Date of Award

11-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Prof. Basim Abu-Jdayil

Second Advisor

Dr. Muhammad Zafar Iqbal

Abstract

Residential buildings contribute the most to energy consumption. It was found that energy savings of 20% can be achieved through the thermal insulation of residential buildings in the United Arab Emirates. For this reason, research has been conducted in the field of sustainable thermal insulation materials. Wood-Plastic Composites (WPC) are a relatively new generation of biocomposites and are particularly suitable for construction and building applications, which offers high thermal and acoustic insulation properties., reducing carbon emissions and decreasing negative impacts on the environment due to their biodegradability, sustainability, renewability, and recyclability. The first part of this study investigated the thermal insulation properties of Date Palm Fiber (DPF) reinforced Poly-β-Hydroxybutyrate (PHB) biocomposites. In the second part, the limitations of the biocomposite were overcome by modifying the surface of DPF through chemical treatments and coating it with biodegradable polymers and flame retardants. The biocomposites obtained were prepared by melt mixing, hot pressing and annealing. The effects of loading raw and modified DPF on the prepared composites were studied to evaluate the physical, thermal and mechanical properties. In addition, Scanning Electron Microscopy (SEM), Differential Scanning Calorimeter (DSC), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Thermal Gravimetry (TGA), and bomb calorimeter were used to investigate and confirm the results of the developed composites. The results showed that the incorporation of DPF into the PHB matrix increased the thermal stability of the composites. The composites containing 30wt.% DPF showed the highest compressive strength (65 MPa) and exhibited thermal conductivity and thermal diffusivity of 0.092 W/(m.K) and 0.041 mm2/s, respectively. In the chemical treatments, the alkaline treatment was used to clean the surface of the DPF from impurities. The alkaline treatment increased the tensile strength of the 20% composite from 16 MPa to 21 MPa. In addition, the silane treatment decreased the hydrophilicity of the DPF, which improved the interfacial adhesion between the DPF and PHB. The silane coupling agent 3- Aminopropyltriethoxysilane (APTES) was used with two grafting solvents (acetone and ethanol). The composites coated with biodegradable polymers (Polylactic Acid and PHB) also showed significant improvement in water resistance and compatibility. Silane- viii Ethanol composites (PHB-SE) showed higher tensile strength than the silane-acetone composites (PHB-SA) and also higher water resistance. The 40% PHB-SE increased tensile strength by 87.5% and reduced water absorption by 21%. The obtained thermal conductivity of the developed composites ranges from 0.0901 W⁄(m. K) and 0.1065 W⁄(m. K), which is a reasonable thermal insulation capacity. The chemical additive was used to improve fire resistance with ammonium dihydrogen phosphate (ADP). In addition, water absorption was reduced by the formation of furan compounds. Finally, thermal conductivity was reduced from 0.0916 W/(m.K) to 0.0523 W/(m.K) for the whole composite. ADP increased thermal stability and fire resistance. These results suggest that this fully biocomposite could be a potential candidate for construction-related applications with an extended service life, which could be considered as replacement for used petroleum-based insulation material (Polystyrene).

Arabic Abstract


مركبات عازلة للحرارة قابلة للتحلل الحيوي تعتمد على بولي هيدروكسي بيوتيرات وخشب النخيل

المباني السكنية هي أكبر مساهم في استهلاك الطاقة. نتيجة لذلك، كانت هناك جهود متضافرة لقيادة البحث في مواد العزل الحراري المستدامة. وجد أن توفير الطاقة بنسبة ٪20 يمكن تحقيقه باستخدام العزل الحراري للمباني السكنية في الإمارات العربية المتحدة. مركب الخشب البلاستيك هو جيل جديد نسبيًا من المواد المركبة وخاصة لتطبيقات البناء والتشييد بسبب الهيكل الأنبوبي المجوف الذي يوفر قدرة عزل حرارية وصوتية عالية. تتمتع المواد المركبة المصنوعة من الخشب بالعديد من المزايا مثل التخفيف من انبعاثات الكربون وتقليل التأثير البيئي الضار بسبب قابليتها للتحلل البيولوجي و الاستدامة والتجديد وإعادة التدوير. وهكذا، في الجزء الأول من هذه الدراسة، تم فحص قدرات العزل الحراري لمركبات ألياف نخيل التمر (DPF)- مركبات البولي (بيتا هيدروكسي بوتيرات) (PHB). في الجزء الثاني، تم تعديل سطح DPF للتغلب على القيود في المركب الحيوي باستخدام المعالجات الكيميائية وطلاء سطح DPF بالبوليمرات القابلة للتحلل ومثبطات الحريق. تم تصنيع المركبات التي تم الحصول عليها عن طريق المزج الذائب، والضغط على الساخن، والتلدين. تم فحص آثار تحميل DPFs الخام والمعدّل على المركبات المصنعة لتقييم الخواص الفيزيائية والحرارية والميكانيكية. أيضاً، تم التحقق من النتائج التي تم الحصول عليها من المركبات المطورة وتأكيدها عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني (SEM)، ومسح المسعر التفاضلي(DSC)، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والتحليل الحراري الجاذبية (TGA)، و مسعر القنبلة. أظهرت النتائج أن دمج DPF في مصفوفة PHB زاد من الاستقرار الحراري للمركبات. أظهرت المركبات التي تحتوي على 30% بالوزن DPF أقصى مقاومة ضغط 65 MPaوأظهرت الموصلية الحرارية والانتشار الحراري (m.k)/0.092 W و 0.041 mm2/s ، على التوالي. فيما يتعلق بالمعاملات الكيميائية، تم استخدام المعالجة القلوية لتنظيف سطح DPF من الشوائب. أظهرت المعالجة القلوية زيادة في مقاومة الشد بنسبة 2% مركب من 16MPa إلىMPa 21 أيضاً، قلل عالج السيلان من قابلية الماء في DPF مما عزز الالتصاق السطحي بين ألياف نخيل التمر Poly (β- hydroxybutyrate)( PHB) . تم استخدام عامل اقتران Aminopropyltriethoxysilane3- silane (APTES)مع اثنين من مذيبات التطعيم (الأسيتون الإيثانول). وبالمثل، أظهرت المركبات المطلية بالبوليمرات القابلة للتحلل الحيوي (Polylactic acid و Poly(β- hydroxybutyrate))

تعزيزاً كبيراً من حيث مقاومة الماء والتوافق. أظهرت مركبات Silane-Ethanol (SE-(PHB-SE)) مقاومة شد أعلى من مركبات Silane-Acetone (PHB-SA) وبالمثل مقاومة للماء أعلى. زادت نسبة PHB-SE 40% من مقاومة الشد بنسبة 87.5 % وتقليل امتصاص الماء بنسبة 21%. تتراوح الموصلية الحرارية التي تم الحصول عليها للمركبات المطورة بين 0.0901 W /(m.k)و 0.1065 W /(m.k) التي تمتلك قدرة عزل حراري مناسبة. تم استخدام المضافات الكيميائية لتعزيز مقاومة الحريق باستخدام فوسفات ثنائي هيدروجين الأمونيوم (ADP). كما أنه يقلل من امتصاص الماء بسبب تكوين مركبات الفوران. أخيراً ، تم تقليل الموصلية الحرارية من 0.0916 W / (m.k)إلى 0.0523 W / (m.k) للمركبات الكاملة. زاد ADP من الاستقرار الحراري ومقاومة القابلية للاشتعال. تشير هذه النتائج إلى أن هذا المركب الحيوي بالكامل يمكن أن يكون مرشحاً محتملاً للتطبيقات المتعلقة بالبناء مع عمر خدمة ممتد يمكن اعتباره بديلاً لمواد العزل القائمة على البترول (البوليسترين).

Download
COinS