Date of Award

4-2019

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Basim Abu-Jdayil

Second Advisor

Abdel-Hamid Ismail Mourad

Abstract

This study aims to develop a green polymer composite from local natural waste, such as date pit powder (DPP) and date palm wood powder (DPWP), as an insulating material. The recycling and reuse of natural waste as filler for green insulation materials has many significant benefits for the environment of the UAE.

Date palm waste was mixed with a polylactic acid (PLA) polymer with various proportions in a melt extruder. The mixtures produced were then shaped differently after testing in a thermal compression machine. These composites were tested to evaluate their physical (water absorption, chemical resistance, and bulk density), thermal (thermal conductivity, thermal diffusivity, and degree of crystallization), and mechanical properties.

As thermal insulation material should exhibit low thermal conductivity and acceptable levels of mechanical strength, the samples of pure PLA were subjected to different annealing conditions after the thermal compression stage. The PLA specimens were heat-treated at 95℃ at different time intervals before cooling. The 24- PLA samples subjected to longer annealing times have higher strength, greater thermal conductivity, and improved density. Based on these results, processing parameters for composite production (melting and mixing temperatures and annealing conditions) were optimized in order to produce composites with optimum thermal conductivity and mechanical strength.

The results showed that date palm wood powder (DPWP) and date pit powder (DPP) were alternative fillers when combined with PLA to produce a stable green thermal insulation material. The use of date palm wood powder (DPWP) in different ratios, ranging from 0 to 50 wt. %, produced composites with a thermal conductivity value between 0.0692 and 0.0757 𝑊⁄(𝑚 . 𝐾), while the minimum thermal conductivity was reported at 30 𝑤𝑡. % DPWP content. On the other hand, the composites containing 0 - 40 𝑤𝑡. % DPP had a thermal conductivity in the range of 0.0712 to 0.0794 𝑊⁄(𝑚 .𝐾). The lowest thermal conductivity was found in composites with a DPP content of 40 𝑤𝑡. %. In addition, the thermal diffusivity of both types of the composite decreased as filler content increased, reaching a minimum value of 0.043 and 0.036 𝑚𝑚2⁄𝑠 for the PLA-DPWP and PLA-DPP composites, respectively.

The PLA-DPP composites showed higher water retention than the PLA-DPWP composites. The water retention has been found to increase as filler content increased. At 50 wt. % of DPWP, water retention was less than 1.5%, while in the case of 40 wt. % DPP composites, water retention reached approximately 6%.

For both types of composite, adding fillers to the PLA matrix initially reduced compression strength until it reached a constant value (~ 65 MPa) at 30% filler content. Replacing 50 wt. % of pure PLA with DPWP decreased the compression strength by 32%, while it increased the compression modulus by 11%. On the other hand, 40 wt.% DPP filler reduced compression strength and modulus by 33% and 17.5%, respectively. Furthermore, scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate the microstructure of the composites and to explain their thermal and mechanical behavior.

Ultimately, although the addition of both types of waste to the PLA matrix reduced mechanical strength, the composites displayed good mechanical properties when compared with many commercial thermal insulators and construction materials currently available. Moreover, replacing part of the concrete used in a typical building wall with PLA-DPWP or PLA-DPP composites increased the R-value by 220.2 % and 211.8 %, respectively. Therefore, recycling of cheap natural waste as filler materials for green thermal insulators is a potentially significant benefit to both the economy and the environment.

Comments

يهدف هذا البحث لتطوير عوازل معتمدة على الخليط الناتج من البوليمرالقابل للتحلل والمخلفات المحلية الطبيعية من النخيل مثل خشب النخل المطحون وبذور التمر المطحون. تدوير هذه المواد واستخدامها كمواد مالئة له تأثير كبير على طبيعة دولة الإمارات العربية المتحدة.

بولي لاكتك اسيد (PLA ) ا ستخدم كقالب وخلط مع نسب مختلفة من المخلفات الطبيعية باستخدام البثق ( Extruder ) . ومن ثم تم تعريض الخليط الناتج إلى الضغط والحرارة باستخدام آلة الضغط والحرارة ( Hot-press ) لانتاج العينات الصلبة لإختبارات المطلوبة. لقد تم فحص هذه العينات من ناحية الخواص الفيزيائية )امتصاص الماء، مقاومة الكيميائية و الكثافة(، الخواص الحرارية ) قابلية توصيل الحرارة و التحلل الحراري ( والخواص المكيانيكية ) قوة الضغط، معامل الضغط ) .

تمتاز المواد العازلة بانخفاض توصيلها للحرارة. فلذلك تم دراسة البولي لاكتد اسيد ( PLA ) تحت ظروف مختلفة للتلدين. حيث تعرضت للتلدين عند 95 درجة مئوية لفترات زمنية مختلفة. عينات PLA – 24 التي تعني تعرضها للتلدين 24 ساعة، أظهرت توصيلة للحرارة أعلى، قوة ضغط أعلى وكثافة أعلى. من هذي الدراسة تم استخلاص بعض العوامل والشروط لتشكيل وتحضير المركبات تتميز بخصائص ميكانيكية وتوصيلة حرارية مثالي.

أظهرت النتائج أن خشب النخل المطحون وبذور التمرالمطحون يمكن استخدامهما كمواد مالئة في العوازل الحرارية الخضراء. إضافة خشب النخل المطحون بنسبة تتراوح بين 0-50% من الوزن له تأثير على قابيلية التوصيل الحراري حيث كانت أقل قيمة لها ( 0.069 𝑊⁄(𝑚 .𝐾) ) عند 30% من الوزن و كان أقل إنخفاض لتوصيل الحراري 6.74% عند 50% من الوزن. وفي الجانب الآخر، إضافة بذور التمر المطحون بنسبة تتراوح بين 0- 40 % من الوزن له تأثر على قابيلة التوصيل الحراري حيث كان أقل قيمة لها تساوي

( 07125 . 0 ( m .K ) W/ ) عند 40 % من الوزن و كان أقل إنخفاض لتوصيل الحراري 2.2 % عند 10 % من الوزن. بالإضافة إلى ذلك، معامل إنتشار الحراري انخفض مع زيادة المادة المالئة، حيث وصلت ل ( ₛ (𝑚𝑚²⁄ 0.043 لعينات PLA-DPWP بينما لعينات PLA-DPP انخفضت ل ( 0.036 (𝑚𝑚2⁄𝑠

و من منظور الخواص الميكانيكية، و مقارنًة مع بولي لاكتك اسيد النقي، فإن تبديل 50% من وزن بولي لاكتك اسيد بخشب النخل المطحون ، أدى إلى انخفاض قوة الضغط بنسبة 32 % بينما تزايد معامل الضغط بنسب %11 بالإضافة إلى ذالك، بذور التمر المطحون أدى لخفض قوة الضغط ومعامل الضغط بنسبة 33 % و 17.5 % على التوالي. المسح المجهري الإلكتروني ( SEM ) قد استخدم للتحقق من البنية المجهرية للمركبات المحضرة. بالإضافة إلى ذلك، المركبات قد اظهرت قيم ممتاز في تجربة امتصاص الماء ولكن كان قيم امتصاص الماء لعينات DPWP PLA- اعلى من قيم PLA - DPP

وأخيرًا، على الرغم من أن إضافة المواد المالئة الى بولي لاكتك اسيد يأدي لخفض الخواص الميكانيكية ولكنها تظهر قيم أعلى من تلك الخواص الميكانيكية لكثير من المواد العازلة المتاحة تجاريًا. علاوةً على ذلك، فإن تبديل جزء من سمك الخراسان اللتي تكون جدران المباني بالمركبات المحضرة تساهم على زيادة مقاومة الجدار لتوصيل الحرارة بنسبة % 220.2 إذا كانت المادة المالئة خشب النخل المطحون و % 211.8 إذا كانت المادة المالئة بذور التمر المطحون. ونتيجة لذلك، فإن استخدام مثل تلك المواد الرخيصة والمتوفرة في الطبيعة كمواد مالئة في العوازل الحرارية الخضراء، تخلق فائدة كبيرة لإقتصاد دولة الإمارات العربية المتحدة وهذا يعد تأثير رئيسي على هذه الدولة.

Download
COinS