Development and characterization of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene(UHMWPE)Nanocomposites for bearing application under water lubriction. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (Thesis) THESIS-DGS_FORMATTED.pdf Download (1MB) | Preview

Arabic Abstract

البولي إيثيلين شديد الثقل الجزيئي UHMWPE يحمل العديد من الخصائص الجيدة المتعلقة بالاحتكاك وقد شق طريقه في التطبيقات التي تتطلب تحملًا عاليًا للإهتراء مثل المسننات ,المضخات, الأغلفة, الدوافع , زراعة الأعضاء بالإضافة إلى كل الأقسام الصناعية تقريبا , سواءٌ أكان للتغليف أم التسجيم , على كل حال , فإن إضافة المعبئات مثل أنابيب النانو الكربونية CNTs والنانوطين (طين بوحدة قياس النانو) قد ساعد بشكل كبير في تطوير الخصائص الاحتكاكية والميكانيكية لحشوات UHMWPE. على الرغم من أن الكثير من الأبحاث والتجارب قامت بتطوير خصائص حشوات UHMWPE الإحتكاكية والميكانيكية إلا أن إمكانية إستخدامه في التطبيقات الواقعة تحت تزييت الماء بسبب مقاومته الممتازة للماء، لم يتم الإستفادة منها بشكل كامل بعد . من هنا , فإن تركيز الدراسة الحالية هو دراسة جدوى إستخدام حشوات UHMWPE المركبة تحت تزييت الماء مع إستخدام النانوطين وأنابيب النانو الكربونية كدعامات. إن الفكرة الفريدة في إستخدام النانوطين مع أنابيب النانو الكربونية CNTs في تطوير قضبان الحشوات المركبة مبني على أن النانوطين مستخدم بشكل واسع لتقليل امتصاص المياه في البوليمرات. في الجزء الأول, تم استخدام 1.5% من 3 أنوع مختلفة من الطين المعدل عضويًا 1.30E ، 1.28E ، و C-15A لتدعيم UHMWPE . تم تطبيق إختبارات أشعة إكس، صلابة المادة في مستوى المايكرو، مقياس إمتصاص الماء والأكثر أهمية هو اختبار قياس الإحتكاك على الحشوات المدعومة بالنانوطين لقياس الخصائص البنائية، والمكانيكية، والإحتكاكية . عندما تم اختبار شدة امتصاص العينة للماء , لوحظ أن إضافة أنواع النانوطين الثلاثة إلى UHMWPE أدى إلى تقليل إمتصاص العينة للماء. على كل حال , فإن إضافة نوعي C-15A و 1.30E من النانوطين إلى UHMWPE قد أسفر عن تحسين الخصائص الإحتكاكية عن طريق تقليل معامل الإحتكاك وزيادة مقاومة الإهتراء في المرحلة الثانية, تم تحسين محتوى C-15A إعتمادًا على أدائه الإحتكاكي باستخدام ثلاث نسب مختلفة (0.5, 1.5, 3% من وزن الجسم) . في الجزء الأخير تم تطوير حشوة مركبة بإضافة الطين المحسن بمحتوى ثابت ثم إضافة أنابيب النانو الكربوني CNTs بثلاثة كميات مختلفة (0.5, 1.5, 3% من وزن الجسم) . تم تحديد الخصائص البنائية والشكلية باستخدام حقل انبعاث المسح الإلكتروني المجهري , أشعة إكس و طيف رامان للحشوة المركبة بالإضافة إلى إختبارات قياس الإحتكاك. تم إختبار نسخة محسنة من الحشوة المركبة تحت تزييت الماء مع عينات أخرى من UHMWPE نقي ، C15A/UHMWPE ، و CNTs/UHMWPE . أظهرت الحشوات المركبة أعلى مقاومة للإهتراء بمعدل 63% مقارنة بـ UHMWPE غير المعدل. في النهاية ، تم إختبار حشوات UHMWPالمركبة تحت ظروف حياة مسرعة تحت تزييت الماء مع UHMWPE نقي ، حيث تمت ملاحظة تقليل مقاومة الإهتراء بنسبة 45% في حالة محددة من الإستخدام مع زيادة جزئية في معامل الإحتكاك ناتجة عن الخصائص الميكانيكية العالية لأنابيب النانو الكربونية CNTs

English Abstract

Ultrahigh Molecular weight Polyethylene that has paved ways in applications where high wear resistance is required. It is employed in variety of applications such as gears, pump housings, impellers, biomedical transplants and almost in every industrial sector both in the form of coatings and bulk. The addition of nano fillers like carbon nanotubes and nanoclay contribute significantly in improving the mechanical and wear resistance properties of UHMWPE. Even though lot of work has been done on UHMWPE composites in terms of their mechanical and tribological characterization, its potential to be used under water lubrication has not been tapped completely. Hence, the objective of the present study is to explore the feasibility of using UHMWPE hybrid nanocomposites under water lubrication using nano clay and carbon nanotubes as reinforcements. The unique idea to use nanoclay along with CNTs in the development of hybrid nanocomposites stems from the fact that nano clay is widely used in reducing the water uptake of polymers and enhancing the mechanical properties. In the first part of the present work, 1.5 wt% of three different organo-modified clays I.30E, I.28E and C-15A were used as reinforcements in UHMWPE. XRD, micro-hardness tests, water uptake tests and most importantly tribological tests have been conducted to evaluate the structural, mechanical and tribological properties of the developed nanoclay reinforced composites. It was observed from the water uptake tests that the addition of all the three types of nanoclays to UHMWPE resulted in reducing the water absorption. However, the addition of C15A and I30E nanoclays to UHMWPE also resulted in improving the tribological properties in terms of lowering the coefficient of friction and increasing the wear resistance. In the second stage, the C15A content was optimized based on its tribological performance using three different clay loadings nanocomposite were developed with fixed clay content of 1.5 wt% while varying CNTs loading from 0.5 wt% to 3 wt %. Structural and morphological characterization using FESEM, XRD and Raman Spectroscopy for hybrid nanocomposites was done along with tribological testing. Optimized hybrid nanocomposite was tested under water lubricated condition along with pristine UHMWPE, C15A/UHMWPE and CNTs/UHMWPE. Hybrid nanocomposites showed highest reduction in wear rate by reducing wear rate by 63% as compared to pristine UHMWPE. Finally hybrid UHMWPE nanocomposites were tested under accelerated life testing UHMWPE and a reduction of about 45% was observed in specific wear rate with slightly increased coefficient of friction due to superior mechanical properties of CNTs.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Merah, Nesar
Committee Members:	Muhammad, Abdul Samad and Al Qutub, Amro
Depositing User:	ANNAS BIN ALI (g201305650)
Date Deposited:	23 Jun 2016 09:03
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140053