Application of ultrasound in twin-screw extrusion and microinjection molding: improvements of properties of processed materials and nanocomposites : polymers and biopolymers

Abstract

The plastics industry is in constant evolution looking to improve the properties of new materials and performance in different applications. Currently, the environmental impact associated with the use of plastics is one of the main concerns for the society. It was reflected in regulations at European level such as SUP Directive, Green Deal or studies such as Patents for tomorrow's plastics by European Patent Office on the trends reflected in research on alternative materials to conventional plastic. In order to transfer these new and more sustainable alternatives to an industrial and realistic environment, first applied research has to be carried out on both the development and processes of the materials to optimize their performance. In this thesis study, applied research was carried out using ultrasound technology on different nanocomposites and their transformation processes. Advances in the application of ultrasound for different transformation processes have been studied previously to ensure the approach of the practical study. This study focuses on the application of ultrasound in the process of obtaining new formulations by compounding extrusion and in injection molding, specifically in microinjection. The application of nanotechnology in the development of new materials will allow an improvement in performance and will open a range of new possibilities and applications. To explore the potential of ultrasonic molding (USM) technology, a preliminary process stability study was performed with polypropylene. The evaluation was carried out from a mechanical point of view, in which it was shown that, with an optimization of the process parameters and a correct design approach of the components with the nodal point allow a stability close to production was allowed. To deepen into the potential of USM technology in synergy with new nanocomposite formulations, a comparative study with the conventional microinjection process was performed. Two different nanocomposites based on a biopolymer matrix of poly 3-hydroxybutyrate with Cloisite 20 (organic modification), and with Cloisite 116 (unmodified) were studied. This research reveals that the USM technology, is stable obtaining micro-pieces, maintaining the chemical structure of the initial biocomposite without degrading and homogeneously achieving an exfoliation of both nanoclays. Conventional microinjection did show slight changes in the level of degradation and chemical structure, highlighting that it was not possible to micro-mold samples of the material with the unmodified nanoclay. The stabilization of the compounding extrusion assisted by an ultrasound system has been studied, with a design of a single component that allows the new approach to work in continuous condition and on pre-industrial equipment. Due to the success of the new component, it was possible to carry out the study of new formulations of polypropylene loaded with two different nanoclays (Cloisite 20 and Garamite 1958) and glass bubbles. The new nanocomposites reached the mechanical properties of a conventional material used for door panels in the automotive sector, but with a reduced density. The aim was to demonstrate that it is possible to reduce the weight of plastic components used in the automotive industry and reduce CO2 emissions for a standard vehicle. The research carried out in this thesis work has opened a new field of application to nanocomposites for weight reduction with improved mechanical properties when high level of dispersion is reached. In addition, the potential of USM technology for micro-molding applications has been demonstrated, showing high stability without material degradation during the process, and good dispersion of nano-reinforcements.

El sector del plástico está en continuo cambio en busca de mejorar sus propiedades y rendimiento en diferentes aplicaciones. Actualmente. el impacto ambiental asociado al uso de los plásticos es una de las principales preocupaciones en el ámbito social. Se puede ver reflejado en regulaciones a nivel europeo como SUP Directive. Green Deal o estudios como el que efectúa la Oficina de Patentes Europeas Patents for tomorrow's plastics sobre las tendencias que reflejan las investigaciones en materiales alternativos al plástico convencional. Para poder llevar a un ambiente industrial y realista estas nuevas alternativas más sostenibles. primero se ha de llevar a cabo una investigación aplicada tanto del desarrollo de los materiales como de los procesos que pueden optimizar su rendimiento. En este estudio de tesis se lleva a cabo una investigación aplicada sobre diferentes nanocompuestos y sus procesos de transformación que pueden ser mejorados con la tecnología de ultrasonidos. Se ha estudiado los avances en la aplicación de ultrasonidos para diferentes procesos de transformación con el objetivo de enfocar correctamente el estudio práctico. Este estudio centra la aplicación de los ultrasonidos en el proceso de obtención de nuevas formulaciones por extrusión compounding y en el moldeo por inyección, concretamente en microinyeccion. La aplicación de nanotecnología en el desarrollo de nuevos materiales permitirá una mejora del rendimiento y abrirá un abanico de nuevas posibilidades y aplicaciones. Para explorar el potencial de la tecnología de microinyección por ultrasonidos (USM}, se realizó un estudio preliminar de estabilidad del proceso con un polipropileno. La evaluación fue llevada a cabo desde un punto de vista mecánico, en el que se demostró que con una optimización de los parámetros de proceso y un enfoque de diseño correcto de los componentes que hacen intervenir el punto nodal, se puede alcanzar un nivel de estabilidad cercano a producción. Para profundizar en el potencial de la tecnología USM en sinergia con nuevas formulaciones de nanocompuestos, se realizó un estudio comparativo con el proceso de microinyección convencional. Dos nanocompuestos basados en una matriz del biopolímero poli 3-hidroxibutirato con Cloisite 20 (modificación orgánica). Y con Cloisite 116 (sin modificar) fueron estudiados. Este estudio revela que la tecnología USM además de ser estable en la obtención de micropiezas, mantiene la estructura química del biocompuesto inicial sin llegar a degradación y alcanzando homogéneamente la exfoliación de ambas nanoarcillas. La microinyección convencional si mostro ligeros cambios a nivel de degradación y estructura química, destacando que no fue posible micromoldear muestras del material con la nanoarcilla sin modificar. La estabilización del proceso de extrusión compounding asistida por ultrasonidos ha sido estudiado, diseñando un componente único que permite al sistema de ultrasonidos trabajar en régimen continuo en equipos preindustriales. Gracias al éxito del nuevo componente, se ha podido llevar a cabo el estudio de nuevas formulaciones de polipropileno argado con dos nanoarcillas diferentes (Cloisite 20 y Garamite 1958) y esferas huecas. Los nuevos nanocompuestos alcanzaron las propiedades mecánicas de un material empleado para paneles de puerta en el sector automoción, pero con una densidad reducida. El objetivo fue demostrar que se puede reducir el peso de los componentes plásticos empleados en automoción y reducir las emisiones de CO2 para un vehículo estándar.

La investigación llevada a cabo en este trabajo de tesis ha permitido abrir un nuevo campo de aplicación a los nanocompuestos para reducción de densidad con buenas propiedades mecánicas cuando la dispersión es alta. Además, se ha demostrado el potencial de la tecnología USM para aplicaciones de micromoldeo, mostrando alta estabilidad sin degradación del material durante el proceso, y buena dispersión de los nano-refuerzos.