Mechanical and tribological behaviour analysis of the poly(lactic acid) reinforced with Sn-Zn-Bi, short carbon fibers, and graphene produced by Casting, 3D printing, and laser texturing.

Abstract

Polymer composites are an excellent option for many technologically demanding industries, including aerospace, automotive, marine, and civil. This is due to their exceptional multi-functional qualities. A detailed examination of these composites' physical, chemical, tribological, and mechanical behaviour under various exposure situations is required due to the rising demand for them. Petroleum-based polymers have numerous negative environmental effects such as pollution (land, water, etc.), and global warming. Biodegradable polymers are one of the most potential materials for replacing traditional petroleum-based plastics. Among all the polymers, poly (lactic acid) (PLA) is a promising biodegradable plastic that is not only widely available but also safe to decompose after use without polluting the environment. PLA is also used in different engineering applications. But it has a few disadvantages such as the low wear resistance and low mechanical properties which sometimes causes some degree of functional limitation of the parts.The goal of this project is to improve the mechanical and tribological properties of PLA. This will be accomplished by creating a self-lubricating reinforced PLA composite with low friction and wear rate, capable of minimizing wear debris formation and release. For this purpose, graphene nanoplatelets (GNP), short carbon fibres (SCF), and soft Sn-based brazing alloy were added to the PLA matrix to improve its properties. There are numerous polymer matrix composite production techniques, each with unique advantages and disadvantages. In this study, three different production processes were used to produce the composite samples. The first one is mechanical alloying followed by casting, the second one is mechanical alloying/plastography followed by extrusion and 3D printing, and the third one is laser texturing of casted PLA, cold compaction of the reinforcements, and laser sintering. In all the cases, the composite samples reinforced with GNP and SCF (50-50 relative wt.%) showed the best results in terms of mechanical and tribological performance. The second-best composite sample were the ones with GNP solely. In the samples produced by the casting and 3D printing process, the GNP reinforced composite exhibited that the GNP alone can significantly improve the mechanical and tribological properties. Though the samples reinforced with Sn-Zn-Bi alloy improved the hardness of the casted composites, the friction coefficient and wear resistance were the worst in those samples compared to the other composites and the pure PLA as well. Another important finding was that the 1 wt.% of GNP and SCF is enough to increase the hardness significantly. But adding more concentration of GNP and SCF to the composite did not help much in hardness. At 5 wt.% of GNP and SCF, the hardness of the composites increased a little bit compared to the ones with 1 wt.% of reinforcements. Concerning the tribological behaviour, it was observed that COF values increased with the increase of the GNP and SCF wt.%. The lack of adequate sintering process conditions led to some difficulties with the samples produced by laser surface texturing, cold compaction, and laser sintering. However, based on some preliminary results, it can be said that the composites with GNP performed better tribologically and the composite with SCF showed improvement in mechanical properties.There is a scope of future work regarding this project to have a better understanding of the composite and the effect of reinforcements on its properties.

Os compósitos de matriz polimérica são uma excelente opção para muitas indústrias tecnologicamente exigentes, tais como aeroespacial, automóvel, naval e civil. Tal deve-se às suas excepcionais propriedades multifuncionais. Devido à sua crescente demanda, são necessários estudos detalhados sobre o seu comportamento físico, químico, tribológico e mecânico sob várias situações de exposição. Os polímeros à base de petróleo têm inúmeros efeitos ambientais negativos, como poluição (terra, água, etc.) e aquecimento global. Como alternativa, os polímeros biodegradáveis têm grande potencial elavado para substituir os plásticos tradicionais à base de petróleo. Entre eles, o poli (ácido lático) (PLA) é um plástico biodegradável promissor, amplamente disponível, que tem a capacidade de se decompor após o uso, sem poluir o meio ambiente, sendo por isso usado em diferentes aplicações de engenharia. No entanto, apresenta algumas limitações, como a baixa resistência ao desgaste e as baixas propriedades mecânicas que, por vezes, provocam algum grau de limitação funcional das peças.O objetivo deste projeto é melhorar as propriedades mecânicas e tribológicas do PLA através do seu reforço com materiais autolubrificantes com baixo atrito e taxa de desgaste, capazes de minimizar a formação e libertação de detritos de desgaste. Para tal, nanoplaquetas de grafeno (GNP), fibras curtas de carbono (SCF) e uma liga de brasagem à base de Sn foram adicionados à matriz de PLA para melhorar as suas propriedades. Existem inúmeras técnicas de produção de compósitos de matriz polimérica, cada uma com vantagens e desvantagens únicas. Neste estudo, três processos de produção diferentes foram usados para produzir as amostras compósitas: (i) síntese mecânica seguida de fundição, (ii) a síntese mecânica/plastografia seguida de extrusão e impressão 3D e (iii) a texturização a laser do PLA fundido, compactação a frio dos reforços e sinterização a laser. Os resultados mostraram que as amostras compósitas reforçadas com GNP e SCF (50-50% em peso relativo) apresentaram os melhores desempenhos mecânico e tribológico, seguidas pelas reforçadas apenas com GNP. Nas amostras produzidas pelo processo de fundição e impressão 3D, concluiu-se que a adição de GNP melhorou significativamente as propriedades mecânicas e tribológicas dos compósitos PLA-GNP. Embora as amostras reforçadas com a liga Sn-Zn-Bi tenham melhorado a dureza dos compósitos obtidos por fundição, o coeficiente de atrito e a resistência ao desgaste foram piores nessas amostras, em comparação com os outros compósitos e com o PLA puro. Outra conclusão importante retirasda deste trabalho foi a de que 1% em peso de GNP e SCF é suficiente para aumentar significativamente a dureza dos compósitos. No entanto, o aumento do teor destes reforços não teve grande influência nesta propriedade. A dureza do compósito com 5% em peso de GNP e SCF, apenas sofreu um pqueneo aumento de dureza quando comparada com a amostra com 1% em peso destes reforços. Em relação ao comportamento tribológico, observou-se que os valores de COF aumentaram com o aumento do teor de GNP + SCF. No que diz respeito ao processo de texturação e sinterização a laser e com base nos resultados preliminares, pode afirmar-se que os compósitos com GNP tiveram o melhor desempenho tribológico e que o compósito com SCF apresentou os valores mais elevados das propriedades mecânicas. No entanto, as condições de sinterização não foram as mais indicadas, pelo que há necessidade de estudar com mais detalhe diferentes parâmetros do processo.Para trabalhos futuros propôe-se estudar com mais detalhe o efeito dos reforços no polímero PLA.