Date of Award

4-2018

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Dr. Abdel-Hamid Ismail Mourad

Second Advisor

Dr. Basim Abu-Jdayil

Third Advisor

Dr. Jaber Abu Qudeiri

Abstract

The main scope of this research is to develop polymer-filler thermal insulators utilizing natural and industrial local waste such as date pit powder (DPP), devulcanized tire rubber (DVR), and buffing dust (BD). Recycling and reuse of these local wastes as fillers in insulation materials has significant benefits for the UAE environment. An objective of this work was to study the effect of the combination of these local wastes with polystyrene (PS) on the physical, mechanical, and thermal properties of the developed thermal insulators. PS was used as a matrix, mixed in different proportions with the waste fillers. Each mixture was then exposed to heat and pressure in a hot press to form a solid sample. The formed composites were tested to evaluate their physical (water absorption and bulk density), mechanical (compression strength, compression modulus, tensile strength, tensile modulus, flexural strength, and flexural modulus), and thermal properties (thermal conductivity and thermogravimetric analysis (TGA)). The results established that DPP, DVR, and BD were suitable as fillers in thermal insulation materials. Use of DPP and DVR waste in ratios ranging from 0 wt. % to 30 wt. % affected thermal conductivity minimally and resulted in an acceptable reduction in mechanical properties. Replacing 50 wt. % of PS by DPP increased the thermal conductivity by only 9.1%. Adding 10 wt. % of BD to the PS reduced thermal conductivity by 13.29 %, with negligible effect on the mechanical properties. Similarly, low DVR rubber content led to a slight reduction in thermal conductivity (4 %). However, higher proportions of DVR and BD content had a negative effect on the thermal and mechanical properties. Prior treatment of the waste fillers with NaOH, enhanced mechanical performance in composites prepared from the treated fillers. Scanning electron microscopy (SEM) was used to investigate the microstructure of the prepared composites. In addition, the waste fillers were analyzed by infrared spectroscopy (FTIR) to identify the main functional groups in the fillers. To study the effect of the chemical treatment on the main functional groups, these fillers were analyzed by FTIR after the treatment. Although the addition of the three types of waste reduced mechanical strength, all prepared composites with a waste filler concentration below 30 wt. % displayed good mechanical properties, compared with available commercial thermal insulators. Moreover, replacing one-third of the thickness of a building wall with DPP-polystyrene, DVR-PS, and BD-PS composites reduced the heat transfer coefficient by 85 %, 87.8 %, and 83 %, respectively. Therefore, recycling of the local wastes DPP, BD, and DVR as filler materials in thermal insulators presents an opportunity for significant benefit to the UAE economy.

Comments

الهدف الرئيسي من هذا البحث هو تطوير عوازل حرارية معتمدة على الخليط الناتج من اللدائن الحرارية و المخلفات المحلية الطبيعية منها و الصناعية مثل بذور التمر، مخلفات الدباغة و مطاط إطارات السيارات المعالج بالحرارة. تدوير هذه المواد و استخدامها كمواد مالئة له تأثير كبير على طبيعة دولة الإمارات العربية المتحدة. أحد أهداف هذه الأطروحة دراسة تأثير إضافة أنواع مختلفة من هذه المخلفات المحلية على الخواص الفيزيائية، الميكانيكة و الحرارية للعوزال الحرارية المطورة. البوليسترين ا ستخدم كقالب وخلط مع نسب مختلفة من المخلفات باستخدام خلاط تجاري. و من ثم تم تعريض الخليط الناتج إلى الضغط و الحرارة باستخدام آلة الضغط و الحرارة لانتاج العينات الصلبة. لقد تم فحص هذه العينات من ناحية الخواص الفيزيائية ) امتصاص الماء و الكثافة(، الخواص المكيانيكية ) قوة الضغط، معامل الضغط، قوة الشد، معامل الشد، قوة الانثناء و معامل الانثناء (و الخواص الحرارية ) قابلية توصيل الحرارة و التحلل الحراري). لقد أظهرت النتائج أن بذور التمر، مخلفات الدباغة و مطاط الإطارات المعالج بالحرارة يمكن استخدامها كمواد مالئة في العوازل الحرارية. إضافة بذور التمر و مطاط الإطارات المعالج بالحرارة بنسة تتراوح بين 0-30 % من الوزن له تأثير ضئيل على قابلية التوصيل الحراري و أدى إلى انخفاض الخواص الميكانيكة بشكل مقبول. على سبيل المثال، تبديل 50 % من وزن البوليستيرين ببذور التمر، أدى إلى زياد 9.1 % فقط بالموصلية الحرارية. بالنسبة لمخلفات الجلود، إضافة 10 % من هذا النوع من المخلفات للبوليسترين أدت إلى انخفاض الموصلية الحرارية بنسة 13.29 % و كان لها تأثير طفيف على الخواص الميكانيكة. و بشكل مشابه، إضافة نسب قليل من مطاط السيارات المعالج بالحرارة أدى إلى انخفاض بسيط في الموصلية الحرارية. غير أن أضافة نسب أعلى من مخلفات الدباغة و مطاط الإطارات المعالج بالحرارة له تأثير سلبي على الخواص الحرارية و الميكانيكة. عندما تمت معالجة أسطح الخلفات كميائيا،ً للخليط المحضر من المخلفات المعالجة و البوليسترين أظهر خواص ميكانيكة أفضل. المجهر الإلتكروني قد استخدم للتحقق من التشكل المجهري للعينات المحضرة. بالإضافة إلى ذلك، المخلفات المستخدمة قد فحصت باستخدام الأشعة تحت الحمراء للتعرق على المجموعات الوظيفية الأساسية المتواجدةفي المخلفات المستخدمة. لدراسة التا ثير الناتج من استخدام المعالجة الكيميائية على المجموعاتالوطيفية للمخلفات المستخدمة، هذه المخلفات قد فحصت بالأشعة تحت الحمراء بعد المعالجة أيضا. على الرغم من أن إضافة الأنواع الثلاث من المخلفات أدت إلى انخفاض في الخواص الميكانية، كل العينات المصنوعة من نسب مخلفات أقل من 30 % لها خواص ميكانية جيدة عندما تقارن مع العوازل الحرارية التجارية المتاحة. علاوة على ذلك، استبدال ثلث سماكة جدران الأبنية بخليط بذور التمر و البوليستيرين ، مخلفات الدباغة و الوليستيرين و مخلفات مطاط الإطارات المعالج بالحرارة و البوليسترين خفض معامل انتقال الحرارة بنسبة 85% , 87.8 % و 83 % , على التوالي. و من الجدير بالذكر هنا، تدوير هذه المخلفات و استخدام بذور التمر، مخلفات الدباغة و مطاط الإطارات المعالج حراريا كمادة مالئة بالمواد العازلة حراريا،ً له تأثير كبير على اقتصاد دولة الإمارات العربية المتحدة و هذا التأثير يعد تأثير رئيسي على هذه الدولة.

Download

Share

COinS