KFUPM ePrints

DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF HYBRID GLASS FIBER AND EPOXY CLAY NANOCOMPOSITES

l DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF HYBRID GLASS FIBER AND EPOXY CLAY NANOCOMPOSITES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img]PDF (Thesis (Full)) - Accepted Version
4Mb

Arabic Abstract

فى هذا العمل، استخدمت الياف الفايبر قلاس الكهربائية المقاومة للتاكل فى صنع مواد مركبة باستخدام تقنية الوضع اليدوى والضغط باستخدام الحرارةز مركبات مزدوجة تم تصنيعها باستخدام كميات مختلفة من الحشوات النانوطينية (من 0 الى 5 فى المائة) مصنوعة بواسطة طريقة الخلط بالقص العالى. اشعة اكس اثبتت ان درجة توزيع الحشوات النانوطينية كانت مختلطة بين تشتت عالى ومتوسط. ايضا تاثير اضافة الحشوات النانوطينية على الخواص الميكانيكية درس عن طريق اختبارى الانحناء والصدم. اظهرت النتائج ان اضافة 1.5 فى المائة ادى الى تحسن اجهاد الانحناء ومعامل المرونة بمقدار 11 و 14 فى المائة على التوالى لكن اضافة مزيد من الحشوات النانوطينية ادى الى انخفاض هذه الخواص نتيجة لتكتل الطين. ايضا درجة اعاقة امتصاص الماء لمركب الفايبرقلاس و الحشوات النانوطينية درست عند درجة حرارة الغرفة و 80 درجة مئوية وتاثيرها على خواص الانحناء . اظهرت النتائج ان عند درجة حرارة الغرفة الامتصاص الاقصى كان عند 1 فى المائة لكن عند 80 درجة مئوية تضاعف امتصاص الماء. اضافة الحشوات النانوطينية اثبتت قدرتها على تخفيض امتصاص الماء. نتائج خواص الانحناء اظهرت انخفاض اجهاد الانحناء ومعامل المرونة بمقدار 7 و 5 فى المائة عن عند اضافة 1.5 فى المائة من الحشوات النانوطينية على التوالى عند درجة حرارة الغرفة لكن عند زيادة درجة حرارة الماء ل 80 درجة مئوية لوحظ انخفاض بمقدار 36 و13 فى المائة لاجهاد الانحناء ومعامل المرونة على التوالى انخفاض هذه الخواص الميكانيكية نتج عن التلين نتيجة لوجود الماء والذى ساعد فى تخفيض درجة الترابط بين الفايبر قلاس والايبوكسى والحشوات النانوطينية. اختبارات الصدم عند سرعة منخفضة درس لمدى معين من الطاقة بين 10 الى 50 جول ايضا لوحظ ان اضافة 1.5 فى المائة حسن اجهاد الصدم بمقدار 23 فى المائة . امتصاص الطاقة زاد مع زيادة طاقة الصدم ولوحظ ان عند 1.5 فى المائة كان الامتصاص الادنى من طاقة الصدم نتيجة للتوزيع الجيد للحشوات النانوطينية. صلابة العينات وجدت باستخدام الثنى عند الحمل الاقصى والزمن الكلى للصدم. لوحظ زيادة فى الصلابة عند اضافة الحشوات النانوطينية حتى 1.5 فى المائة بعد ذلك ادت العيوب مثل الفجوات والتكتل الطينى الى انخفاض الصلابة. ايضا وجد توافق فى النتائج الخاصة باختبارى الصلابة للصدم والانحناء. اظهرت نتائج الميكروسكوب الضوئى الماسح لعينات اختبار الصدم ان الضرر كان سببه التبطين وتشقق الايبوكسى والالتواء والكسر. طاقات الصدم المنخفضة ادت الى التبطين والتشقق وانهيار جزء قليل من الفايبر لكن عند طاقات الصدم العالية لوحظ انثقاب كامل للعينات. مساحة الضرر زادت مع زيادة الطاقة الممتصة مع ضرر بالغ فى الفايبرقلاس. الجانب الاسفل من العينات المعرضة للصدم اظهرت ان الضرر الاكبر كان عند اتجاه الشد.

English Abstract

In this work, electrical grade-corrosion resistant (E-CR) glass fiber mats are used to prepare glass fiber reinforced epoxy (GFRE) nanoclay composites using hand layup method followed by hot pressing. Hybrid GFRE nanoclay composites are manufactured using 0 to 5 wt% loading of I.30E nanoclay. High shear mixing is used to prepare the epoxy/clay nanocomposite. XRD analysis of hybrid GFRE nanoclay composites reveal an exfoliated/disordered intercalated morphology. The effect of nanoclay on mechanical properties is investigated by carrying out flexural and drop weight impact tests. The test results show that addition of nanoclay up to 1.5 wt% improves the flexural strength and flexural modulus by 11% and 14%, respectively. However, these properties start deteriorating when the clay content increased beyond 1.5wt%, mainly due to clay agglomeration. Furthermore, the water barrier properties of GFRE nanoclay composites are studied at 23°C and 80°C. At 23°C there is a maximum of 1% water absorption while at 80°C the water uptake is seen to double. Addition of clay proves to be a good barrier. Subsequent flexural testing reveals that water uptake samples at 23°C cause a 7% decrease in strength and a 5% decrease in stiffness for 1.5 wt% while at 80°C, the degradation is observed to be 36% for flexural strength and 13% for stiffness. The decrease in mechanical properties is attributed to the plasticizing effect of water and matrix swelling which also reduces the interaction between epoxy-clay and glass fibers. Low-velocity impact is also studied for GFRE 0 wt% and GFRE nanoclay based composites for a range of energies between 10 to 50 J. It is observed that the addition of 1.5 wt% nanoclay improves the impact properties by 23%. Energy absorption increases with increasing impact energy and 1.5 wt% samples are seen to absorb the least amount of energy due to uniform dispersion of nanoclay. The stiffness of samples is determined using deflection at peak load and total impact duration, both of which are lowest for samples containing nanoclay which means that nanoclay addition makes the samples stiffer. This stiffness is maximum for 1.5 wt% after which it starts decreasing due to defects introduced by clay agglomeration and voids. The results from drop weight impact results were found to be in agreement with those obtained from flexural modulus. The analysis of impact tested samples showed that damage occurred predominantly by delamination, matrix cracking, fiber buckling and fracture. Low impact energy resulted in delamination and matrix cracking with slight fiber breakage while samples subjected to higher impact energy went through complete perforation with a lot of fiber damage. Damage area increases with impact energy and is proportional to the amount of energy absorbed. The back side of impacted samples show the highest amount of damage as the damage proceeds towards the tensile direction.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Mechanical
Divisions:College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor:Merah, Nesar
Committee Members:Al-Qutub, Amro and Samad, Muhammad Abdul
ID Code:139374
Deposited By:AHMAD RAFIQ (g201203420)
Deposited On:04 Nov 2014 10:50
Last Modified:04 Nov 2014 10:50

Repository Staff Only: item control page