Charakterizace mechanického a termomechanického chování udržitelných kompozitních materiálů na bázi juty

Abdul Jabbar, M.Sc.

Disertační práce

Characterization of Mechanical and Thermomechanical Behavior of Sustainable Composite Materials Based on Jute

Abstract:

Natural fiber reinforced polymer composites (NFPC) have gained considerable attention in the recent years due to their environment and economic benefits and low energy demand in production. The uses of cellulosic stiff reinforcing fillers in polymer composites have also attracted significant interests of material scientists. Waste of natural fibers, produced in the textile industry during mechanical processing, offers a cheaper source of availability for the preparation of these stiff cellulose fibrils/fillers. The poor adhesion between the fiber and polymer matrix is also considered a major drawback in the use of natural fiber composites. Therefore, surface modification of natural fibers is necessary before using them as reinforcement in composites. This thesis is dealing with the effect of addition of stiff cellulose micro fibrils and nanocellulose extracted from jute waste and its coating over woven jute reinforcements and some novel environment friendly fiber treatment methods on the bulk properties, including mechanical and dynamic mechanical properties of jute/green epoxy composites. Waste jute fibers were used both to produce jute cellulose fibrils through pulverization and as a precursor to purify and extract nanocellulose. Woven jute fabric was treated with novel techniques such as CO2 pulsed infrared laser, ozone, enzyme and plasma. Three different categories of composite laminates were prepared by hand layup method and compression molding technique using same green epoxy matrix. The first composite type was comprised 1, 5, 10 wt % of pulverized micro jute fibers (PJF) used as fillers along with alkali treated jute fabric. The second type was enclosed with nanocellulose coated jute fabric with different nanocellulose concentrations (3, 5, 10 wt %) and third type was consisted of surface treated jute fabric. The surface topologies of treated jute fibers, jute cellulose nanofibrils (CNF) and pulverized jute fibrils (PJF), nanocellulose coated jute fabrics and fractured surfaces of composites were characterized by scanning electron microscopy (SEM). The crystallinity of jute fibers after different chemical treatments was measured by X-ray diffraction (XRD). The novel surface treated jute fabrics, alkali treated jute fabric and chemically pretreated waste jute fibers were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The mechanical properties of composites were determined according to recommended international standards. The creep and dynamic mechanical tests were performed in three-point bending mode by dynamic mechanical analyzer (DMA). Three creep models i.e. Burger's model, Findley's power law model and a simpler two-parameter power law model were used to model the creep behavior in this study. The time temperature superposition principle (TTSP) was applied to predict the long-term creep performance. The results revealed the improvement in tensile modulus, flexural properties, fatigue life and fracture toughness except the decrease in tensile strength of only nanocellulose coated woven jute/green epoxy composites as compared to uncoated jute composite. The incorporation of PJF and novel surface treatments were found to significantly improve the creep resistance of composites. The Burger's model fitted well the short term creep data. The Findley's power law model was found to be satisfactory in predicting the long-term creep behavior. Dynamic mechanical analysis revealed the increase in storage modulus and reduction in tangent delta peak height of all three composite categories.

Abstract:

V posledních letech je zájem soustřeďován na kompozity z přírodních polymerních vláken díky jejich ekonomickým benefitům, vlivu na životní prostředí a nízké spotřebě energie při jejich výrobě. Materiáloví inženýři se soustředí na využití výplní z celulózových vláken pro polymerní kompozity. Během mechanického zpracování textilních vláken vzniká odpad, který slouží jako levný zdroj suroviny pro přípravu těchto celulózových vláken/ kompozitních výplní. Hlavní nevýhodou přírodních vláken jako výztuže do kompozitu je nízká adheze mezi vláknem a polymerní matricí. Proto je nutné modifikovat jejich povrch. Tato práce se zabývá vlivem přídavku tuhých mikroskopických fibril celulózy a nanocelulózy extrahovaných z odpadu juty a jejich depozicí na jutovou tkaninu. Dále se zabývá metodami její aplikace a testováním mechanických vlastností i z hlediska dynamických zkoušek kompozitních struktur na bázi juta a ekologicky šetrné epoxidové pryskyřice. Odpad z vláken juty byl použitý v obou případech jak pro výrobu jutových celulózových fibril včetně jejich fragmentování, tak i jako prekurzor pro čištění a extrahování nanocelulózy. Jutová tkanina byla zpracována novými technikami jako je CO2 pulzní infračervený laser, ozón, enzymy a plazma. Tři různé kategorie vrstvených kompozitních materiálů byly připraveny metodou ručního vrstvení a kompresní technikou s použitím stejné ekologické epoxidové matrice. První kompozit obsahoval 1, 5 a 10 hmotnostních % mikro fragmentů jutových vláken (PJF) použitých jako plnivo spolu s alkalicky ošetřenou jutovou tkaninou. Druhý typ byl tvořen jutovou tkaninou povrstvenou nanocelulózou v koncentracích 3, 5 a 10 hmotnostních %. Třetí typ byl vytvořen z povrchově upravené jutové tkaniny. Povrchová topologie upravených jutových vláken, jutových a celulózových nanofibril (CNF), drcených jutových fibril (PJF), nanocelulózou potažené jutové tkaniny a zlomy v povrchu kompozitu byly charakterizovány pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM). Krystalinita jutových vláken po různém chemickém ošetření byla měřena pomocí rentgenové difrakce (XRD). Nově povrchově upravené jutové tkaniny, alkalicky ošetřené jutové tkaniny a chemicky předupravená odpadní jutová vlákna byla charakterizována pomocí spektroskopie FTIR. Mechanické vlastnosti kompozitů byly stanoveny podle doporučených mezinárodních norem. Tečení a dynamické mechanické zkoušky byly prováděny v režimu tříbodového ohybu pomocí dynamického mechanického analyzátoru (DMA). Tři modely tečení materiálu, tj. Burgerův model, model Findleyho zákona a jednoduchý dvouparametrový mocninový model byly použity k modelování tečení materiálu (creep) v této studii. Princip časově teplotní superpozice (TTSP) byl použit k predikci dlouhodobého tečení. Výsledky ukázaly zlepšení modulu v tahu, ohybových vlastností, doby do únavy materiálu a odolnosti v lomu, s výjimkou poklesu pevnosti v tahu u nanocelulózou potažené jutové tkaniny/ekologického epoxidového kompozitu ve srovnání s kompozitem s nepotaženou jutou. Inkorporace PJF a nových povrchových úprav výrazně zvyšuje odolnost proti tečení kompozitů. Burgerův model byl dobře použitelný k modelování tečení v krátkodobém horizontu, zatímco Findleyho model byl uspokojivý při předvídání chování dlouhodobého tečení. DMA ukázala, že u všech tří kategorií kompozitů došlo ke zvýšení paměťového modulu a ke snížení výšky tangentových píků.

Keywords

vlákna juty, kompozity z přírodních vláken, mechanické vlastnosti, tečení, analýza dynamických mechanických vlastností

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 2. 2017

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 19. 6. 2017
• Vedoucí: prof. Ing. Jiří Militký, CSc.

Technická univerzita v Liberci

Fakulta textilní

Doktorský studijní program / obor:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering