Characterization of PHB-based biocomposites: the effect of an orange waste derived filler

Biocomposites are considered to be a potential solution to cope with the increasing environmental issues, that comprehend the polluting raw material production, product manufacturing and disposal problems related to typical plastics and composite materials. Bio-composites based on polyhydroxybutyrate (PHB) and orange waste (OW) powder were analyzed to evaluate and optimize their mechanical properties. The OW filler was characterized by means of scanning electron microscopy (SEM) to assess its shape and granulometry. PHB (80% wt.) and OW (20% wt.) were compounded in a twin screw extruder to obtain pellets of PHB-OW, that were used to print "dog-bone samples" suitable for tensile tests. The addition of OW caused an increment in the stiffness of the material with an elastic modulus that became three times higher (885 MPa for PHB and 21120 MPa for PHB-OW). The tensile strength and the elongation at break decreased from 15-20 MPa to 13-18 MPa and from 0.03-0.05% to 0.01-0.016% respectively. An inspection of the fracture surface by means of SEM analysis showed a good interaction between the matrix and the OW particles. The optimization of the PHB-OW formulation was studied by treating the filler at 100°C, 125°C, and 150°C before mixing. A comparative analysis of the results was carried out thanks to tensile tests performed on 3D specimens printed at different raster angles. Because of the presence of voids, the results did not show a clear dependence on the raster angle but it was noticed how the elastic modulus decreased for formulations treated at higher temperatures. By means of an LCA study in collaboration with Politecnico of Torino, the environmental impact in terms of kg CO2 eq was calculated with OpenLCA software.

I biocompositi sono considerati una potenziale soluzione per far fronte ai problemi ambientali associati alla produzione di materie prime, alla manifattura e allo smaltimento di prodotti realizzati in materiali plastici e compositi tradizionali. Sono stati analizzati biocompositi costituiti da poliidrossibutirrato (PHB) e polvere di scarti di arancia (OW) per valutare e ottimizzare le loro proprietà meccaniche. Il filler di OW è stato caratterizzato mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) per valutarne forma e granulometria. L'80% in peso di PHB e il 20% in peso di OW sono stati miscelati in un estrusore a doppia vite per ottenere granuli di PHB-OW, che sono stati utilizzati per stampare campioni a forma di "osso di cane" adatti per test di trazione. L'aggiunta di OW ha causato un incremento della rigidità del materiale, il cui modulo elastico è risultato triplicato (885 MPa per PHB e 21120 MPa per PHB-OW). La resistenza alla trazione e l'allungamento a rottura sono diminuiti da 15-20 MPa a 13-18 MPa e da 0.03-0.05% a 0.01-0.016% rispettivamente. L'analisi della superficie di frattura tramite analisi SEM ha mostrato una buona interazione tra la matrice e le particelle di OW. L'ottimizzazione della formulazione PHB-OW è stata studiata trattando il filler a 100°C, 125°C e 150°C prima della miscelazione. Un'analisi comparativa dei risultati è stata effettuata grazie a test di trazione eseguiti su campioni stampati in 3D a diversi angoli di raster. A causa della presenza di vuoti, i risultati non hanno mostrato una chiara dipendenza dall'angolo di raster ma è stato possibile notare come il modulo elastico diminuisse per le formulazioni trattate a temperature più elevate. Grazie ad uno studio di analisi del ciclo di vita (LCA) portato avanti in collaborazione con il Politecnico di Torino, l'impatto ambientale in termini di kg di CO2 eq è stato calcolato con il software OpenLCA.