SURFACE MODIFICATION OF NATURAL FIBER REINFORCED BIOCOMPOSITES FOR 3D PRINTING APPLICATION

Abstract

This research investigates the effect of surface modification of natural fibers to be used as reinforcing agents in polylactic acid/polybutylene adipate-co-terephthalate (PLA/PBAT) biocomposites. Surface treatments involved the application of a nonionic surfactant (Triton X-100), a cellulase enzyme, and a silane coupling agent (APTMS) to enhance interfacial adhesion between the fibers and the polymer matrix, thereby improving the mechanical and thermal properties of the composites. The bio-composites were prepared by compounding 90%wt PLA and 10%wt PBAT with 5 phr of natural fibers using a twin-screw extruder, followed by injection molding to produce test specimens. Mechanical and thermal properties of the composites were then evaluated. The results showed that the incorporation of different surface-treated natural fibers affected the composites properties. The silane treated pineapple leaf fiber (PS), silane treated hemp fiber (HS), silane treated coir fiber (CS), and surfactant-silane treated coir fiber (CSS) PLA/PBAT formulations exhibited higher tensile strength than the unreinforced PLA/PBAT matrix, while PS, enzyme-silane treated hemp fiber (HES), HS, and CS PLA/PBAT formulations showed higher flexural strength. Moreover, almost all fiber-reinforced formulations demonstrated higher impact resistance compared to the unreinforced PLA/PBAT blend. Thermogravimetric analysis indicated a slight reduction in decomposition temperature upon fiber addition; however, the melting temperature of the composites increased. Subsequently, those natural fiber/PLA/PBAT formulations could be processed into filaments to assess their suitability for fused deposition modeling (FDM) 3D printing. It was found that the surfactant-silane treated pineapple leaf fiber (PSS) and surfactant-silane treated hemp fiber (HSS) PLA/PBAT formulations exhibited optimal printability and dimensional stability, indicating their suitability for filament fabrication in additive manufacturing applications.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาอิทธิพลของการปรับปรุงพื้นผิวเส้นใยธรรมชาติเพื่อใช้เสริมแรงในวัสดุคอมพอสิตชีวภาพพอลิแลคติกแอซิด/พอลิบิวทิลีนอะดิเพท-โค-เทเรฟทาเลท (PLA/PBAT) โดยการใช้สารลดแรงตึงผิว triton x-100 และเอนไซม์เซลลูเลส ร่วมกับการใช้สารเชื่อมประสานไซเลน (APTMS) เพื่อเพิ่มการยึดเกาะระหว่างเส้นใยและเมทริกซ์พอลิเมอร์ แล้วส่งผลให้สมบัติเชิงกลและสมบัติทางความร้อนของวัสดุคอมพอสิตดีขึ้น วัสดุคอมพอสิตชีวภาพที่ใช้ในงานวิจัยนี้เตรียมโดยการผสม PLA ร้อยละ 90 โดยน้ำหนัก และ PBAT ร้อยละ 10 โดยน้ำหนัก ร่วมกับเส้นใยธรรมชาติในปริมาณ 5 phr ด้วยเครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ (twin-screw extruder) จากนั้นนำไปขึ้นรูปด้วยการฉีดขึ้นรูป (injection molding) เพื่อให้ได้ชิ้นงานในการทดสอบสมบัติต่าง ๆ จากการผลการทดสอบสมบัติเชิงกลและสมบัติทางความร้อน พบว่าสูตรการผสมที่มีการเติมเส้นใยใบสับปะรดที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารเชื่อมประสานไซเลน (PS), เส้นใยกัญชงที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารเชื่อมประสานไซเลน (HS), เส้นใยมะพร้าวที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารเชื่อมประสานไซเลน (CS) และเส้นใยมะพร้าวที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วยสารลดแรงตึงผิวร่วมกับสารเชื่อมประสานไซเลน (CSS) ให้ค่าความต้านทานแรงดึงสูงกว่าวัสดุ PLA/PBAT ที่ไม่มีการเติมเส้นใย ในขณะที่สูตรการผสมที่มีการเติมเส้นใยกัญชงที่ปรับปรุงพื้นผิวด้วยเอนไซม์ร่วมกับสารเชื่อมประสานไซเลน (HES), HS และ CS แสดงค่าความต้านทานต่อการโค้งงอที่สูงขึ้น นอกจากนี้สูตรวัสดุที่เติมเส้นใยเกือบทั้งหมดยังให้ค่าความต้านทานการกระแทกสูงกว่าชิ้นงาน PLA/PBAT ที่ไม่มีการเติมเส้นใย และผลการวิเคราะห์ทางความร้อนด้วยเทคนิค TGA พบว่า การเติมเส้นใยที่ผ่านการปรับปรุงพื้นผิวทำให้อุณหภูมิการสลายตัวลดลงเล็กน้อย แต่อุณหภูมิหลอมเหลวของวัสดุเพิ่มขึ้น ต่อมาได้มีการนำสูตรวัสดุคอมพอสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยธรรมชาติเหล่านี้ไปขึ้นรูปเป็นเส้นใยฟิลาเมนต์เพื่อประเมินความเหมาะสมในการใช้งานด้านการพิมพ์สามมิติ Fused Deposition Modeling (FDM) โดยพบว่าสูตร PLA/PBAT ที่เติมเส้นใยใบสับปะรดที่ผ่านการปรับสภาพด้วยสารลดแรงตึงผิวและไซเลน (PSS) และเส้นใยกัญชงที่ผ่านการปรับสภาพในลักษณะเดียวกัน (HSS) มีความเหมาะสมที่สุดสำหรับการขึ้นรูปเส้นฟิลาเมนต์ เนื่องจากพิมพ์ได้ง่ายและเกิดการหดตัวของชิ้นงานน้อย