Date of Award

4-2024

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Prof. Abdel-Hamid Ismail Mourad

Abstract

Thermoplastic materials are becoming popular, due to their chemically inert and anti-fouling properties, for use in industrial heat exchanger applications involving heating/cooling of highly reactive fluids like acids. A novel non-conventional joining framework, based on the Friction Stir Welding (FSW) technique, is developed to create high-quality thermoplastic Tube-to-Tubesheet Joints (TTJs). The proposed technique has applications in the thermoplastic shell-and-tube heat exchanger and piping industries (as flange-to-pipe joints). The primary objective is to study the feasibility of the FSW technique for developing thermoplastic TTJs, followed by optimization of the process parameters and detailed material characterizations. This work used workpieces (tube, tubesheet) made of carbon black reinforced high-density polyethylene. The effect of different FSW parameters (dwell time, plunge depth, rotational speed, and tube protrusion) on the tube pull-out behavior was studied. The FSW technique showed capabilities at a wide range of operating conditions. The macroscopic and microscopic (SEM-based) fractographic studies suggest that the FSW joints can fail in a ductile, brittle, or mixed manner, depending on the FSW conditions used. The DSC results showed no significant crystallinity changes of the weld material. The TGA results showed no significant thermal degradation of the weld material. The FTIR analysis indicated possible oxidation of the weld material. The capability to form TTJs with high leak path, high load bearing capacity, and no significant material degradations makes the FSW technique suitable for thermoplastic shell-and-tube heat exchanger applications.

Further, as a second objective, the effect of adhesive reinforcement and Radial Clearance (RC) on the development of FSW-based thermoplastic Tube-to-Tubesheet Hybrid Joints (TTHJs) was investigated. The FSW technique provides higher load bearing capacity (326 N (0.0 RC), 517 N (0.5 mm RC)) than adhesive joints (226 N (0.0 RC), 206 N (0.5 mm RC)). For 0.0 RC, the adhesive reinforcement improved the load bearing capacity of hybrid joints by 15.6% compared to FSW joints. On the contrary, for 0.5 mm RC, the adhesive reinforcement negatively impacted the load bearing capacity and reduced it by 40.6%. The FSW technique with 0.5 mm RC provided a higher leak path (along with a high load bearing capacity) of 77% remaining tubesheet thickness (>tube thickness) compared to that of 46.6% (< tube thickness) achieved at 0.0 RC. However, the adhesive reinforcement can enhance the leak path of 0.0 RC FSW joints to around 100% remaining tubesheet thickness (> tube thickness) by introducing the adhesive material at the tube-sheet interface.

There is also a real demand for sustainable lightweight thermoplastic structures (like thermoplastic heat exchangers) because of growing environmental concerns. One important solution is developing structures through recycled scrap/waste thermoplastic materials. As a third objective, the lap-joint configuration friction stir spot weldability of recycled thermoplastics was studied, to help with analyzing the potential of friction stirbased welding techniques towards developing these sustainable structures. The combined behavior of recycling-welding procedures is investigated, as they may cause degradations; to ensure that the base thermoplastic polymer's chemical, thermal, and mechanical properties are retained. In this work, scrap laban bottles made from HDPE material are used. The highest lap-shear load of 1528 N was achieved at the optimum welding conditions of 1600 rpm rotational speed, 1 mm plunge depth, and 60 s dwell time. Fractographic studies (macroscopic and SEM-based) suggested four types of fracture morphologies depending on welding conditions used. The DSC results showed no significant differences in melting temperature and crystalline content of the polymeric material. The TGA tests showed no significant thermal degradations. The FTIR analysis of all the samples (bottle, recycled sheet, weld material) exhibited characteristic HDPE peaks. All these results suggest that combined welding-recycling processes had a minimal impact on the polymeric structure. Thus, Friction Stir Spot Welding (FSSW) technique joins recycled thermoplastic scrap/waste materials with high lap-shear load and without any significant polymer degradations.

Arabic Abstract


لحام الاحتكاك التقليدي لوصل الأنابيب بالألواح لكلا المواد الحرارية البلاستيكية النقية والمعاد تدويرها

المواد الحرارية البلاستيكية أصبحت تستخدم بشكل كبير بسبب خصائصها الفريدة مثل الخمول الكيميائي والقدرة على الحد من الالتصاق بالملوثات المختلفة. لذلك، فهي تستخدم في العديد من التطبيقات مثل المبادلات الحرارية الصناعية التي تنطوي على تسخين/تبريد سوائل عالية التفاعل مثل الأحماض. في هذه الدراسة، تم تطوير طريقة اللحام بالاحتكاك التقليدي (FSW) لكي تكون قادرة على تصنيع وصلات عالية الجودة بين الأنابيب والألواح البلاستيكية (TTJs). الطريقة المقترحة هذه لها تطبيقات عدة خاصة في صناعة المبادلات الحرارية وأنظمة الأنابيب بشكل عام. الهدف الرئيسي من هذه الرسالة هو دراسة إمكانية استخدام اللحام بالاحتكاك التقليدي في لحام هذا النوع من الوصلات البلاستيكية، إلى ذلك تحسين معلمات عملية اللحام وكذلك عمل توصيف مفصل للمواد الملحومة. تم اختيار الأنابيب والألواح لكي تكون مصنوعة من البولي إيثيلين عالي الكثافة المحتوي على الكربون الأسود. بالإضافة إلى ذلك، تم دراسة تأثير متغيرات عملية اللحام مثل زمن الانتظار، عمق اللحام، سرعة الدوران، وإبراز الأنبوب على سلوك سحب الأنبوب. أظهرت تقنية اللحام بالاحتكاك التقليدي قدرتها على اللحام عند مجموعة واسعة من ظروف التشغيل. وفحص مقطع الكسر للعينات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، وجد أن الكسر يمكن أن يحدث بطريقة مطيلة أو قصفة أو مختلطة وذلك يعتمد على ظروف عملية اللحام المستخدمة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت نتائج المسح الضوئي التفاضلي (DSC) عدم وجود تغير يذكر في المحتوى البلوري للمادة الملحومة. علاوة على ذلك، أظهر اختبار التحليل الوزني الحراري (TGA) عدم وجود اضمحلال حراري يذكر لوصلة اللحام. أظهر التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) إحتمالية حدوث أكسدة لوصلة اللحام. وبناءً على ذلك، فإن تقنية اللحام بالاحتكاك التقليدي قادرة على لحام الأنابيب بالألواح البلاستيكية بجودة عالية مما يجعلها مناسبة لاستخدام في لحام المبادلات الحرارية.

كهدف ثاني للرسالة، تم دراسة تأثير إضافة مواد لاصقة كدعم إضافي لوصلة اللحام المكونة من الأنابيب والألواح البلاستيكية (TTTHJs). أظهرت نتائج الاختبارات أن اللحام بالاحتكاك التقليدي يعطي قوة تحمل أعلى من استخدام المواد اللاصقة. عند قيمة خلوص تساوي صفر، تحسنت قوة التحمل للوصلات المختلطة بالمواد اللاصقة بنسبة 15.6% مقارنة بالوصلات الملحومة بالاحتكاك التقليدي فقط. على العكس من ذلك، عند زيادة قيمة الخلوص إلى 0.5 مم، انخفضت قدرة التحمل للوصلة بنسبة 40.6%. بالإضافة إلى ذلك قدمت تقنية اللحام بالاحتكاك التقليدي عند قيمة خلوص 0.5 مم مسار تسرب أعلى بنسبة 77% من سمك القاعدة الحرارية (< سمك الأنبوب) مقارنة بـ 46.6% (> سمك الأنبوب) عندما تكون قيمة الخلوص 0.0 مم. ومع ذلك، يمكن أن تعزز إضافة المواد اللاصقة مسار التسرب للوصلة الملحومة عند قيمة الخلوص 0.0 مم إلى حوالي 100% من سمك القاعدة المتبقية.

هناك أيضًا طلب حقيقي للهياكل الحرارية الخفيفة المستدامة )مثل مبادلات الحرارة البلاستيكية( بسبب المخاوف البيئية المتزايدة. إحدى الحلول الهامة المقترحة للمشكلة السابق ذكرها هي تصنيع الهياكل من المواد البلاستيكية المعاد تدويرها. ولهذا تم وضع الهدف الثالث للر سالة أن يكون دراسة قابلية لحام الاحتكاك التقليبى النقطى على وصل المواد البلاستيكية المعاد تدويرها، للمساعدة على تصنيع الهياكل البلاستيكية بطريقة مستدامة. تم دراسة سلوك لحام المواد المعاد تدويرها للتاكد من عدم حدوث إضمحلال وأيضا لضمان الحفاظ على الخصائص الكيميائية والحرارية والميكانيكية للوصلات الملحومة. في هذة الدراسة ، تم استخدام زجاجات بلاستيكة مصنوعة من البولى إثيلين عالى الكثافة حيث كانت مخصصة لتعبئة منتجات الالبان. بعد عملية اللحام والاختبار، تم تحقيق أعلى إجهاد قص يبلغ 1528 نيوتن عند ظروف اللحام المثلى وهى سرعة دوران 1600 لفة في الدقيقة، عمق لحام 1 ملم، وزمن انتظار 60 ثانية. بفحص مقطع الكسر للعينات باستخدا م المجهر الإلكتروني الماسح، وجد أربعة أنماط أساسية من الكسر كل منها يعتمد على الظروف المختلفة لعملية اللحام. بالاضافة الى ذلك، أظهرت نتائج المسح الضوئي عدم وجود فروق في درجة حرارة الانصهار والمحتوى البلوري للمادة البوليمرية. علاوة على (DSC) التفاضلي عدم وجود إضمحلال حرارى يذكر. أظهر أيضا التحليل (TGA) ذلك، أظهر اختبار التحليل الوزني الحراري لجميع العينات القمم المميزة للبولى إيثيلين عالى الكثافة. كل هذة النتائج (FTIR) الطيفي بالأشعة تحت الحمراء تشير إلى أن عمليات اللحام للبلاستيك المعاد تدويرة لديها تأثير طفيف على الهيكل البوليمري. وبالتالي فإن تقنية قادرة على لحام المواد البلاستيكية المعاد تدويرها بكفاءة عالية من حيث تحمل (FSSW) اللحام بالاحتكاك التقليبى إجهاد القص وأيضا دون حدوث أى إضمحلال يذكر لوصلة اللحام البوليمرية.

Download

Share

COinS