Investigation of Physical Properties of 20% Hemp Reinforced Polypropylene / Black Cumin / Maleic Anhydride Grafted Polypropylene Polymer Composite

Year 2024, Volume: 12 Issue: 3, 464 - 474, 30.09.2024

Doğa Keleş , Duygu Balcı , Münir Taşdemir , Elif Ulutaş

https://doi.org/10.29109/gujsc.1426580

Abstract

In the polymer sector, the rapid depletion of natural resources, increasing environmental pollution, and rising amounts of raw materials are fundamental problems in today's world. Despite their high potential and properties, polymers contribute to environmental pollution and pose various challenges for sustainability due to their inability to be easily biodegraded through natural processes and being derived from finite sources like petroleum. This situation encourages scientists to explore new avenues for reducing the negative environmental impacts of polymers and enhancing sustainability. The production of environmentally friendly, low-cost, easily processed, and high-mechanical-performance materials with natural fiber reinforcement plays a significant role in this new quest. Among natural fiber sources, hemp stands out as an industrially and economically important material due to its sustainable and renewable nature, coupled with superior performance characteristics, contributing to sustainability goals. This study investigates the effects of the addition of black cumin and maleic anhydride-grafted polypropylene (MAPP) on the physical properties of polypropylene composites reinforced with 20% hemp (PP+20% hemp). Ground black cumin is used at a weight percentage of 20 for each group. To ensure interfacial interaction between the components, MAPP is added in weight percentages of 5, 10, and 15, and the resulting polymer composites are melt-extruded. Subsequently, the polymer composites are pelletized and molded in accordance with standards using an injection machine. The test results examine the effects of black cumin and MAPP on density, moisture content determination, melt flow index (MFI), heat deflection temperature (HDT), and Vicat softening temperature values. Additionally, the distribution of black cumin, hemp, and MAPP within the PP matrix, as well as interfacial interactions, is observed using scanning electron microscopy (SEM).

Keywords

Polypropylene, black cumin, hemp, polymer composites, physical properties

Supporting Institution

TÜBİTAK-Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu

Project Number

1919B012310333

Thanks

Bu çalışma, 'TÜBİTAK–2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Desteği Programı' kapsamında 1919B012310333 proje numarasıyla desteklenmiştir.

Polipropilen + %20 Kenevir Takviyeli / Çörek Otu / Maleik Anhidrit Aşılı Polipropilen Polimer Kompozitinin Fiziksel Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Polimer sektöründe, doğal kaynakların hızla tükenmesi, çevre kirliliğinin artması ve artan ham madde miktarları günümüz dünyasının temel problemleridir. Yüksek potansiyel ve özelliklere sahip olmalarına rağmen polimerler doğal bir süreçle kolayca yok edilememeleri ve petrol kaynakları gibi tükenir kaynaklardan elde edilmeleri nedeniyle çevresel kirliliğe sebep olmakta ve sürdürülebilirlik açısından çeşitli sorunlar yaratmaktadır. Bu durum bilim insanlarını, polimerlerin olumsuz çevresel etkilerinin azaltılması ve sürdürülebilirliğin artırılması için yeni arayışlara teşvik etmektedir. Polimerlere doğal lif takviyesiyle çevre dostu, düşük maliyetli, işlenmesi kolay ve yüksek mekanik özelliklere sahip malzemeler üretilmesi, bu yeni arayışta önemli bir rol oynamaktadır. Doğal lif kaynaklarından özellikle kenevir bitkisi, sürdürülebilir ve yenilenebilir doğası ile birlikte üstün performans özellikleri sayesinde endüstriyel ve ekonomik açıdan önemli bir malzeme olarak öne çıkmakta ve sürdürülebilirlik hedeflerine katkıda bulunmaktadır. Yapılan çalışmada, doğal lif kaynağı olan çörek otunun ve maleik anhidrit aşılı polipropilenin (MAPP), %20 kenevir takviyeli polipropilen (PP+%20 kenevir) polimer kompozitlerin fiziksel özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Her grup için ağırlıkça %20 oranında öğütülmüş çörek otu kullanılmıştır. Bileşenlerin arayüzey etkileşimini sağlamak için sırasıyla ağırlıkça %5, 10, 15 oranlarında MAPP ilave edilmiştir ve elde edilen polimer kompozitler, ekstrüderde eriyik haline getirilmiştir. Ardından polimer kompozitler granüle edilerek standartlara uygun ölçülerde enjeksiyon makinesinde kalıplanmıştır. Yapılan test sonuçlarında çörek otu ve MAPP’nin; yoğunluk, nem oranı tayini, erime akış indeksi (EAİ), ısıl çarpılma sıcaklığı (HDT) ve vicat yumuşama sıcaklığı değerleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Ayrıca çörek otu, kenevir ve MAPP’nin PP matris içerisindeki dağılımı ve arayüzey etkileşimleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gözlemlenmiştir.

Keywords

Polipropilen, çörek otu, kenevir, polimer kompozitler, fiziksel özellikler

Project Number

1919B012310333

References

• [1] Maddah, H. A., Polypropylene as a promising plastic, A review. Am. J. Polym. Sci, 6(1), 1-11, (2016).
• [2] Hamamcı, B., Yeşil kompozitlerde biyopolimerlerin kullanımının önemi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 8(1), 12-24, (2018)
• [3] Wang, Z., Ganewatta, M. S., & Tang, C., Sustainable polymers from biomass: Bridging chemistry with materials and processing. Progress in Polymer Science, 101, 10119, (2020).
• [4] Güngör, A., The effect of Cumin Black (Nigella Sativa L.) as bio-based filler on chemical, rheological and mechanical properties of epdm composites. Turkish Journal of Engineering, 7(4), 279-285, (2023).
• [5] Mohammed, M., Jawad, A., Mohammed, A. M., Oleiwi, J. K., Adam, T., Osman, A. F., Dahham, O. S., Betar, B. O., Gopinath, S., & Jaafar, M., Challenges and advancement in water absorption of natural fiber-reinforced polymer composites, Polymer Testing, 124, (2023). https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2023.108083
• [6] Demirbek, D., & Bulut, M. O. Kenevir liflerinin eldesi, özellikleri ve kompozit uygulama alanları, Bartın University International Journal of Natural and Applied Sciences, 4(2), 176-191, (2021).
• [7] Akhil, U. V., Radhika, N., Saleh, B., Krishna, S. A., Noble, N., & Rajeshkumar, L., A comprehensive review on plant-based natural fiber reinforced polymer composites: Fabrication, properties, and applications, Polymer Composites, 44(5), 2598-2633, (2023).
• [8] Yoruç, A. B. H., & Uğraşkan, V., Yeşil Polimerler ve Uygulamaları. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 17(1), 318-337, (2017).
• [9] Fuqua, M. A., Huo, S., & Ulven, C. A., Natural fiber reinforced composites. Polymer reviews, 52(3), 259-320 , (2012).
• [10] Bacak Güllü, E., & Avcı, G., Timokinon: Nigella Sativa’nm Biyoaktif Komponenti, (2013).
• [11] Solati, Z., Baharin, B. S., & Bagheri, H., Antioxidant property, thymoquinone content and chemical characteristics of different extracts from Nigella sativa L. seeds. Journal of the American Oil Chemists' Society, 91, 295-300, (2014).
• [12] Wambua P, Ivens J, Verpoest I. “Natural fibres: Can they replace glass in fibre reinforced plastics?”. Composites Science and Technology, 63(9), 1259-1264, (2003).
• [13] Joshi S V., Drzal LT, Mohanty AK, Arora S. “Are natural fiber composites environmentally superior to glass fiber reinforced composites?”. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 35(3), 371-376, (2004).
• [14] Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H. P., & Sain, M., Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010. Progress in polymer science, 37(11), 1552-1596, (2012).
• [15] Mishra, S., Naik, J. B., & Patil, Y. P., The compatibilising effect of maleic anhydride on swelling and mechanical properties of plant-fiber-reinforced novolac composites. Composites Science and Technology, 60(9), 1729-1735, (2000).
• [16] Tanasă, F., Zănoagă, M., Teacă, C. A., Nechifor, M., & Shahzad, A., Modified hemp fibers intended for fiber‐reinforced polymer composites used in structural applications—A review. I. Methods of modification. Polymer Composites, 41(1), 5-31, (2020).
• [17] Sullins, T., Pillay, S., Komus, A., & Ning, H., Hemp fiber reinforced polypropylene composites: The effects of material treatments. Composites Part B: Engineering, 114, 15-22, (2017).
• [18] Şahin, A. Ş., & Sayer, S., Doğal lif takviyesinin poliolefin bazlı hibrit kompozitlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26(4), 605-612, (2020).
• [19] Özğan, A. O., & Özdemir, F., Yumurta kabuğunun odun plastik kompozit üretiminde kullanımı, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 24(4), 308-318, (2021).
• [20] Atikler, U., (2004), Preparation and characterization of polypropylene-cellulose composites, Izmir Institute of Technology, Turkey.
• [21] Ulutaş, E., Taşdemir, Münir & Koçak, Emine, Geri dönüşümlü polipropilen/pirinç kabuğu polimer kompozitinin fiziksel özelliklerinin incelenmesi, (2019).
• [22] Taşdemir, Münir, & Kaştan, A., Zeytin çekirdeği tozu ilave edilmiş polipropilen kompozitinin aşınma ve fiziksel özellikleri. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 10(2), 568-576, (2021).
• [23] Al-Mahasneh, M. A., Ababneh, H. A. & Rababah, T., Some engineering and thermal properties of black cumin (Nigella sativa L.) seeds. International Journal of Food Science and Technology, 43, 1047-1052, (2008). [24] Taşdemir, M.. Effects of olive pit and almond shell powder on polypropylene. Key Engineering Materials, 733, 65-68, (2017).
• [25] Dairi, B., Djidjelli, H., Boukerrou, A., Migneault, S., & Koubaa, A.. Morphological, mechanical, and physical properties of composites made with wood flour‐reinforced polypropylene/recycled poly (ethylene terephthalate) blends. Polymer Composites, 38(8), 1749-1755, (2017).
• [26] Akbaş, S., Güleç, T., Tufan, M., Taşçcoğlu, C., & Peker, H.. Fındık kabuklarının polipropilen esaslı polimer kompozit üretiminde değerlendirilmesi, (2013).
• [27] Stokke, D. D., & Gardner, D. J.. Fundamental aspects of wood as a component of thermoplastic composites. Journal of Vinyl and Additive Technology, 9(2), 96-104, (2003).
• [28] Li, R., Güneşi, B., Dang, L., Tavası, T., Xu, J., Xu, Ş., Effect of the melt flow index of compatibilizer on the melt processing and properties of highly filled magnesium hydroxide/linear low density polyethylene composites, Journal of Applied Polymer Science, 140(36), (2023). https://doi.org/10.1002/app.54371
• [29] Sanadi, A. R., & Stelte, W., Effect of the characteristics of maleic anhydride-grafted polypropylene (mapp) compatibilizer on the properties of highly filled (85%) kenaf-polypropylene composites, Materials Research, 26, (2023). https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2022-0428
• [30] Shaharudin, M. I., Baba, N. B., Mohd, A., Mohammed, R. M., Sidik, M., An Experimental ınvestigation on melt flow ındex and water absorption of rhıps/abs/kenaf composite, Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 108, 103-113, (2023).
• [31] Xiuju, Z., Juncai, S., Huajun, Y., Zhidan, L., & Shaozao, T.. Mechanical properties, morphology, thermal performance, crystallization behavior, and kinetics of PP/microcrystal cellulose composites compatibilized by two different compatibilizers. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 24(6), 735-754, (2011).
• [32] Gümüş, B. E., Yağcı, Ö., Erdoğan, D. C., & Taşdemir, M.. Dynamical mechanical properties of polypropylene composites filled with olive pit particles. J. Test. Eval, 47(4), (2019).