Impact Modification of Reinforced Polypropylene Composites Through Hybridization with Various Fillers and Fibers for Automotive Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS_Thesis_AlSuhaibani Draft 9 - letter size - all pages one side.pdf Restricted to Repository staff only until 6 March 2025. Download (3MB)

Arabic Abstract

تُظهر مركبات البولي بروبلين المقواة في الغالب مفاضلة بين الصلابة والمرونة. في هذا البحث، تم دراسة تأثير دمج مطاط البولي أوليفين وألياف البولي فينيل الكحول كتعزيز فردي وهجين لمركبات البولي بروبيلين المقواة بألياف الزجاج والتالك. كان التركيز الرئيسي في هذه الدراسة على تحقيق التوازن الأمثل بين الصلابة والمرونة. تم تطوير وتحليل العديد من العينات المركبة الهجينة الثلاثية والرباعية. تم خلط جميع المكونات باستخدام آلة البثق، ثم تم تشكيلها بالحقن للتحليل الميكانيكي. تم استخدام اختبارات تأثير الشد والانحناء والإرتطام المرن لتقييم الخواص الميكانيكية للمركّبات المطورة، كما ساعد المجهر الإلكتروني الماسح على تحديد عمليات التشوه الميكروميكانيكية التي أسهمت في آلية تحسين الصلابة والمرونة للمركّبات. تم تحديد عمليات تشوه ميكروميكانيكية مختلفة في العينات المشوهة. يمكن أن تحدث هذه العمليات بشكل متزامن أو متتابع داخل المركب. ومع ذلك، عادة ما يهيمن أحدهم على آلية الفشل، ولكن ينبغي عدم تجاهل آثار العمليات الأخرى. تبيّن أن آلية امتصاص الطاقة المُهيمنة في عينة الألياف الزجاجية هي كسر الألياف، نتيجة للالتصاق القوي الذي تم تحقيقه من خلال المعالجة المسبقة لسطح الألياف بالإضافة إلى تواجد مادة لتحفيز الإقتران والربط. بينما كانت عملية التشوه الميكرويميكانيكية السائدة لألياف البولي فينيل الكحول هي سحب الألياف، في حين أن جزيئات التالك كان بفك الارتباط بشكل أساسي. خلافا لعمليات تشوه الألياف الأخرى، لم تسهم آلية فك ارتباط جزيئات التالك في تعزيز مقاومة البولي بروبيلين للصدمات. بالنسبة لمطاط البولي أوليفين، كان المصدر الرئيسي لامتصاص الطاقة هو تكوين التجويفات لجزيئات المطاط. كشفت النتائج الميكانيكية عن أن الألياف الزجاجية و ألياف البولي فينيل الكحول وجزيئات التالك تزيد من صلابة المركبات، ولكن بدرجات متفاوتة. وقد أدى تهجين ألياف البولي فينيل الكحول والتالك إلى زيادة كبيرة في صلابة ومرونة مركبات البولي بروبلين محققة مستويات عالية، متجاوزة بذلك خصائص تعزيزات الحشو الفردية. علاوة على ذلك، مع النظام الهجين الرباعي المكون من: البولي بروبيلين/ألياف زجاجية/مطاط البولي أوليفين/ألياف بولي فينيل الكحول يمكن تحقيق صلابة كبيرة تصل إلى 2.4 جيجا باسكال لمُعامل يونغ، بالإضافة إلى قوة ارتطام مرن عالية تصل إلى 400 جول/متر. تُمثل هذه القيم زيادة كبيرة ملحوظة مقارنة بالعينة الأساسية الغير مدعّمة، بحيث يكون معامل يونغ أعلى بـ 120 في المائة وقوة امتصاص الارتطام أعلى بأكثر من 008 في المائة. كما يٌمكن التحكم في الأداء من خلال تغيير نسبة مطاط البولي أوليفين إلى ألياف البولي فينيل الكحول لتحقيق التوازن المستهدف بين الصلابة والمرونة. يُعزى الأداء المحسن بالنسبة للمركبات المدعمة إلى الصلابة المتأصلة العالية للألياف والحشوات المعززة، بالإضافة إلى القدرة الكبيرة على امتصاص الطاقة المرتبطة بآليات التشوه الميكانيكية الدقيقة المتنوعة التي تحدث أثناء الفشل. بالإضافة إلى منح القوة والمتانة للبولي بروبيلين، تتمتع ألياف البولي فينيل الكحول بكثافة أقل بكثير من الألياف والمعززات التقليدية الأخرى، مثل ألياف الزجاج والتالك. تُساهم الكثافة المنخفضة لألياف بولي فينيل الكحول في تقليل الكثافة الكلية للمركب الهجين، مما يؤدي إلى أجزاء أخف وزناً وبالتالي انخفاض استهلاك الوقود، ويتحقق ذلك مع الاستمرار في تلبية الصلابة العالية والمرونة اللازمة لتطبيقات السيارات

English Abstract

Polypropylene reinforced composites mostly exhibit a trade-off between stiffness and toughness. In this study, the impact of incorporating Polyolefin Elastomer and Polyvinyl Alcohol fibers as individual and hybrid reinforcement to Glass fiber and Talc reinforced polypropylene composites, in the presence of a compatibilizer, was explored. The main attention was focused on achieving an optimal stiffness/toughness balance. Several ternary and quaternary hybrid composite systems were developed and analyzed. A twin-screw extruder was used to melt mix all of the components, then injection molded for subsequent mechanical and morphological analysis. Tensile, flexural and izod impact tests were utilized to assess the mechanical properties of the developed composites. Scanning Electron Microscope helped to identify the micromechanical deformation processes contributing to the impact toughening mechanism for composites. Different local deformation processes were identified in the deformed samples. These processes can occur simultaneously or sequentially within the composite. However, one of them usually dominates the failure mechanism, although the effects of other processes should not be ignored. The predominant energy absorbing mechanism for glass fibers was found to be fiber fracture, due to the strong adhesion achieved through the adoption of Silane sizing treatment as well as the use of a coupling agent. For PVA fibers, the dominating micromechanical deformation process was pull-out, while for Talc it was mainly debonding. Unlike the other fibers’ deformation processes, the debonding mechanism of the Talc particles did not contribute to improve the impact strength of PP. For POE, the primary source of energy absorption was the cavitation of elastomer particles. The mechanical results revealed that glass fibers, Talc and PVA fibers increase the stiffness of composites, yet to different extents. The hybridization of Talc and PVA fibers has significantly boosted the stiffness and toughness of PP to high levels, exceeding the properties of individual filler reinforcements. Moreover, a large stiffness of approximately 2.4 GPa Young's modulus, and Izod impact strength ranges between 250 and 400 J/m can be attained with the quaternary hybrid system, PP/GF/POE/PVA fibers. Its performance can be controlled by altering the POE/PVA fibers ratio to achieve the targeted stiffness/toughness balance. These values represent a remarkable increase, with the Young's modulus being 120% higher and the izod impact strength surpassing that of the control sample by over 800%. The enhanced macroscopic properties of the composites are attributed to the high inherent rigidity of the reinforcing fillers and the considerable energy absorption ability associated with various micromechanical deformation mechanisms occurring during failure. Also, Differential Scanning Calorimetry results revealed that Talc has the strongest nucleation effect in PP, evident by the 12 oC increase in the crystallization temperature. Furthermore, in addition to imparting strength and toughness to PP, PVA fibers have lower density than other conventional reinforcements, like Glass fibers and Talc. The low density of PVA fibers contributes to reducing the overall hybrid composite density, leading to lighter weight parts and, consequently, lower fuel consumption. This is achieved while still satisfying the high rigidity needed for automotive applications

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research > Petrochemicals
Department:	College of Chemicals and Materials > Materials Science and Engineering
Committee Advisor:	Fallatah, Wael Sulaiman
Committee Members:	Mezghani, Khaled and AlZahrani, Atif
Depositing User:	FAISAL AL-SUHAIBANI (g200937690)
Date Deposited:	07 Mar 2024 06:33
Last Modified:	07 Mar 2024 06:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142822