DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF ULTRA HIGH MOLECULAR WEIGHT POLYETHYLENE (UHMWPE) BASED HYBRID NANOCOMPOSITE COATING FOR BEARING APPLICATIONS UNDER DRY AND WATER LUBRICATION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF (MS Thesis) Final_Thesis.pdf - Accepted Version Download (8MB) | Preview

Arabic Abstract

تم تطوير طلاء البوليمر على نطاق واسع في الماضي القريب على نطاق واسع كبديل للتشحيم في التطبيقات التريبولوجية في البيئات الجافة و الرطبة ، و لذلك يمكن أن يكون الماء - مع أو بدون الكاشطات – محصورة في هذه المكونات الانزلاقية إما عن طريق الخطأ أو العمد أو كملوث يؤدي إلى تدهور خصائص طلاء البوليمر وبالتالي فإن تقييم الأداء التريبولوجي ملحاُ في البيئة المائية. يعتبر البوليمر (UHMWPE) من بين البوليمرات التي لها مزيج من الخصائص مثل: انخفاض معامل الاحتكاك والمقاومة العالية والمتانة ، وبالرغم من خصائصها الممتازة لازال هناك حاجة لتعزيز قدرة تحملها وخصائصها التريبولوجية و الحرارية ولهذا فالهدف الرئيسي من هذه الدراسة لتطوير الطلاء الهجيني النانوي لمادة البوليمر (UHMWPE) المعزز بأنابيب الكربون النانوية (CNTs) و النانوكلاي (C15A) لتطبيقات المحملات الجافة والمائية. مبدئياُ تم تحسين الطلاء الهجيني النانوي لمادة البوليمر (UHMWPE) بنسب مختلفة من بأنابيب الكربون النانوية (CNTs) و النانوكلاي (C15A) أو خليط منهما معاُ في الظروف الجافة ثم تقييم الطلاء مع تركيبات مختلفة من النانوفيلر لتعطي أداء تريبولوجي رطب أفضل مع أو بدون جسيمات كاشطة. و قد أجريت اختبارات التآكل باستخدام كرة فولاذية (440C) في بيئات جافة و مائية لتقييم ادائها التريبولوجي باستخدام الأشعة السينية و طيف رامان و المجهر الالكتروني و التقنيات البصرية لتوصيف تشتت النانوفيلر في الطلاء و التشكل و ميكانيكيات التآكل. حيث أظهرت النتائج النهائية ان الطلاء الهجيني النانوي لمادة البوليمر (UHMWPE) المعزز بنسبة ( 1.5 wt% ) من (CNTs) و بنسبة ( 1.5 wt% ) من (C15A) يعطي الأداء الأفضل في الظروف الجافة والمائية في حمولة ( 12N ) و سرعة خطية ( 0.1 m/s ) و أظهرت تحسناُ كبيراُ في ممانعة التآكل بالمقارنة مع الطلاءات الأخرى المستخدمة في هذه الدراسة. تم تقييم الأداء التربيولوجي للطلاء النانوي مع أو بدون إستخدام الكاشطات بإستقدام ثقل (12N) وسرعة (0.1m/s) ولوحظ مقاومة الطلاء بدون فشل، ولوحظ أن عمق التآكل للمركب النانوي بإستخدام الكاشطات أقل من 80 مايكرومتر مقارنة بعمق 104 مايكرومتر مع عدم إستخدامها وذلك بسبب الكاشطات التي تعزز المقاومة وتحد من التآكل مع أنها تزيد من تآكل الكرة.

English Abstract

In the recent past, polymer coatings have been extensively developed as an alternative lubrication strategy in demanding tribological applications. These components may be operated under dry conditions or under aqueous environments. So water (with/ without abrasives) may be entrained into these sliding components either accidentally, deliberately or as a contaminant which may lead to the deterioration of the properties of the polymer coatings. Hence, the evaluation of the tribological performance of these coatings under aqueous environment becomes significant. Among polymers, ultra-high molecular polyethylene (UHMWPE) has a great combination of properties such as low coefficient of friction (COF), high abrasion resistance, high impact resistance and durability. In spite of these excellent properties, UHMWPE still demands modifications to enhance its load bearing capacity, tribological and thermal properties. Hence the main objective of this work is to develop a novel hybrid nanocomposite coating of UHMWPE reinforced with carbon nanotubes (CNTs) and nanoclay (C15A) for bearing applications under dry and water lubricated conditions. Initially, nanocomposite and hybrid nanocomposite coatings reinforced with different loadings of nanoclay/CNTs or combination of both were optimized under dry conditions. Finally the optimized nanocomposite and hybrid nanocomposite coatings with various combinations of the nanofillers were evaluated for better tribological performance under water lubrication with/ without abrasive particles. Ball-on-disk wear tests using a 440C stainless steel ball as the counterface were conducted on the coatings under dry and water lubricated conditions to evaluate their tribological performance. X-ray diffraction, raman spectroscopy, scanning electron microscopy and optical profilometry techniques were used to characterize the coatings in terms of dispersion of the nanofillers, morphology and wear mechanisms respectively. Results showed that the UHMWPE hybrid nanocomposite coating reinforced with 1.5 wt% of CNTs and 1.5 wt% of C15A nanoclay performed best under dry and water lubrication conditions at a normal load of 12 N and a linear speed of 0.1 m/s showing a significant improvement in wear resistance as compared to all other coatings evaluated in this study. Moreover, the tribological performance of the hybrid nanocomposite coating (1.5 wt% CNT/ 1.5 wt% C15A/UHMWPE) with/ without the presence of abrasives was also evaluated at a normal load of 12 N and sliding speed of 0.1 m/s. It was observed that the hybrid nanocomposite coating survived in both the cases without failure. However, the wear track profile depth of the hybrid nanocomposite coating was less (80 μm) in case of the sliding test with abrasives as compared to that in the absence of abrasives where in the wear track profile depth was found to be 104 μm, suggesting of a reduction in wear rate in the presence of abrasives. This is mainly attributed to the embedment of the abrasive particles in the softer polymer matrix which help in providing with an enhanced anchoring effect of the polymer chains leading to an improvement in the resistance to their easy pull-out. However, the counterface ball in the presence of abrasives showed severe wear.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Samad, Mohammad Abdul
Committee Members:	Laoui, Tahar and Sorour, Ahmad
Depositing User:	UMAR AZAM (g201407600)
Date Deposited:	07 Jan 2018 05:35
Last Modified:	31 Dec 2020 09:28
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140574