EFFECTIVENESS OF SULFONATION AND NANOGRAPHENE ON THERMAL STABILITY OF POLYETHYLENE FOR THE PRODUCTION OF CARBON FIBER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MSc Thesis Emad.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 24 December 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

إنتاج ألياف الكربون يُعَدّ عنصرًا محوريًا في طيف واسع من التطبيقات الصناعية، ولا سيما في قطاعات الطيران والسيارات. غير أنّ التكلفة المرتفعة للسلائف التقليدية مثل بولي أكريلونتريل (PAN) تحدّ من الانتشار الأوسع لألياف الكربون رغم أدائها العالي وتنوع استخداماتها. وباعتبار البولي إيثيلين (PE) البوليمر الأكثر إنتاجًا عالميًا، فقد برز خيارًا واعدًا منخفض الكلفة بديلًا لـ PAN. ونظرًا إلى أنّ الاستقرار الحراري شرطٌ أساسي لجميع سلائف ألياف الكربون، ركّز هذا البحث على دراسة الاستقرار الحراري لألياف البولي إيثيلين عبر السَّلفنة. يهدف هذا البحث إلى تقصي استقرار أنواع مختلفة من ألياف البولي إيثيلين (LLDPE & HDPE) عالي الكثافة والمنخفض الكثافة الخطي بواسطة السَّلفنة، بعد إخضاعها لمعالجات متعدّدة شملت الشدّ، والتلدين، والتعزيز بجسيمات الغرافين النانوية (GnP), تمهيدًا لتحويلها إلى ألياف كربونية. وقد جرى فحص تأثير معلمات السَّلفنة بما في ذلك درجة الحرارة، والمدة، والإجهاد المطبَّق في الاستقرار الحراري للألياف بصورة منهجية وتحليلية. كما استُكشفت إمكانات تعزيز الاستقرار الحراري والسلامة البنيوية بإدماج النانو غرافين، بالاستفادة من قوّته الميكانيكية الفائقة واستقراره الحراري وبنيته الغرافيتية، بهدف تحسين سيرورة السَّلفنة وجودة الألياف الكربونية الناتجة. ولتحديد شروط السَّلفنة المثلى لألياف البولي إيثيلين وتقييم أثرها في الاستقرار الحراري، استُخدمت تقنيات التحليل الحراري الوزني (TGA) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). في المرحلة الأولى، عولجت ألياف LLDPE في حمض الكبريت الساخن (H₂SO₄) ضمن نطاق حراري 120–170 °م ومدد عزل حراري ثابتة الحرارة تراوحت بين 5–120 دقيقة. واستُخدم مقدار الكتلة المتبقّية عند 1000°م في اختبار التحلل الحراري مؤشّرًا على مردود الكربون وكفاءة العملية. وقد استُخدم الشدّ والتلدين لتحسين اتجاه الجزيئية وزيادة قابلية تكوّن البلورات الغرافيتية، مع دورٍ إضافي للتلدين في إزالة الإجهادات المتبقية غير المرغوبة الناشئة خلال المعالجة السابقة. وإلى جانب السَّلفنة بالحمض الساخن، تم استكشاف مسار بديل هو الكلورو-سلفنة (HSO₃Cl) عند درجة حرارة الغرفة لتجنّب تأثير درجات الحرارة المرتفعة على سلامة الألياف. وأخيرًا، دُرست آثار تدعيم ألياف HDPE بجسيمات الغرافين النانوية في سلوك السَّلفنة والاستقرار الحراري تحت ظروف معالجة كيميائية وحرارية مماثلة. أظهرت النتائج أنّ الضبط الدقيق لمعاملات السَّلفنة يمكن أن يعزّز الاستقرار الحراري بصورة ملموسة. وقد حسّن الشدّ الاتجاهية الجزيئية لكنه ضاعف من الانكماش. وقد وفّرت الكلورو-سلفنة مسارًا فاعلًا منخفضَ الحرارة للاستقرار الحراري. كما بيّنت التحليلات أنّ الغرافين يُحدِث تغيّرات بنيوية أكثر من كونه يُحدِث تعديلات كيميائية؛ فبعد السَّلفنة أظهرت ألياف HDPE النقية والمُدعَّمة آليات تَفكّك حراري متقاربة، غير أنّ الألياف المدعَّمة بالغرافين انحلّت بوتيرة أبطأ واحتفظت بكتلة كربونية متبقّية أعلى، فيما كشفت الصور المجهرية عن شقوق سطحية أقل مقارنةً بألياف HDPE غير المدعَّمة. ومع ذلك، ظلّ الانكماش على طول المحور ملحوظًا في العيّنات المعززة Gn-HDPE. إجمالًا، أسهم تدعيم الغرافين في تحسين الأداءين الحراري والبنيوي.

English Abstract

Production of carbon fibers is critical for high-performance applications in aerospace, automotive, and other advanced industries. Despite the excellent properties of carbon fiber, the high cost of conventional precursors such as polyacrylonitrile (PAN) restricts broader adoption. As the most widely produced polymer, polyethylene (PE) has emerged as a promising low-cost alternative, provided that it can be effectively thermally stabilized. This research investigates the stabilization of PE fibers via sulfonation, using two grades of PE fibers (LLDPE and HDPE). The study systematically evaluated effects of key sulfonation parameters (temperature, isothermal duration, and applied stress) on thermal stability using TGA and FTIR. Thereafter, tests of various fibers treatments, including stretching, annealing, and reinforcement with graphene nanoparticles (GnP) were conducted. Considering neat fibers and multiple treatments, fibers were sulfonated in sulfuric acid (H₂SO₄) over a temperature range of 120-170 °C and isotherm hold range from 5 to 120 min assessing their stabilization efficiency. In an alternative route, stabilization via chlorosulfonation at room-temperature was explored. The results demonstrate that controlled sulfonation parameters can significantly enhance thermal stability, in which the optimal conditions were identified at 150-160 °C and isothermal durations of 30-60 min. Stretching accelerated sulfonation and improved orientation but amplified axial shrinkage, whereas annealing adversely affects structural integrity. Also, chlorosulfonation provided a possible low-temperature stabilization pathway. Graphene primarily induced structural rather than chemical modifications. Although sulfonated neat and reinforced HDPE fibers exhibited similar thermal degradation behavior, reinforced fibers degraded more slowly, retained higher char yields, and showed fewer surface cracks. Overall, graphene reinforcement slightly improved the thermal and structural properties.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Nouari, Saheb
Committee Members:	Mezghani, Khaled and Habib, Mohammed
Depositing User:	EMAD MARI (g202201400)
Date Deposited:	25 Dec 2025 08:26
Last Modified:	25 Dec 2025 08:26
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143877