Tribological Evaluation of Hybrid Nanocomposite Epoxy Coating System Based on Novel Fillers for Demanding Industrial Applications

Tribological Evaluation of Hybrid Nanocomposite Epoxy Coating System Based on Novel Fillers for Demanding Industrial Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (MS Thesis)
Bobby Satheesan_g201407260_MS_Thesis_KFUPM.pdf
Restricted to Repository staff only until 19 February 2021.

Download (5MB)

Arabic Abstract

استخدمت الايبوكسيات السائبة والتي على شكل طلاء على مر السنين في مجال واسع من الاستخدامات في مختلف الصناعات. وإن نجاح أي مشروع طلاء أو تغليف بهذه المواد يكمن في جودة السطح المستخدمة عليه وجودة إعداده من أجل تطبيق هذه المواد عليه. وبالرغم من توفر العديد من المواد الكاشطة في الصناعة، إلا أن خبث الفحم (سيليكات الألمنيوم) والغارنيت (مادة كاشطة معدنية) بقيت الخيارات الأكثر شيوعا لغاية الآن بفضل سهولة توفرهم. ولكن قلة احتياطيات خبث الفحم بسبب الأنظمة البيئية الصارمة والنقص في الغارنيت عالي الجودة قد ولدت الحاجة إلى إيجاد البدائل المناسبة. وبما أن الكشط بالرش الرملي هو الطريقة الأكثر شيوعا لإعداد السطوح قبل تطبيق الطلاء، إلا أن المناخ الاقتصادي الحالي قد دفع عدد كبير من مصنعي مواد الطلاء لاستثمار وقتهم وجهدهم في تطوير أنواع طلاء الأسطح عالية التحمل والاستمرارية. بدأت المرحلة الأولى من هذا البحث بتقييم أثر السطوح المعدنية باستخدام نوعين من المواد الكاشطة وهم بالتحديد مادة الأوليفاين (التي تستخرج من صخر الدونيت) وسيليكات الكالسيوم (خبث الحديد) باستعمال مجموعة من التقنيات وبالتحديد التحليل الضوئي وطريقة الرغوة حسب المواصفة الأمريكية رقم د-4417 (الطريقة ج) (معطيات الارتفاع) وطريقة التصوير بالإلكترونات (التصوير الثانوي بالإلكترونات / التحاليل بالتصوير بالأشعة السينية) من أجل تحليل المكونات الجزئية غير الظاهرة. تم ربط التماسك بقابلية السطوح المعدنية الداخلية للتبلل باستخدام مواد كاشطة محددة. ومن ثم تم إجراء اختبارات قوة المواد اللاصقة وفقًا للمواصفة الأمريكية د-4541. أثبت نتائج مختلف الاختبارات أن الكاشطات من الأوليفين وسيليكات الكالسيوم توعد بأنها بدائل ممتازة لخبث الفحم والغارنيت. وبما أن إزالة الرش الكاشط ستكون السيناريو المفضل، إلا أنه تم تقييم أثر المعالجة ببلازما الهواء على القوة اللاصقة لنظام الطلاء بالايبوكسي. هناك تحسن مهم في قوة المادة اللاصقة من نظام الطلاء الذي تم اختياره المستخدم على السطوح غير النسيجية وتمت ملاحظة السطوح الداخلية المعالجة بالبلازما. وبعد مراجعة عملية معمقة، تبين أن استخدام الابوكسيات في التطبيقات التريبولوجية يكون غالبا محدودا بخواص مجموعة الايبوكسيات الأصلية مثل القدرة على التحمل في الحمل المنخفض تحت أنظمة p-v الشديدة مجتمعة مع قيم الناقلية الحرارية المنخفضة. في هذه الدراسة، تم تقييم قدرة تحمل الحمل لنظام الطلاء بالإيبوكسي المطبق على السطوح غير النسيجية والسطوح المعدنية المعالجة بالبلازما وذلك تحت شروط التزليق الجاف. ومن قم تمت إضافة حشوات أكسيد الغرافين بعدة تركيزات على مجموعة الابوكسيات الأصلية لإنتاج طلاء ايبوكسي غير مكون من مركبات. وفي المرحلة الأخيرة من هذه الدراسة، تمت إضافة حشوات من التايتانيا والألومينا إلى أكسد غرافين لإنتاج طلاء ايبوكسي هجين غير مكون من مركبات. وقد كشفت الاختبارات التريبولوجية أن حالة جزيئات أكسيد الغرافين عند الحشوة ذات الرطوبة 0.5 % قد أدت إلى تحسن مهم في عمر التآكل. تحليل عمر تآكل المادة الهجينة بين أن هجينات أكسيد غرافين التايتانيا قد ولدت نتائج أفضل بكثير بالمقارنة مع النتائج الناتجة عن أكسيد غرافين الألومينا.

English Abstract

Epoxies in the form of bulk and coatings have been used throughout the years for a wide spectrum of applications in industries. The success of any coating project lies in the quality of surface preparation achieved. Though a large variety of abrasives are available in the industry, coal slag (aluminium silicate) and garnet (mineral abrasive) have remained popular choices until now owing to their easy availability. However, depleting reserves of coal slag owing to stricter environmental regulations and shortage of good quality garnet have fueled the need to identify substitutes. While abrasive blasting is the most popular method for texturing of substrates prior to coating application, the present economic climate has forced huge coating manufacturers to invest a lot of time and effort into developing surface tolerant coatings. The first phase of this research work began with the evaluation of the effect of texturing mild steel substrates using two novel abrasives namely, olivine (obtained from dunite rock) and calcium silicate (iron furnace slag) using a combination of techniques namely optical profilometry, replica tape method as per ASTM D-4417 (Method C) (height parameter) and scanning electron microscopy (secondary electron imaging/energy dispersive X-ray spectroscopy analyses) for embedded particle composition analysis. Correlations were drawn to the wettability of metallic substrates textured using the selected abrasives. Adhesive strength tests were then performed in accordance with ASTM D-4541. The results of the various tests prove that both olivine and calcium silicate abrasives promise to be excellent alternatives to coal slag and garnet. Since elimination of abrasive blasting would be the preferred scenario, the effect of air plasma treatment on the adhesive strength of a high build epoxy coating system was also evaluated. A significant improvement in adhesive strength of the selected high-build epoxy coating system applied onto nontextured, plasma treated substrates was observed. Following an in-depth literature review, it was understood that the application of epoxies in demanding tribological applications is often limited by the properties of the pristine epoxy matrix such as low load bearing capacity under severe p-v regimes combined with low thermal conductivity values. In this study, the load bearing capacity of the pristine epoxy coating system applied onto nontextured, plasma treated mild steel substrates was first evaluated under dry sliding conditions. Graphene oxide (GO) fillers in varying concentrations were then added to the pristine epoxy matrix to produce nanocomposite epoxy coatings. In the final phase of this study, titania and alumina fillers were added to the epoxy-GO nanocomposite to produce hybrid nanocomposite epoxy coatings. Tribological tests revealed that the addition of GO nanoparticles at 0.5 wt.% filler loading led to a significant improvement in wear life. Wear life analysis of hybrid nanocomposites showed that titania-GO based hybrids produced much better results when compared to alumina-GO based results.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Research > Engineering
Mechanical
Divisions: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Mohammed, Abdul Samad
Committee Members: Toor, Ihsan Ul-Haq and Laoui, Tahar
Depositing User: BOBBY SATHEESAN (g201407260)
Date Deposited: 20 Feb 2020 08:33
Last Modified: 20 Feb 2020 08:33
URI: http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141467