Date of Award

12-2014

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Yousef Haik Title:

Second Advisor

Dr. Ahmed Alawar

Abstract

The central goal of this thesis is to produce electrically conductive nanocomposites made out of carbon black obtained from waste tires as filler into a polymeric matrix. Waste tires are discarded in substantial numbers on a daily basis, posing a significant environmental concern. By weight, about 25-35% of a tire is carbon black. Pyrolysis is a convenient and environmentally friendly process to produce carbon black from tires. Due to carbon black’s low density, high electrical conductivity and economical feasibility, this thesis investigates the electrical conductivity of nanocomposites that utilizes carbon black particles as fillers. As a result of its modified and controllable properties, composites with fillers present a radical alternative to conventional polymers and their blends. The small size of the fillers leads to exceptionally large interfacial area in the composites. The interface controls the degree of the interaction between the filler and the polymer thus controlling the properties. The effect of annealing temperature (550°C-1250°C) on the electrical properties of carbon black obtained from tires was investigated. Generally, the DC electrical conductivity improved when the annealing temperature increased. The modulation of the electrical conductivity as a function of annealing temperatures was explored using Raman spectroscopy, Energy dispersive X-ray, Scanning electron microscopy, X-Ray diffraction and thermo-gravimetric analysis. Annealed carbon black was used as filler in a polymeric matrix. The annealed waste carbon black was blended into epoxy at different wt. % to investigate the electrical conductivity. Furthermore, annealed carbon black was used as filler in a Carbon Fiber Reinforced vii Polymer (CFRP) and then the effect of different percentage of waste carbon black was studied. After that, through plane electrical conductivity, surface electrical conductivity, through plane thermal conductivity and flexural strength were examined. The results showed that the electrical conductivity for the annealed carbon black at 1250°C was improved to a value 40 σ/cm. Furthermore, impregnating a high amount of annealed carbon black (40 wt. %) in a polymeric matrix resulted in a low electrical conductivity of 0.0034 σ/cm. Blending annealed carbon black into carbon fiber reinforced polymer (CFRP) resulted in alternating the electrical conductivity of the composite material. The surface conductivity of carbon fiber polymer was 2.5 σ (per square). However, the surface conductivity of impregnating 2 wt. % of annealed waste carbon black into CFRP was 13 σ (per square). The results also showed that addition of 5 wt. % of waste carbon black noticeably decreased the area specific resistance of CFRP from 199 to 98 mΩ.cm2. The through-plane thermal conductivity of CFRP increased as carbon black wt. % increased. The through plane-thermal conductivity increased by 78% when the waste carbon black loading reached 16 wt. %. However, loading the composite with waste carbon black resulted in decreasing the flexural strength. It is recommended to blend 5 wt. % of waste carbon black annealed at 1250°C into CFRP to provide enhancement in both the through-plane and surface electrical conductivity. The surface conductivity was enhanced by 80% when blending 5 wt. % of waste carbon black. The through plane resistivity reduced 51% by adding 5 wt. %of waste carbon black. However, the flexural strength was negatively affected with a reduction of 8% only by blending 5 wt. % of waste carbon black.

Comments

تهدف هذه الرسالة إلى لإنتاج (تحضير) مادة بلمرية مركبة موصلة كهربائيا وذلك باستخدام الكربون الأسود الموصل المستخرج من الإطارات المستهلكة. وقد تم الحصول على هذه المواد المركبة الموصلة بغرس حشوات موصلة داخل بنية المادة البلمرية. وقد هدف هذا العمل لاستخدام الكربون العالي التوصيل (والمسمى بالكربون الأسود) والمستخدم في عملية الحشو من الإطارات المستهلكة. ويتم الحصول على الكربون الأسود عن طريق عملية الإنحلال الحراري، ثم يتم عمل تخمير لهذا الكربون الأسود عند درجات حرارة مختلفة تتراوح بين 550 إلى 1250 درجة سيليزية وذلك لفحص التشكل والموصلية الكهربائية عند درجات الحرارة المختلفة. وقد لوحظ تحسن الموصلية الكهربائية المباشرة بزيادة درجة حرارة التخمير. وقد تم التأكد من هذا الإستنتاج من خلال استخدام تحليل رامان الطيفي، وتقنية حيود الأشعة السينية، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح، وكذا تقنية الإنحلال الوزني الحراري تحت تأثير درجات حرارة مختلفة لعملية التخمير. وقد لوحظ تحسن خواص الكربون الأسود الذي حصلنا عليه من الإطارات المستهلكة وذلك بزيادة درجة الحرارة التي يتم إجراء عملية التخمير عندها. ويمكننا استخدام الكربون الأسود المعالج حراريا كحشو في العديد من التطبيقات العملية التي تحتاج إلى تعزيز في خواص التوصيلية للمواد المركبة. وقد تم استخدام أفضل مؤشرات المعالجة الحرارية للكربون الأسود وذلك كحشو عند تحضير وتوصيف المواد المركبة المصنعة من مادة الإيبوكسي المقواة بألياف الكربون. وقد تم أيضا دراسة تأثير استخدام نسب مئوية مختلفة من مادة الكربون الأسود وذلك على الموصلية الكهربائية الحجمية ، والموصلية الكهربائية السطحية و إجراء اختبار متانة الانحناء إلى جانب إجراء إختبار الموصلية الحرارية. وقد تركز الاهتمام على احتمالية زيادة الموصلية الكهربائية بزيادة النسبة المئوية لوزن الكربون الأسود المستخدم كحشو في طبقات المواد المركبة. ويتم تصنيع المواد المركبة من دمج نفايات الكربون الأسود مع مادة الإيبوكسي. ويتم التصنيع بعمل طبقات من الألياف يدويا ويتبع ذلك ضغطها باستخدام تقنية الكبس الحراري. و قد وضحت النتائج أنه تزداد خاصية التوصيل الكهربائية للكربون الأسود كلما زادت درجة حرارة التخمير. 40 . و هذا يعادل أكثر من 37 ضعفا من القيمة التوصيل (S/cm) حيث تحسنت قيمة التوصيل الكهربائية إلى الكهربائية لدرجة تخمير 550 سيليزية.وقد وضحت النتائج أنه مع زيادة النسبة المئوية الوزنية لنفايات الكربون الأسود بالمواد المركبة التي تم تحضيرها، تزداد الموصلية الكهربائية السطحية بوضوح حتى 2% من النسبة المئوية الكلية. وعلاوة على ذلك تم تسجيل زيادة الموصلية الكهربائية الحجمية بزيادة النسبة المئوية الوزنية من نفايات الكربون الأسود وذلك حتى نسبة محدودة منه. ومن ناحية الخواص الميكانيكية فقد لوحظ نقص متانة الإنحناء في المواد المركبة المحشوة بالكربون الأسود مع زيادة النسبة المئوية الوزنية منه. أما من حيث x الموصلية الحرارية، فقد لوحظ زيادتها في المواد المركبة المحشوة بالكربون الأسود مع زيادة النسبة المئوية الوزنية منه. تقترح هذه الدراسة لاستخدام الكربون الاسود المعالج حراريا و المستخرج من نفايات الاطارات بنسبة 5% من الوزن الكلي بنية المادة المركبة المحشوة بألياف الكربون. حيث تزداد خاصية التوصيل الكهربائية السطحية بنسبة 80 %. كما تنقص المقاومة الكهربائية الحجمية بنسبة 51 % على الرغم من نقصان متانة الانحناء بنسبة .%8

Download

Share

COinS