Mechanické a termoakustické vlastnosti netkané textilie z kůry morušovníků a z ní vyrobených polymerních kompozitů

Ing. Samson Rwawiire, Ph.D.

Doctoral thesis

Mechanical and Thermo-acoustic Characterization of Barkcloth and Its Polymer Reinforced Composites

Abstract:

Natural fiber reinforced composites have attracted interest due to their numerous advantages such as biodegradability and comparable mechanical strength. The desire to mitigate climate change due to greenhouse gas emissions has led to the utilization and development of sustainable and environmentally friendly raw materials. Plant fibers and biodegradable resins are explored as the alternative material selection for composite materials apart from their synthetic counterparts which are non-renewable. In this thesis, barkcloth, a naturally occurring non-woven fabric and its reinforced epoxy polymer composites are characterized for possible automotive applications. Since there have been no tangible scientific studies that have been made elsewhere on barkcloth except those published by the author, the thesis gives an in-depth analysis of the mechanical and thermo-acoustic properties of barkcloth and its polymer composites. The fabric microstructure and morphology were investigated using Scanning Electron Microscopy (SEM) whereas the Chemical constituent analysis and Surface functional group characterization was done using FTIR. To further understand the behavior of the fabric after surface modification, X-Ray Diffraction (XRD) characterization was done on alkaline treated fabrics. Surface modification of the fabric was done using the enzyme, plasma, and alkali treatment. The design of the composites utilized fabrics which were surface modified and used for reinforcement of synthetic and green epoxy polymer resins. In order to produce composites with required thickness as per the tensile testing standards (ASTM D3033), four barkcloth fabric layers were sufficient for the fabrication of composites. A hierarchal fabric architecture based on the micro-fiber angles was utilized in order to find out the best fabric layer design. Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) and hand layup were utilized in the production of the synthetic epoxy and green epoxy composites respectively. The composites produced as the effect of the hierarchal architecture were evaluated and the best set of composite layup was utilized to design green epoxy polymer composites utilizing green epoxy resin. The ply stacking sequence 90o, 0o, -45o, 45o had the best mechanical properties and, therefore, was the stacking sequence investigated for the production of biocomposites. Static and thermal mechanical analyses were done on the set of composites. In this investigation, for the first time, the thermo-acoustic properties of barkcloth and its polymer reinforced composites were investigated in order to study the potential of barkcloth as a sound absorption material. Theoretical empirical sound absorption models were employed to predict the behavior of the fabrics and the results were compared with commercially available products in automotive applications.

Abstract:

Kompozity vyztužené přírodními vlákny dnes přitahují pozornost díky mnoha svým výhodám - jsou biologicky odbouratelné a mechanicky odolné. Potřeba zmírnit klimatické změny způsobené emisemi skleníkových plynů vede k vývoji udržitelných a environmentálně šetrných surovin. Rostlinná vlákna a biologicky odbouratelné pryskyřice jsou zkoumány jako alternativa pro kompozitní materiály, které jsou na rozdíl od svých syntetických protějšků recyklovatelné. V této práci je zkoumána netkaná textilie získaná z kůry (barkcloth) stromů z čeledi morušovníkovitých rostoucí přirozenou cestou a tedy bez potřeby tovární výroby, která je použita jako výztuž epoxidových polymerů. Tato textilie se jeví jako vhodná výztuž pro aplikace v automobilovém průmyslu. Protože dosud nebyly publikovány studie, které by se tímto typem materiálu zabývaly, krom těch, které publikoval autor, je součástí této práce podrobná analýza mechanických a tepelně-akustických vlastností studovaného materiálu a z něj vyrobených polymerových kompozitů. Mikrostruktura a morfologie materiálu byly zkoumány s využitím rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), analýza chemického složení a charakteru funkčních skupin na povrchu proběhla s využitím FTIR. K hlubšímu porozumění chování materiálu po modifikaci povrchu byla využita rentgenová difrakce (XDR) na alkalicky ošetřeném povrchu. Modifikace povrchu byly provedeny enzymaticky, plazmaticky a vybranými alkalickými činidly. V navržených kompozitech byl použit povrchově upravený materiál, kterým byly vyztuženy jak syntetické, tak biodegradabilní pryskyřice. Testovací vzorky kompozitů byly vyrobeny tak, aby jejich tloušťka odpovídala standardům používaným při zkoušce tahem (ASTM D3033). Pro jejich vyztužení byly použity čtyři vrstvy netkané textilie z kůry. Hierarchická architektura materiálu založená na rozložení mikrovláken byla využita při návrhu orientace jednotlivých vrstev. Při výrobě kompozitů ze syntetické i bio- pryskyřice byly použity technologie VARTM a technologie ručního kladení . Nejprve byl analyzován vliv rozložení jednotlivých vrstev na vlastnosti kompozitu ze syntetické pryskyřice a následně bylo vybráno nejvhodnější rozložení vyztužujících vrstev. Takto rozložené vrstvy byly využity pro přípravu kompozitu s biologicky odbouratelnou pryskyřicí. Jako nejlepší se ukázalo následující kladení vrstev: 90o, 0°, -45o, 45°, které vykazovalo nejlepší mechanické vlastnosti, a proto byly pro další výzkum připravovány biokompozity s takto rozloženou výztuží. Statické a tepelně-mechanické analýzy byly dále provedeny pro tento soubor kompozitů. V provedeném výzkumu byly poprvé prozkoumány také tepelně-akustické vlastnosti textilie z kůry a z nich vyrobených kompozitů. Cílem studie bylo prozkoumat potenciál textiliez kůry jako zvukově izolačního materiálu, zejména pro interiéry automobilů. Teoreticko-empirické modely zvukové izolace byly užity při predikci chování materiálu a výsledky byly srovnány s komerčně dostupnými produkty v automobilovém průmyslu.

Keywords

barkcloth, kompozity, termo-akustika, zvuková izolace, modelování

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 18. 4. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 3. 10. 2016
• Supervisor: Ing. Blanka Tomková, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering