KFUPM ePrints

EFFECT OF MICROWAVE RADIATIONS ON ELECTRICAL, MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF POLY (VINYL ALCOHOL) NANO COMPOSITE FILMS

l EFFECT OF MICROWAVE RADIATIONS ON ELECTRICAL, MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF POLY (VINYL ALCOHOL) NANO COMPOSITE FILMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

This is the latest version of this item.

[img]PDF (MS Thesis)
Restricted to Abstract Only until 01 January 2018.

5Mb

Arabic Abstract

ملخص الرسالة الاسم الكامل: حافظ محمد افضل عنوان الرسالة: تأثير أشعة الميكروويف على الخواص الكهربائية والحرارية لحشوات البولي فينيل الكحول النانوية المستخدمة في الالكترونيات التخصص: الهندسة الكيميائية تاريخ الدرجة العلمية: تعديل البوليمر النانوي خصائص بإستخدام الإشعاعات تحظى بالاهتمام على نطاق واسع، والقبول من جانب الباحثين في الأوساط الأكاديمية والصناعة على حد سواء. الليزر، إلكترون شعاع، غاما، والأشعة فوق البنفسجية، والأشعة السينية، والموجات الدقيقة هي الإشعاعات الشائعة المستخدمة لتغيير الخصائص للبوليمرات. مقارنة بالأنواع الأخرى، إشعاع الميكروويف أسهل للاستخدام، أرخص وتعتبر تقنية أكثر أمنا. بولي الفينيل الكحول (PVA) هو البوليمر الذي تلقي اهتماما كبيرا من الباحثين الذين يعملون مع الأفلام ومواد التعبئة والتغليف. في مجموعات البحث لدينا، درسنا أنظمة مزج مختلفة من ال PVA [1-15]. وتم ذكر تحسين كبير في خصائص ال PVA و ذلك عن طريق التعزيز بواسطة ال CNT والجرافين [7-14]. بين عدد من مختلف الحشوات الصغيرة، الجرافين، و ال CNT قد برزت كحشوات واعدة لمركبات البوليمر في العقدين الأخيرين. والميزة الرئيسية لإضافة حشوات النانو في مصفوفة البوليمر الضعيفة كبولي الفينيل الكحول (PVA) إعطاء تعزيز للخصائص بصورة استثنائية مؤاتية لتطبيقات مختلفة. تطوير ال PVA المركبة على مستوى النانو مع الجرافين هدف هام لعمل البحوث التطبيقية الحالية لاستخدامها في المجال الكهربائي. بما أن استخدام الأجهزة الكهربائية والإلكترونية في كل مكان في حياتنا. قد زاد استخدامها بصورة لافتة للنظر، ولا يمكننا أن نتصور حياتنا المعاصرة دون استخدام هذه الأجهزة الهامة. ومع ذلك، الإشعاعات الكهرومغناطيسية المنبعثة من هذه الأجهزة تتداخل مع بعضها البعض مما يؤدي إلى ضرر أو أعطال المعدات المجاورة. ونتيجة لذلك، الحاجة إلى مصدار تشويش والدروع الكهرومغناطيسية (EMI) بصورة موثوقة أمر ضروري. اجتذبت مؤخرا، مركبات البوليمر على الموصلة قدرا كبيرا من الاهتمام من قبل الباحثين نظراً لتكلفتها المنخفضة، وانخفاض الكثافة، والمتانة، وخصائص ميكانيكية جيدة ومجموعة واسعة من التطبيقات. ال PVA كونه بوليمر قابل للذوبان في الماء معروف جيدا لتوافقه مع الحياة و كونه غير سام. في السنوات الأخيرة، قد تقدم الجرافين خطوة واحدة بين الحشوات علة مستوى النانو الأخرى بسبب خصائصه الفريدة. الجرافين يجمع بين هيكل الطبقات من الطين ذات الخصائص الميكانيكية والحرارية والكهربائية الممتازة للأنابيب النانوية الكربونية (CNT)، الذي يوفر في نهاية المطاف الخصائص الفنية الفريدة للمنتجات النهائية. في هذا البحث التطبيقي، تعرض الأفلام المعدة للموجات الإشعاعية للتحقيق في تأثير الإشعاعات على الخصائص الكهربائية والميكانيكية، الحرارية والمورفولوجية. بولي الفينيل الكحول/مركب الجرافين على مستوى النانو أعدت باستخدام تقنية الصب المحلول. تعرضت العينات للإشعاعات لمدة 5، 10 و 15 دقيقة تحت قدرة ثابتة مقدارها 200 وات. تم توصيف المركبات على مستوى النانو قبل وبعد إستخدام الإشعاع بالمسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM)، حيود الأشعة السينية (XRD)، (FTIR)، طيف رامان، و القياس التفاضلي (DSC) والتحليل ثيرموجرافيميتريك (TGA). لوحظ انخفاض في التبلور والثبات الحراري ل PVA مع إدماج الجرافين بسبب تقييد حركة السلاسل وعدم الاستقرار التآزر على التوالي. إشعاع الميكروويف لمدة 5 دقائق تحسن التبلور من 46% إلى 55% و الاستقرار الحراري (زادت طاقة التنشيط من 122 كيلو جول مول-1 إلى 128 كيلو جول مول-1) بالنسبة للمركبات على مستوى النانو. زيادة التعريض للإشعاع تسببت بإنخفاض في التبلور، وكذلك كما هو الحال في الثبات الحراري نتيجة للتدهور. وعلاوة على ذلك، جرت دراسة حركية التبلورذو درجة الحرارة الثابتة باستخدام نموذج أفرامي المعروف. ولوحظ زيادة في معدل تبلور مع إدماج الجرافين. ودرست أيضا حركية التدهور الحراري بمساعدة تحليل TGA. جميع المركبات على مستوى النانو اتبعت الرتبة n بالنسة للتفاعل ولوحظ عدم وجود تغيير في التدهور بسبب إضافة الجرافين أو إشعاع الموجات الدقيقة باستثناء التغييرات في معاملات الحركية مثل طاقة التنشيط (E) وعامل التردد (ko). وعلاوة على ذلك، حدثت زيادة في الموصلية الكهربائية من 0.0210.021 S/cm إلى 3.55 S/cm مع إدراج الجرافين بنسبة 1% و 10% في مصفوفة ال PVA على التوالي. اكتسبت المركبات عتبة الترشيح مع إدماج الجرافين بنسبة 5% مع 2.17 S/cm في الموصلية. وقد طبق نموذج بوش و سكاريسبريك للتنبؤ بالموصلية الكهربائية ووجد وإرتباط وثيق بين الموصلية التجريبية والنظرية باستخدام نموذج سكاريسبريك عند معامل هندسية (C) قيمته 0.1. يقوم محلل شبكة الناقلات بالمشاركة لقياس فعالية التدريع الكهرومغناطيسي (EMI SE). تم إيجاد EMI SE تزيد جنبا إلى جنب مع زيادة في محتويات الجرافين. وتحققت زيادة في كل من الخصائص الكهربائية، الموصلية الكهربائية و SE EMI، بعد إشعاع الموجات الدقيقة. تم العثور على انخفاض في خصائص الشد مع إدماج الجرافين خاصة عند النسب المئوية العليا بسبب التكتل. وعلاوة على ذلك، عند النسب المئوية العليا للجرافين سمك الحشوة الجانبي زاد في الأفلام ثنائية الطبقات، مما يؤدي إلى انخفاض قوة الشد

English Abstract

ABSTRACT Full Name : Hafiz Muhammad Afzal Thesis Title : EFFECT OF MICROWAVE RADIATIONS ON ELECTRICAL, MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF POLY (VINYL ALCOHOL) NANO COMPOSITE FILMS Major Field : Chemical Engineering Date of Degree : December 2016 Modification of polymer nanocomposite properties using radiations is gaining wide interest and acceptance by the researchers both in academia and industry. Laser, Electron beam, gamma, UV, X-rays, and microwave are the common radiations being used to alter the properties of the polymers. Comparing to the other types, microwave radiation is easier to use, cheaper, and safer technology. Poly (vinyl alcohol) (PVA) is a polymer that has been received significant interest from researchers who are working with films and packaging materials. In our research groups, we have studied and reported different systems of PVA blends [1-15]. Significant improvement in the properties of PVA was reported by reinforcing it with CNT and graphene [7-14]. Among a number of different Nano fillers, Graphene and CNT have emerged as promising fillers for polymer composites in the last two decades. The main advantage of adding nano filler in the weak polymer matrix as poly (vinyl alcohol) is to give extraordinary properties enhancement favourable for different applications. The development of PVA nano composites with graphene was an important aim of current applied research work for use in the electric field. As electrical and electronic devices are used everywhere in our life. Their usage has been increased remarkably and we cannot imagine our modern life without using these important instruments. However, the electromagnetic radiations emitted from these instruments overlap with one another leading to damage or malfunctioning of the adjacent equipment. Consequently, the need of reliable and effective electromagnetic interference (EMI) shielding materials is essential. Recently, polymer based conductive composites have been attracted a considerable amount of attention by researchers owing to their low cost, low density, durability, good mechanical properties and a wide range of applications. PVA being a water soluble polymer is well known for its biocompatibility and non-toxicity. In recent years, graphene has gone one step ahead among the other nano fillers due to its unique characteristics. Graphene combines the layered structure of clays with excellent mechanical, thermal and electrical properties of carbon nanotubes, which eventually provides unique functional properties for the final products. In this applied research work, we exposed the prepared films to microwave radiation to investigate the effect of irradiation on electrical, mechanical, thermal and morphological properties. Poly (vinyl alcohol) / graphene nanocomposites were prepared using solution casting technique. Samples were subjected to microwave radiations for 5, 10 and 15 min at a constant power of 200 watts. The nanocomposites were characterized before and after irradiation by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). Reduction in crystallinity and thermal stability of PVA was observed with incorporation of graphene due to restricted dynamic movement of chains and synergistic instability respectively. Microwave irradiation for 5 min improved the crystallinity from 46% to 55% and thermal stability (activation energy increased from 122 kJ mole-1 to 128 kJ mole-1) of the nanocomposites. Further irradiation caused a decreased in the crystallinity as well as in the thermal stability due to degradation. Furthermore, the isothermal crystallization kinetics were studied by employing the well-known Avrami model. An increase in the crystallization rate was observed with graphene incorporation. The thermal degradation kinetics were also studied by the help of TGA analysis. All the nanocomposites followed nth order reaction mechanism and no change in degradation was observed due to the addition of graphene or the microwave irradiation except the changes in the kinetic parameters such as activation energy (E) and frequency factor (ko). Moreover, increase in electrical conductivity from 0.021 S/cm to 3.55 S/cm was observed in 1% and 10% graphene incorporation in PVA matrix respectively. Composites acquired percolation threshold at 5% graphene incorporation with 2.17 S/cm DC conductivity. Bueche model and Scarisbrick model were applied for the prediction of electrical conductivity and the close match was found between experimental and theoretical conductivity using Scarisbrick model at geometrical factor (C) value 0.1. Vector network analyzer (VNA) was engaged in measuring the electromagnetic inference shielding effectiveness (EMI SE). EMI SE found to increase along with an increase in graphene contents. Improvement in both electrical properties, electrical conductivity, and EMI SE, was achieved after microwave irradiation. The decrease in tensile properties was found with the incorporation of graphene especially at higher percentage due to agglomeration. Moreover, at higher graphene percentage the thickness of filler enrich side increased in bi-layered films which result in decrease of tensile strength.



Item Type:Thesis (Masters)
Subjects:Chemical Engineering
Divisions:College Of Engineering Sciences > Chemical Engineering Dept
Committee Advisor:Mamdoh Al-Harthi , Dr.
Committee Members:Abdulhadi Al-Juhani, Dr. and Isam Al-Jundi, Dr. and Mohammad Mozahar Hossain , Dr. and Shaikh Abdurrazzak, Dr.
ID Code:140169
Deposited By:HAFIZ AFZAL (g201403080)
Deposited On:26 Jan 2017 13:43
Last Modified:26 Jan 2017 13:43

Repository Staff Only: item control page