1. IntroductionNatural fibres and f

1. Introduction
Natural fibres and fillers are an inexhaustible source of biobased materials: wood flour is already used in mass production of wood plastic composites while cellulosic fibres from other plants (flax, sisal, jute) for the reinforcement of thermoplastic and thermoset polymers. Algae represent another vast and cheap source of potential fillers for making polymer-matrix composites; however, the knowledge on the properties of algae-filled composites is very scarce. Algae biomass is a source of hydrosoluble polysaccharides (alginate, carrageenan, agarose), and it is mainly used in agriculture, food and cosmetics industries. An uncontrolled proliferation of algae occurs in coastlines due to environmental problems [1], thus the use of this “waste” would be highly appreciated.

There are thousands of different algae species which vary with respect to the structure and composition [2], [3] and [4]. They can be roughly grouped into three categories: green, brown and red algae. In terms of structure, algae are similar to land plants and consist of stiff and strong cellulose-based fibrils which are embedded in a soft amorphous “matrix”. Contrary to plant fibres, cellulose content is less than 10 wt% of the dry mass of algae and the chemical composition of the “matrix” as well as the ratios between the constituents greatly vary within the species.

Two main approaches in using algae in composites have been reported: first, as fillers (not treated, only milled and pulverised) with the goal to decrease both the price and carbon footprint of polymer and utilise algae waste [1], [5], [6], [7], [8], [9] and [10] and second, as reinforcing fibres (treated, usually bleached, to keep mainly cellulosic fibres and remove soluble compounds) [11], [12] and [13]. For example, bleached red algae was melt-mixed with poly(lactic) acid (PLA) and polypropylene [11] and poly(butylene succinate) [12] resulting in their improved mechanical properties and the coefficient of thermal expansion. However, the bleaching process is rather laborious and the yield is low. The benefits of using treated algae in polymer composites are not compensating the additional costs which are required during bleaching.

Chiellini and co-workers used algae as fillers and prepared poly(vinyl) alcohol (PVA) composites, via film casting, with green algae Ulva armoricana powder [1] and steam exploded Zostera marina [5]. The biodegradability in both cases has been improved. The addition of Ulva powder up to 30 wt% with particle dimensions below 150 μm led to the improved mechanical properties of PVA; above this concentration the cohesion of composites was poor. The mechanical properties of hybrid composites using Zostera steam exploded algae were improved only in the presence of additives such as starch and glycerol [5]. PLA/Zostera composites were very brittle, hence the highest content of algae was 20 wt% [5]. Significantly improved modulus and oxygen barrier properties of PVA were reported upon the addition of 10 μm size of Zostera flakes [14]. The Young’s modulus of various grades of Mater-Bi®, poly(ɛ-caprolactone) and polyhydroxybutyrate was improved with the addition of Ulva armoricana particles of 50–100 μm [7] and algae from Sardinia beaches (not specified) [6]. Green algae (Cladophora) fibres, having average length of around 600 μm, have also been successfully used in the preparation of isocyanate based foams [8]. The notion of algae as filler for thermoplastics has been also exhibited through international patents [9] and [10].

The goal of this work was to perform a comprehensive comparative study of the morphology and properties of composites blended with three types of algae, red, brown and green. PLA was chosen to keep 100% biobased nature of composites. The basic building block of PLA is lactic acid which is usually produced by carbohydrate fermentation. Often corn or potato starch is used as a source of carbohydrates thus rendering PLA fully bio-based polymer. No algae treatment was performed except sieving and selecting two populations of particles sizes, below 50 μm and from 200 to 400 μm. All composites were prepared in the same way, via melt mixing, allowing an adequate comparison between algae types. First, we characterised the initial algae: we analysed particle size distribution, their surface morphology and chemical composition together with bulk algae composition and crystallinity. Then we performed tensile testing of composites and compared the evolution of mechanical properties as a function of algae type, concentration and particles size.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

บทนำเส้นใยธรรมชาติและสารเป็นแหล่งที่ไม่รู้จักเหนื่อย biobased วัสดุ: ผลิตวัสดุไม้พลาสติกผสมขณะครั้งเส้นใยจากพืชอื่น ๆ (ลินิน ศรนารายณ์ ปอ) สำหรับเสริมแรงโพลิเมอร์เทอร์โมและเทอร์โมเซ็ตมาแล้วใช้ไม้แป้ง สาหร่ายเป็นแหล่งใหญ่ และราคาถูกที่อื่นของฟิลเลอร์ที่มีศักยภาพสำหรับเมทริกซ์พอลิเมอร์คอมโพสิต อย่างไรก็ตาม ความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุผสมที่เต็มไปด้วยสาหร่ายหายากมาก ชีวมวลสาหร่ายเป็นแหล่งของ hydrosoluble แซ็ก (แอลจิเนต คาราจีแนน agarose), และส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมการเกษตร อาหาร และเครื่องสำอาง การไม่สามารถควบคุมการแพร่กระจายของสาหร่ายเกิดขึ้นในชายฝั่งเนื่องจากปัญหาสิ่งแวดล้อม [1], ดังนั้นการใช้ "ขยะ" นี้น่าจะชื่นมีพันสายพันธุ์สาหร่ายที่แตกต่างกันซึ่งแตกต่างกันเกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบ [2], [3] และ [4] พวกเขาสามารถประมาณจัดกลุ่มเป็นสามประเภท: สาหร่ายสีเขียว สีน้ำตาล และสีแดง ในแง่ของโครงสร้าง สาหร่ายคล้ายกับพืชดิน และประกอบด้วยของแข็ง และแข็งแรงใช้เซลลูโลส fibrils ที่ฝังอยู่ในเนื้อนุ่มไป "เมทริกซ์" ขัดกับเส้นใยพืช เนื้อหาเซลลูโลสคือ น้อยกว่า 10 wt %ของมวลแห้งของสาหร่ายและองค์ประกอบทางเคมีของ "เมตริกซ์" เป็นอัตราส่วนระหว่างองค์ประกอบแตกต่างกันมากภายในสายพันธุ์Two main approaches in using algae in composites have been reported: first, as fillers (not treated, only milled and pulverised) with the goal to decrease both the price and carbon footprint of polymer and utilise algae waste [1], [5], [6], [7], [8], [9] and [10] and second, as reinforcing fibres (treated, usually bleached, to keep mainly cellulosic fibres and remove soluble compounds) [11], [12] and [13]. For example, bleached red algae was melt-mixed with poly(lactic) acid (PLA) and polypropylene [11] and poly(butylene succinate) [12] resulting in their improved mechanical properties and the coefficient of thermal expansion. However, the bleaching process is rather laborious and the yield is low. The benefits of using treated algae in polymer composites are not compensating the additional costs which are required during bleaching.Chiellini and co-workers used algae as fillers and prepared poly(vinyl) alcohol (PVA) composites, via film casting, with green algae Ulva armoricana powder [1] and steam exploded Zostera marina [5]. The biodegradability in both cases has been improved. The addition of Ulva powder up to 30 wt% with particle dimensions below 150 μm led to the improved mechanical properties of PVA; above this concentration the cohesion of composites was poor. The mechanical properties of hybrid composites using Zostera steam exploded algae were improved only in the presence of additives such as starch and glycerol [5]. PLA/Zostera composites were very brittle, hence the highest content of algae was 20 wt% [5]. Significantly improved modulus and oxygen barrier properties of PVA were reported upon the addition of 10 μm size of Zostera flakes [14]. The Young’s modulus of various grades of Mater-Bi®, poly(ɛ-caprolactone) and polyhydroxybutyrate was improved with the addition of Ulva armoricana particles of 50–100 μm [7] and algae from Sardinia beaches (not specified) [6]. Green algae (Cladophora) fibres, having average length of around 600 μm, have also been successfully used in the preparation of isocyanate based foams [8]. The notion of algae as filler for thermoplastics has been also exhibited through international patents [9] and [10].
The goal of this work was to perform a comprehensive comparative study of the morphology and properties of composites blended with three types of algae, red, brown and green. PLA was chosen to keep 100% biobased nature of composites. The basic building block of PLA is lactic acid which is usually produced by carbohydrate fermentation. Often corn or potato starch is used as a source of carbohydrates thus rendering PLA fully bio-based polymer. No algae treatment was performed except sieving and selecting two populations of particles sizes, below 50 μm and from 200 to 400 μm. All composites were prepared in the same way, via melt mixing, allowing an adequate comparison between algae types. First, we characterised the initial algae: we analysed particle size distribution, their surface morphology and chemical composition together with bulk algae composition and crystallinity. Then we performed tensile testing of composites and compared the evolution of mechanical properties as a function of algae type, concentration and particles size.

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

1. บทนำ
เส้นใยธรรมชาติและฟิลเลอร์เป็นแหล่งที่ไม่สิ้นสุดของวัสดุชีวภาพ: แป้งไม้ถูกใช้ไปแล้วในการผลิตมวลของวัสดุผสมพลาสติกไม้ในขณะที่เส้นใยเซลลูโลสจากพืชอื่น ๆ (ปอ, ซีเมนต์, ปอ) สำหรับการเสริมแรงของเทอร์โมและแบบแข็งโพลีเมอ สาหร่ายแทนอีกหนึ่งแหล่งใหญ่และราคาถูกของฟิลเลอร์ที่มีศักยภาพสำหรับการทำคอมโพสิตลิเมอร์แมทริกซ์; แต่ความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุผสมสาหร่ายที่เต็มไปด้วยเป็นสิ่งที่หายากมาก สาหร่ายชีวมวลเป็นแหล่งที่มาของ polysaccharides hydrosoluble (อัลจิเนต, คาราจีแนน, agarose) และส่วนใหญ่จะใช้ในการเกษตรอาหารและเครื่องสำอางอุตสาหกรรม งอกไม่มีการควบคุมของสาหร่ายที่เกิดขึ้นในแนวชายฝั่งอันเนื่องมาจากปัญหาสิ่งแวดล้อม [1] ดังนั้นการใช้งานของคนนี้ "ขยะ" จะได้รับการชื่นชมอย่างมาก. มีหลายพันของสายพันธุ์สาหร่ายที่แตกต่างกันซึ่งแตกต่างกันเกี่ยวกับโครงสร้างและองค์ประกอบเป็น [2], [ 3] [4] พวกเขาสามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท: สีเขียว, สาหร่ายสีน้ำตาลและสีแดง ในแง่ของโครงสร้างสาหร่ายมีความคล้ายคลึงกับที่ดินพืชและประกอบด้วยเซลลูโลสซ่านตามแข็งและแข็งแรงซึ่งฝังอยู่ในนุ่มสัณฐาน "เมทริกซ์" ขัดกับเส้นใยพืชเนื้อหาเซลลูโลสน้อยกว่า 10% โดยน้ำหนักของมวลแห้งของสาหร่ายและองค์ประกอบทางเคมีของ "เมทริกซ์" เช่นเดียวกับอัตราส่วนระหว่างองค์ประกอบอย่างมากแตกต่างกันภายในสายพันธุ์. สองวิธีหลักในการใช้สาหร่ายในคอมโพสิต ได้รับการรายงาน: แรกเป็นฟิลเลอร์ (ไม่ได้รับการรักษาข้าวสารเท่านั้นและแหลกลาญ) มีเป้าหมายที่จะลดลงทั้งราคาและการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ของพอลิเมอและใช้ประโยชน์จากของเสียสาหร่าย [1] [5] [6] [7] [8] [9] และ [10] และครั้งที่สองในขณะที่เส้นใยเสริมแรง (ได้รับการรักษามักจะฟอกขาวเพื่อให้เส้นใยเซลลูโลสส่วนใหญ่และเอายาที่ละลายน้ำ) [11] [12] และ [13] ยกตัวอย่างเช่นฟอกสาหร่ายสีแดงถูกละลายผสมกับโพลี (แลคติก) Acid (PLA) และโพรพิลีน [11] และโพลี (butylene succinate) [12] ผลในคุณสมบัติทางกลของพวกเขาดีขึ้นและค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวของความร้อน อย่างไรก็ตามขั้นตอนการฟอกสีค่อนข้างลำบากและอัตราผลตอบแทนอยู่ในระดับต่ำ ประโยชน์ของการใช้สาหร่ายรับการรักษาในคอมโพสิตลิเมอร์จะไม่ได้รับการชดเชยค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมที่จำเป็นในระหว่างการฟอก. Chiellini และเพื่อนร่วมงานที่ใช้สาหร่ายเป็นฟิลเลอร์และโพลีเตรียม (ไวนิล) เครื่องดื่มแอลกอฮอล์ (PVA) คอมโพสิตผ่านการคัดเลือกนักแสดงภาพยนตร์ที่มีสาหร่ายสีเขียวอัลวา ผง armoricana [1] และอบไอน้ำระเบิด Zostera ท่าจอดเรือ [5] ย่อยสลายทางชีวภาพในทั้งสองกรณีได้รับการปรับปรุง นอกเหนือจากผงอัลวาได้ถึง 30% โดยน้ำหนักที่มีขนาดอนุภาคดังต่อ 150 ไมครอนนำไปสู่สมบัติเชิงกลที่ดีขึ้นของ PVA; ดังกล่าวข้างต้นนี้ความเข้มข้นของการทำงานร่วมกันของคอมโพสิตเป็นคนยากจน สมบัติทางกลของวัสดุผสมไฮบริดโดยใช้ไอน้ำระเบิด Zostera สาหร่ายได้รับการปรับปรุงเพียง แต่ในการปรากฏตัวของสารเติมแต่งเช่นแป้งและกลีเซอรอล [5] คอมโพสิต PLA / Zostera เป็นเปราะมากดังนั้นเนื้อหาสูงสุดของสาหร่ายเป็น 20% โดยน้ำหนัก [5] ที่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโมดูลัสและอุปสรรคออกซิเจนคุณสมบัติของ PVA ได้รับรายงานเมื่อนอกเหนือจาก 10 ไมครอนขนาดของเกล็ด Zostera ม [14] โมดูลัสของหนุ่มเกรดต่างๆของ Mater-Bi®โพลี (ɛ-caprolactone) และ polyhydroxybutyrate ได้รับการปรับปรุงด้วยนอกเหนือจากอัลวาอนุภาค armoricana 50-100 ไมครอน [7] และสาหร่ายจากชายหาดซาร์ดิเนีย (ไม่ระบุ) ม [6] สาหร่ายสีเขียว (สาหร่ายไก) เส้นใยที่มีความยาวเฉลี่ยประมาณ 600 ไมโครเมตรยังได้ถูกนำมาใช้ประสบความสำเร็จในการจัดทำโฟม isocyanate ตาม [8] ความคิดของสาหร่ายเป็นฟิลเลอร์สำหรับเทอร์โมได้รับการจัดแสดงยังผ่านสิทธิบัตรระหว่างประเทศ [9] และ [10]. เป้าหมายของงานนี้ก็คือการดำเนินการศึกษาเปรียบเทียบที่ครอบคลุมของลักษณะทางสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติของวัสดุผสมผสมกับสามประเภทของสาหร่ายสีแดง สีน้ำตาลและสีเขียว ทีพีแอลได้รับการคัดเลือกเพื่อให้ธรรมชาติชีวภาพ 100% ของคอมโพสิต กลุ่มอาคารพื้นฐานของ PLA เป็นกรดแลคติกซึ่งมักจะมีการผลิตโดยการหมักคาร์โบไฮเดรต บ่อยครั้งที่ข้าวโพดหรือแป้งมันฝรั่งจะถูกใช้เป็นแหล่งที่มาของคาร์โบไฮเดรตเพราะฉะนั้นการกระทำอย่างเต็มที่ PLA ชีวภาพที่ใช้โพลิเมอร์ ไม่มีการรักษาสาหร่ายที่ได้ดำเนินการยกเว้น sieving และเลือกสองประชากรที่มีขนาดอนุภาคต่ำกว่า 50 ไมครอนและ 200-400 ไมโครเมตร คอมโพสิตทั้งหมดถูกจัดทำในลักษณะเดียวกันผ่านละลายผสมที่ช่วยให้การเปรียบเทียบที่เพียงพอระหว่างประเภทสาหร่าย อันดับแรกเราโดดเด่นในสาหร่ายครั้งแรก: เราวิเคราะห์อนุภาคกระจายขนาด, ลักษณะพื้นผิวของพวกเขาและองค์ประกอบทางเคมีร่วมกับองค์ประกอบของสาหร่ายจำนวนมากและเป็นผลึก แล้วเราจะดำเนินการทดสอบแรงดึงของวัสดุผสมและเมื่อเทียบกับวิวัฒนาการของคุณสมบัติทางกลเป็นหน้าที่ของประเภทสาหร่ายเข้มข้นและอนุภาคขนาด