Biocomposites of Low-Density Polyethylene PlusWood Flour or Flax Straw: Biodegradation Kinetics across Three Environments

Abstract

The purpose of this study was to assess the potential for biocomposite films to biodegrade in diverse climatic environments. Biocomposite films based on polyethylene and 30 wt.% of two lignocellulosic fillers (wood flour or flax straw) of different size fractions were prepared and studied. The developed composite films were characterized by satisfactory mechanical properties that allows the use of these materials for various applications. The biodegradability was evaluated in soil across three environments: laboratory conditions, an open field in Russia, and an open field in Costa Rica. All the samples lost weight and tensile strength during biodegradation tests, which was associated with the physicochemical degradation of both the natural filler and the polymer matrix. The spectral density of the band at 1463 cm-1 related to CH2-groups in polyethylene chains decreased in the process of soil burial, which is evidence of polymer chain breakage with formation of CH3 end groups. The degradation rate of most biocomposites after 20 months of the soil assays was greatest in Costa Rica (20.8–30.9%), followed by laboratory conditions (16.0–23.3%), and lowest in Russia (13.2–22.0%). The biocomposites with flax straw were more prone to biodegradation than those with wood flour, which can be explained by the chemical composition of fillers and the shape of filler particles. As the size fraction of filler particles increased, the biodegradation rate increased. Large particles had higher bioavailability than small spherical ones, encapsulated by a polymer. The prepared biocomposites have potential as an ecofriendly replacement for traditional polyolefins, especially in warmer climates.

El propósito de este estudio fue evaluar el potencial de las películas de biocompuestos para biodegradarse en diversos ambientes climáticos. Se prepararon y estudiaron películas de biocompuestos a base de polietileno y 30% en peso de dos cargas lignocelulósicas (harina de madera o paja de lino) de diferentes fracciones de tamaño. Las películas compuestas desarrolladas se caracterizaron por unas propiedades mecánicas satisfactorias que permiten el uso de estos materiales para diversas aplicaciones. La biodegradabilidad se evaluó en el suelo en tres ambientes: condiciones de laboratorio, un campo abierto en Rusia y un campo abierto en Costa Rica. Todas las muestras perdieron peso y resistencia a la tracción durante las pruebas de biodegradación, lo que se asoció con la degradación fisicoquímica tanto del relleno natural como de la matriz polimérica. La densidad espectral de la banda a 1463 cm − 1 relacionada con los grupos CH2 en las cadenas de polietileno disminuyó en el proceso de enterramiento del suelo, lo que es evidencia de rotura de la cadena del polímero con formación de grupos terminales CH3. La tasa de degradación de la mayoría de los biocompuestos después de 20 meses de ensayos de suelo fue mayor en Costa Rica (20,8–30,9%), seguida de las condiciones de laboratorio (16,0–23,3%), y la más baja en Rusia (13,2–22,0%). Los biocompuestos con paja de lino fueron más propensos a la biodegradación que los de harina de madera, lo que puede explicarse por la composición química de los rellenos y la forma de las partículas de relleno. A medida que aumentó la fracción de tamaño de las partículas de relleno, aumentó la tasa de biodegradación. Las partículas grandes tenían una mayor biodisponibilidad que las pequeñas esféricas, encapsuladas por un polímero. Los biocomposites preparados tienen potencial como un reemplazo ecológico de las poliolefinas tradicionales, especialmente en climas más cálidos.