Development and Characterization of Polymeric Composites Reinforced with Natural Fibers and Carbon Nanotubes

Abstract

Natural fibre reinforced polymer composites (NFRCs) have demonstrated great potential for many different applications in various industries due to their advantages compared to synthetic fibre-reinforced composites, such as low environmental impact and low cost. However, one of the drawbacks is that the NFRCs present relatively low mechanical properties and the absorption of humidity due to the hydrophilic characteristic of the natural fibre. One method to increase their performance is hybridization. Therefore, understanding the properties and potential of using multiple reinforcement materials to develop hybrid composites is of great interest. The main objective of this thesis is the development and characterization of polymeric composites reinforced with natural fibres and carbon nanotubes. First, the efficiency of the sonication process and of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) content on the mechanical and thermal properties of an epoxy matrix was investigated. Three different sonication powers (25, 50 and 75W) were used to disperse the MWCNTs (0.2%, 0.4% and 0.6%) in the epoxy matrix. Tensile tests were performed to determine the mechanical properties of the nanocomposites, while the thermal properties were determined by the thermogravimetric analysis (TGA) and the Differential Exploratory Calorimetry (DSC). It was found that the addition of carbon nanotubes to the epoxy matrix and the parameters of the sonication process affect the mechanical and thermal properties of nanocomposites. An increase of 14% in tensile strength and 15% of Young’s modulus, when compared to the pure epoxy matrix was found for 75W sonication power output and 0.6% MWCNTs weight percentage. The thermal analysis indicated that the presence of MWCNTs increased the Tonset of the nanocomposites when compared to pure epoxy resin. Finally, increasing the sonication power output leads to higher Tg of the nanocomposites studied here. For the specific materials studied here, the best results were obtained for the 0.6 wt.% MWCNTs and 75W sonication power output case. The effect of aging by ultraviolet radiation and water spray on the mechanical properties of natural fibre and hybrid composites was studied in the second part of the research. Pure jute, hybrid jute/glass, and glass fibre-reinforced composites were fabricated. All these types of composites were further modified with 0.6 wt% of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and their mechanical behavior was compared to the unmodified specimens. Tensile and flexural tests were used to measure the mechanical properties of unaged (control) and aged specimens. A SEM analysis was used to examine the fracture surfaces of the specimens tested. It was found that the aging process affected the mechanical properties of the composites studied in different ways. For jute and jute + MWCNT composites the properties decreased with increased exposure time. The hybrid jute/glass composites (unmodified and MWCNT modified) were less affected by aging and showed an insignificant change in tensile strength. The hybrid + MWCNT composites, showed an increase of approx. 7% in Young's modulus (1000 h) and 9% (500 h) and 17%, (1000 h) in flexural modulus when compared to the unexposed specimens. The MWCNTs had a positive effect on the mechanical properties of the glass + MWCNT aged samples. In the third and last phase of the research, the compatibility of curauá fibre with the addition of carbon nanotubes in composites was analyzed. The composites were made by two production techniques: addition of nanotubes in the matrix and fibre coating. The composites were characterized by mechanical tests (tensile and flexural) and thermal characterized by TGA test. Finally, the results showed that the curauá fibre showed better compatibility by adding the carbon nanotube in the fibre compared with the pure curauá fibre composite and with the addition of the nanotube carbon in the matrix.

Os compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais (NFRCs) tem demonstrado grande potencial para diversas aplicações em vários setores industriais (esporte, automobilístico e têxtil), devido às suas vantagens em relação aos compósitos reforçados por fibras sintéticas, como, por exemplo, baixo impacto ambiental ( ex: gasto energético de produção) e baixo custo. No entanto, uma das desvantagens é que os NFRCs apresentam propriedades mecânicas baixas e absorção de umidade relativamente altas devido à característica hidrofílica da fibra natural. Um método para aumentar o desempenho é a hibridização ou adição de partículas (micro ou nano). Portanto, entender as propriedades e o potencial do uso de materiais de múltiplo reforço é de grande interesse no desenvolvimento de compósitos híbridos. O principal objetivo desta tese é o desenvolvimento e caracterização de compósitos poliméricos reforçados com fibras naturais e nanotubos de carbono. Primeiramente, a eficiência do processo de sonicação e concentração de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) na resina epóxi foram investigadas. As propriedades mecânicas e térmicas desses nanocompósitos foram analisadas. Três potências de sonicação (25, 50 e 75W) foram usadas para dispersar os MWCNTs (0,2%, 0,4% e 0,6%) na matriz epóxi. Ensaios de tração foram usados para determinar as propriedades mecânicas dos nanocompósitos, enquanto as propriedades térmicas foram determinadas pela análise termogravimétrica (TGA) e pela Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC). Verificou-se que a adição de nanotubos de carbono à matriz epóxi e os parâmetros do processo de sonificação afetam as propriedades mecânicas e térmicas dos nanocompósitos. Um aumento de 14% na resistência à tração e 15% do módulo de Young, quando comparado à matriz epóxi pura, o melhor caso encontrado foi para potência de sonicação de 75W e porcentagem de 0,6 wt% de MWCNTs. Na segunda parte, estudou-se o efeito do envelhecimento por radiação ultravioleta e spray d’água nas propriedades mecânicas de compósitos de fibras naturais e compósitos híbridos. Os compósitos: juta pura, juta híbrida/vidro e compósitos reforçados com fibra de vidro foram fabricados. Todos esses tipos de compósitos foram modificados com 0,6wt% em peso de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) e seu comportamento mecânico foi comparado aos corpos de prova não modificados. Testes de tração e flexão foram usados para medir as propriedades mecânicas dos corpos de prova não envelhecidos (controle) e envelhecidos. Análise de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foi usada para examinar as superfícies de fratura dos corpos de prova testados. Verificou-se que o processo de envelhecimento afetou as propriedades mecânicas dos compósitos estudados de diferentes maneiras. Para os compósitos juta e juta + MWCNT as propriedades diminuíram com o aumento do tempo de exposição. Os compósitos híbridos de juta/vidro (não modificado e modificados por MWCNT) foram menos afetados pelo envelhecimento e apresentaram uma alteração insignificante na resistência à tração. Os compósitos híbridos + MWCNT, apresentaram um aumento de aprox. 7% no módulo de Young (1000h) e 9% (500h) e 17% no módulo de flexão (1000h) quando comparado aos corpos de prova sem exposição. Já o MWCNT possuiu efeito positivo nas propriedades mecânicas das amostras envelhecidas de vidro + MWCNT. Na terceira parte, analisou-se a compatibilidade da fibra de curauá com adição de nanotubos de carbono em compósitos. Os compósitos foram feitos por duas técnicas de produção: adição de nanotubos na matriz e revestimento da fibra. Os compósitos foram caracterizados por ensaios mecânicos (tração e flexão) e caracterizados termicamente por TGA. Por fim, os resultados mostraram que a fibra de curauá apresentou uma melhor compatibilidade adicionando o nanotubo de carbono na fibra comparado com o compósito de curauá puro e com adição de nanotubo na matriz.