Date of Award

4-2021

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemical Engineering (MSChE)

Department

Chemical and Petroleum Engineering

First Advisor

Basim Abu-Jdayil

Second Advisor

Muhammad Zafar Iqbal

Abstract

The increasing waste - bio or synthetic - is a critical issue, and managing this waste is a huge challenge for industry and academia. The use of biodegradable materials is sought as an eventual factor in decreasing the current level of waste generation. Therefore, one of the main research areas nowadays is to develop bio-composite materials over fuel-based materials where the bio-composites or waste-based composites serve several advantages both environmentally and economically, including the biodegradability feature of the bio fillers, and the affordability due to its abundant presence in nature. Bio-waste, specifically from agricultural sources, can be used as fillers in biopolymer matrices to form true bio-composite materials for various applications. The aim of this study is to investigate the potential use of bio-composite materials in construction as heat insulators. The polymer composites in this study consisted of biodegradable polyester which is [Polylactic Acid (PLA) matrix] and a natural filler [date palm wood fibers]. Biocomposites with filler percentages ranging from 10 to 40 wt.% were prepared and characterized for their physical and mechanical properties. The composites were characterized for tensile strength, water retention, fire retardation, and microstructure using Scanning Electron Microscope (SEM), and thermal properties were evaluated by thermal conductivity measurement, Thermogravimetric Analysis (TGA), and Differential Scanning Calorimetry (DSC). In addition, to increase filler/polymer compatibility, alkaline treatment as surface modification of the filler, silane treatment as coupling agent, and chemical additives were also used. Moreover, a fire retardant [Ammonium Dihydrogen Phosphate (ADP)] was added to the composites to reduce the flammability of the composites.

Promising results were achieved throughout this experimental research. The silane treatment significantly enhanced the mechanical properties by increasing the tensile strength from 14 MPa for untreated fibers to 30 MPa for silane-ethanol-treated composites. The silane-ethanol treatment also reduced the water retention for the 40 wt.% samples from 1.963% to 1.148%. The crystallinity for the silane-acetone samples was the highest among all the systems, reaching up to 58.8% for the 40 wt.% filler sample. The alkaline treatment significantly increased the water retention and the thermal conductivity due to the removal of impurities, leading to a higher cellulose ratio. Moreover, the alkaline treatment heavily affected the thermal stability, leading to faster degradation of the samples when compared to neat PLA, silane treated, and untreated composites. The introduction of ADP fire retardant achieved inflammable characterization of ULV-0 according to UL 94 criteria and dropped the thermal conductivity to a value of 0.043 W/m k’ which is lower than the thermal conductivity of commercial heat insulation of such as XPS and EPS of 0.050 W/m k’

Comments

تعد النفايات المتزايدة - الحيوية أو الاصطناعية - قضية مهمة ، وتعد إدارة هذه النفايات تحديًا كبيرًا للصناعة والأوساط الأكاديمية. يُطلب استخدام المواد القابلة للتحلل كعامل نهائي في تقليل المستوى الحالي لتوليد النفايات. لذلك ، فإن أحد مجالات البحث الرئيسية في الوقت الحاضر هو تطوير المواد المركبة الحيوية على المواد القائمة على الوقود حيث تخدم المركبات الحيوية أو المركبات القائمة على النفايات العديد من المزايا بيئيًا واقتصاديًا ، بما في ذلك ميزة التحلل البيولوجي للحشوات الحيوية ، و القدرة على تحمل التكاليف بسبب وجودها الوفير في الطبيعة. يمكن استخدام المخلفات الحيوية ، خاصة من المصادر الزراعية ، كمواد مالئة في مصفوفات البوليمر الحيوي لتشكيل مواد مركبة حيوية حقيقية لتطبيقات مختلفة. الهدف من هذه الدراسة هو دراسة إمكانية استخدام المواد المركبة الحيوية في البناء كعوازل حرارية. تتكون مركبات البوليمر في هذه الدراسة من بوليستر قابل للتحلل الحيوي وهو ]مصفوفة حمض عديد حمض اللبني[ وحشو طبيعي ]ألياف خشب النخيل[. تم تحضير المركبات الحيوية بنسب حشو تتراوح من 10 إلى 40 ٪ بالوزن وتميزت بخصائصها الفيزيائية والميكانيكية. تم إختبار المركبات من حيث قوة الشد ، واحتباس الماء ، وتأخر الحريق ، والبنية الدقيقة باستخدام مجهر المسح الإلكتروني ( ( SEM ، وتم تقييم الخصائص الحرارية عن طريق قياس الموصلية الحرارية ، والتحليل الحراري الوزني ( TGA ) ، والقياس التفاضلي للمسح الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل زيادة توافق الحشو / البوليمر ، تم أيضًا استخدام المعالجة القلوية كتعديل سطحي للحشو ، ومعالجة سيلان كعامل اقتران ، وإضافات كيميائية. علاوة على ذلك ، تمت إضافة مثبطات الحريق ]فوسفات ثنائي هيدروجين الأمونيوم [ (ADP) إلى المركبات لتقليل قابلية الاشتعال للمركبات. تم تحقيق نتائج واعدة خلال هذا البحث التجريبي. عززت معالجة السيلان الخواص الميكانيكية بشكل كبير من خلال زيادة مقاومة الشد من 14 ميجا باسكال للألياف غير المعالجة إلى 30 ميجا باسكال للمركبات المعالجة بالسيلان والإيثانول. خفضت معالجة السيلان - الإيثا نول أيضًا احتباس الماء لعينة 40 ٪ بالوزن من 1.963 ٪ إلى 1.148 ٪. كانت درجة التبلور لعينات silane- acetone هي الأعلى بين جميع الأنظمة ، حيث وصلت إلى 58.8 ٪ لعينة حشو 40 ٪ بالوزن. أدت المعالجة القلوية إلى زيادة كبيرة في احتباس الماء والتوصيل الحراري بسبب إزالة الشوائب ، مما أدى إلى ارتفاع نسبة السليلوز. علاوة على ذلك ، أثرت المعالجة القلوية بشكل كبير على الاستقرار الحراري ، مما أدى إلى تدهور أسرع للعينات عند مقارنتها بـ PLA الأنيق والمركبات المعالجة بالسيلان والمركبات غير المعالجة. حقق إدخال مثبطات الحريق ADP توصيف ا قابلاً للاشتعال لـ ULV-0 وفقًا لمعايير 94 UL ، وأسقط الموصلية الحرارية إلى قيمة 0.043 واط / )م ك( ، وهو أقل من الموصلية الحرارية للعزل الحراري التجاري مثل XPS و EPS البالغة 0.05 واط / )م ك( .

Download

Included in

Engineering Commons

COinS