, theopportunities to achieve this in the future are significant, due to the fact that both an sustainableperspective and the characteristics of the banana fiber shows a positive outcome. Furthermore,the thesis indicates a split result regarding the fashion companies point of view in the matter.