Date of Award

11-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Professor Basim Abu-Jdayil

Abstract

The research and development of sustainable and renewable materials that can take the place of conventional plastics derived from petroleum has attracted increasing attention in recent years. Polylactic acid (PLA) and Polyhydroxy butyrate (PHB) are viable alternatives biopolymers due to their biodegradability. Also, the enhancement of material properties can be achieved through the incorporation of fillers. In this study, the utilization of popcorn in developing of insulation materials has been employed in two distinct methodologies. The first involves the coating of popcorn with varying percentages of PLA using the solvent casting method, while the second involves the integration of popcorn as a filler material within both PLA and PHB polymer matrices covering a filler content range from 0 wt.% to 30 wt.% achieved through melt extrusion to prepare the composites. The developed samples are subjected to an evaluation process which includes thermal, physical, and mechanical characterization. Although the PLA coating of popcorn slightly increased its thermal conductivity from 0.0529 to 0.0579 W/(m.K), the coating process improved significantly its flexural strength to reach 0.235 MPa. On the other hand, Pop-PLA composites measured thermal conductivity values ranged from 0.0842 to 0.109 W/(m.K). Surprisingly, the composite with the best thermal conductivity performance had a 10 wt.% popcorn component. The thermal conductivity of Pop-PHB composites, on the other hand, ranged from 0.0612 to 0.0796 W/(m.K), with filler amounts ranging from 0 to 30 wt.%. it was noted that the composites in this round of tests with the lowest thermal conductivity had 30 wt.% popcorn content. In addition, the incorporation of popcorn filler within the polymer led to an enhancement in thermal stability.

Pop-PLA composites exhibited water absorption rates ranging from 0.78% to 1.12%. The Pop-PHB composites, on the other hand, showed a greater level of water retention with the 30 wt.% composite having a water absorption value of 2.9% with an increase of 61% compared to 30 wt.% filler content between both composites. The maximum compression stress was recorded for Pop-PLA composites at 30 wt.% with a value of 51.17 MPa. Conversely, Incorporating the filler inside the PHB matrix decreased the compression strength by 31% for the 30 wt.% compared to the neat PHB. However, it increased the compression modulus by 4% for the 30 wt.%. Both polymer matrices achieved at 30 wt.% the highest weight loss percentage recorded to be 3.34% and 4.96% at dry conditions for Pop-PLA and Pop-PHB respectively for the biodegradation test. In the wet conditions, Pop-PHB achieved a higher weight loss at 15.72% compared to Pop-PLA at 6.64%. This demonstrates the material importance as an eco-friendly composite that preserves its mechanical qualities. A possible way to promote sustainable and renewable practices while also taking economic factors into account is to use natural low cost/waste-based materials as potential fillers for green insulation applications.

Arabic Abstract


تطوير ألواح الفشار العازلة للحرارة

اجتذب البحث والتطوير للمواد المستدامة والمتجددة التي يمكن أن تحل محل البلاستيك التقليدي المشتق من البترول اهتماما متزايدا في السنوات الأخيرة. حمض اللبنيك (PLA) وبولي هيدروكسي زبدات (PHB) هي بدائل قابلة للتطبيق البوليمرات الحيوية بسبب قابليتها للتحلل البيولوجي. أيضا، يمكن تحقيق تعزيز خصائص المواد من خلال دمج الحشو. في هذه الدراسة، تم استخدام استخدام الفشار في تطوير مواد العزل في منهجيتين متميزتين. الأول ينطوي على طلاء الفشار بنسب متفاوتة من PLA باستخدام طريقة صب المذيبات، بينما يتضمن الثاني دمج الفشار كمادة حشو داخل كل من مصفوفات بوليمر PLA و PHBالتي تغطي نطاق محتوى الحشو من وزن 0٪ إلى 30٪ بالوزن يتم تحقيقه من خلال بثق الذوبان لإعداد المركبات. تخضع العينات المطورة لعملية تقييم تشمل التوصيف الحراري والفيزيائي والميكانيكي. على الرغم من أن طلاء PLA للفشار زاد قليلا من الموصلية الحرارية من 0.0529 إلى 0.0579 W/(m.K) إلا أن عملية الطلاء حسنت بشكل كبير من قوة الانحناء لتصل إلى 0.235 Mpa. من ناحية أخرى، تراوحت قيم التوصيل الحراري المقاسة لمركبات Pop-PLA من 0.0842 إلى 0.109W/(m.K) . والمثير للدهشة أن المركب الذي يتمتع بأفضل أداء للتوصيل الحراري يحتوي على مكون فشار 10٪ بالوزن. من ناحية أخرى، تراوحت الموصلية الحرارية لمركبات Pop-PHB من 0.0612 إلى 0.0796W/(m.K)، مع كميات حشو تتراوح من 0 إلى 30٪ بالوزن. لوحظ أن المركبات في هذه الجولة من الاختبارات ذات الموصلية الحرارية الأقل تحتوي على 30٪ من محتوى الفشار بالوزن. بالإضافة إلى ذلك، أدى دمج حشو الفشار داخل البوليمر إلى تعزيز الاستقرار الحراري. أظهرت مركبات Pop-PLA معدلات امتصاص للماء تتراوح من 0.78٪ إلى 1.12٪. من ناحية أخرى، أظهرت مركبات Pop-PHB مستوى أكبر من احتباس الماء مع مركب 30٪ بالوزن بقيمة امتصاص الماء بنسبة 2.9٪ بزيادة قدرها 61٪ مقارنة بمحتوى حشو 30٪ بالوزن بين كلا المركبين.

تم تسجيل أقصى إجهاد ضغط لمركبات Pop-PLA عند 30٪ بالوزن٪ بقيمة 51.17 Mpa. على العكس من ذلك، أدى دمج الحشو داخل مصفوفة PHB إلى تقليل قوة الضغط بنسبة 31٪ لـ 30٪ بالوزن مقارنة بـ PHB الأنيق. ومع ذلك، فقد زاد معامل الضغط بنسبة 4٪ لـ 30٪ بالوزن. حققت كلتا مصفوفتي البوليمر 30٪ بالوزن أعلى نسبة لفقدان الوزن مسجلة لتكون 3.34٪ و 4.96٪ في الظروف الجافة لـ Pop-PLAو Pop-PHBعلى التوالي لاختبار التحلل البيولوجي. في الظروف الرطبة، حقق Pop-PHB خسارة أعلى في الوزن بنسبة 15.72٪ مقارنة بـ Pop-PLAبنسبة 6.64٪. هذا يدل على أهمية المواد كمركب صديق للبيئة يحافظ على صفاته الميكانيكية. تتمثل إحدى الطرق الممكنة لتعزيز الممارسات المستدامة والمتجددة مع مراعاة العوامل الاقتصادية أيضا في استخدام المواد الطبيعية منخفضة التكلفة القائمة على النفايات كمواد حشو محتملة لتطبيقات العزل الأخضر.

Download
COinS