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E. Bumbaris:
""The Effect of Bacterial Cellulose on Flax Fibre Thermoplastic Composites"";
Supervisor: A. Bismarck, V. Archodoulaki; Institute of Materials Chemistry & Research UNI WIEN, 2017; final examination: 2017-11-06.

In order to compete with traditional engineering materials, the mechanical properties of plant
fibre composites need to be improved in general. One route for improving their properties
could be including nanoreinforcements, such as bacterial cellulose (BC). BC bears great
potential as a reinforcing agent in plant fibre composites, which has recently been shown by
our group. The aim of this work was to incorporate BC into thermoplastic flax fibre composites,
in order to study the effect it may have on the mechanical performance of the composites.
The flax fibre composites were manufactured using a simple paper-making process. Flax
fibres, polymer fibres and wet BC were mixed by preparing aqueous suspensions. These
suspensions were vacuum-filtered to obtain wet preforms, which were dried and consolidated
into composites by pressing at elevated temperatures. Polypropylene (PP), a combination of
polypropylene and maleic anhydride grafted polypropylene (MAH-g-PP), as well as polylactic
acid (PLA) were used as matrices. The composites were characterised by determining their
porosity and measuring their tensile properties conducting uniaxial tensile tests.
Irrespective of the polymer that was used, the employment of BC as additional reinforcement
in the composite mixture led to very robust nonwoven preforms (prior to composite
consolidation), held together by a network of hornified BC. As these robust nonwoven
preforms have a high handleability and a low volume, the reinforcing effect of BC can be
considered highly advantageous for possible industrial applications.
In case of a PP 􀅵atri􀇆, the 􀄐o􀅵posites􀍛 te􀅶sile properties slightly decreased upon the addition
of 10 wt.% BC, due to the restriction of polymer melt flow by the network that BC formed
upon hornification. When half of the PP matrix was replaced by MAH-g-PP, the tensile
properties of the composites with BC were similar to the ones without BC. This means that
the addition of BC led to useful robust nonwoven preforms without decrease in properties of
the composites containing MAH-g-PP. When PLA was used as matrix, the tensile properties
even increased drastically upon the addition of BC. Flax-PLA composites containing 20 wt.%
BC outperformed the ones without BC by multiple times.

Ziel dieser Arbeit war es, bakterielle Cellulose als potentiell verstärkenden Bestandteil in
Verbundwerkstoffen auf Basis von Flachsfasern und ausgewählten thermoplastischen
Matrizen einzubinden und dessen Auswirkung auf das mechanische Leistungsvermögen der
resultierenden Materialien zu untersuchen. Bei der Herstellung wurde auf eine von uns bereits
entwickelte Methode zur Fertigung solcher, bakterielle Cellulose enthaltender,
Verbundwerkstoffe zurückgegriffen. Diese bestand im Wesentlichen aus dem homogenen
Suspendieren aller Bestandteile in wässrigem Milieu mit anschließender Vakuumfiltration und
darauffolgendem Pressen bei erhöhter Temperatur. Die resultierenden Kompositwerkstoffe
wurden auf ihre Porosität untersucht und einachsigen Zugversuchen unterzogen.
Dabei war festzustellen, dass, im Falle einer Matrix aus reinem Polypropylen, die Zugabe von
bakterieller Cellulose zu Einbußen bei den mechanischen Eigenschaften der Prüflinge führte,
was vermutlich auf eine Einschränkung des Polymerflusses durch die bakterielle Cellulose
zurückzuführen ist. Die Anwesenheit der bakteriellen Cellulose führte jedoch (nach der
Trocknungs- und vor der Konsolidierungsphase des Pressvorgangs) zum Erhalt eines robusten
und äußerst handlichen Vliesstoffes, in welchem die Flachs- und Polymerfasern durch ein
Netzwerk verhornter Nanocellulose zusammengehalten werden. Wurde diese Matrix zur
Hälfte durch mit Maleinsäureanhydrid gepfropftem Polypropylen ersetzt, war kein deutlicher
Unterschied mehr zwischen den Messwerten vor und nach Zugabe der bakteriellen Cellulose
zu verzeichnen. Dies ließ die Zugabe der bakteriellen Cellulose, angesichts der Handhabbarkeit
des Vliesstoffes und deren Nützlichkeit im Kontext denkbarer industrieller Verarbeitung als
sehr vorteilhaft erscheinen.
Ein sehr deutlicher positiver Effekt der bakteriellen Cellulose war beim Verwenden einer
Matrix aus Polylactid zu sehen. Die Testreihen zeigten, dass die Erhöhung des Anteils an
bakterieller Cellulose auch zu einem starken Anstieg des Leistungsvermögens der
Kompositwerkstoffe führte. Bestanden die Werkstoffe aus 20 Massenprozent bakterieller
Cellulose, übertrumpften sie diejenigen, die keine enthielten, um ein Vielfaches.

plant fibre composites