Mechanical behavior of recycled polypropylene reinforced by coconut fibers using X-ray tomography and digital image correlation

• Main Author: Rios, Alexandre de Souza
• Other Authors: Benallal, Ahmed
• Language: English
• Published: 2016
• Subjects: Ciência dos materiais; Polímeros; Fibras naturais; Propriedades mecânicas; Análise morfológica
• Online Access: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/18242

RIOS, A. S. Mechanical behavior of recycled polypropylene reinforced by coconut fibers using X-ray tomography and digital image correlation. 2015. 178 f. Tese (Doutorado em Ciência de Materiais) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. === Submitted by Hohana Sanders ([e-mail]) on 2016-07-08T12:10:33Z No. of bitstreams: 1 2015_tese_asrios.pdf: 11333792 bytes, checksum: 7146c674ad729c45572e4fa4073489c8 (MD5) === Approved for entry into archive by Marlene Sousa ([e-mail]) on 2016-07-11T14:56:30Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_tese_asrios.pdf: 11333792 bytes, checksum: 7146c674ad729c45572e4fa4073489c8 (MD5) === Made available in DSpace on 2016-07-11T14:56:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_tese_asrios.pdf: 11333792 bytes, checksum: 7146c674ad729c45572e4fa4073489c8 (MD5) Previous issue date: 2015-12-18 === Natural fibers has recently gained attention due to low environmental impact, low cost and easy availability. In this study, morphological and mechanical characterization s were carried out on Brazilian coconut fibers in the 'as received' and superficially treated conditions (NaOH, heated and NaOH followed by heating), o n coconut fiber mats manufactured by compres sing, polypropylene (PP), recycled polypropylene (RPP) and composites involving these materials. Scanning Electron Microscopy (SEM) and X - ray tomography (XRT) were performe d for morphological analysis and uni directional tensile test following by D igital I mage C orrelation (DIC) and infrared thermography were used for mechanical analysis . SEM analysis showed that the chemically treated coconut fibers have sharper external cell walls and circular particles with diameters of approximately 10 μm . The fibers hav e different interfaces within the composite: fiber - matrix, fiber - latex and fiber - fiber. XRT presented the main constituents of natural coconut fiber with an area of about 57 to 60% of internal voids and a mat composed by multidirectional fibers involved by latex . Coconut fibers distribution is related to the injection direction during composites manufacturing. The volume fraction of coconut fibers in composites and impurities in PP and RPP were determined in 3D direction. Some coconut fibers not fully invol ved by matrix demonstrate the incompatibility between fiber and matrix. The initial modulus (modulus of elasticity) and tensile strength decreased with increasing diameters for the four conditions of coconut fibers . DIC analysis showed heterogeneous strain s fields on coconut fibers and on mats; the displacement fields showed the rupture process of coconut fiber. Poisson’s ratio on the manufactured materials was determined through the transverse and longitudinal strains found in the elastic region . The cocon ut fibers and the recycling of polypropylene influenced on the mechanical properties of the polymers. The DIC identified strain fields and yielding formation mechanisms on PP and the infrared thermography indicates that the adiabatic process onset during t he plastic deformation was formed during the alignment of polymer chains. The heating zones were governed by post - yeld regime and presented parabolic shapes with localized peak temperature. A numerical model could predict the stress - strain curve until the maximum stress on the materials of this work. Through numerical parameters obtained by this model, it was possible to determine each damage curve. Critical damage was determined and the composites fabricated by RPP have more time for rupture propagation. D amage evolution using strain fields from DIC demonstrated that the longitudinal strains are predominant in relation to the transverse strain on the damage process. Damage evolution from load/unload tensile testing presented changes in modulus of elasticity and a representative hysteresis. A critical damage value of the composite in accordance with the literature was found. Constitutive relationships between the longitudinal deformation and damage were represented by polynomial equations. The values of longi tudinal deformation related to the onset of damage using strain fields from DIC and from load/unload are similar. Rupture micrographs of the composite manufactured by PP show a ductile fracture and the presence of protrusions at homogeneous regions. RPP pr esented fragile and ductile fractures areas as well as heterogeneous regions of rupture. Rupture micrographs of a ruptured fiber inside the composite shows microcracks around the rupture, similar to tensile testing on individual fibers. === As fibras naturais recentemente ganhou atenção devido ao baixo impacto ambiental, baixo custo e fácil disponibilidade. Neste estudo, caracterização morfológica e mecânica s Foram realizadas em fibras de coco brasileiros nas condições "como recebido" e superficialmente tratados (NaOH, aquecida e De NaOH seguida de aquecimento), o n esteiras de fibra de coco fabricado pela compres cantar, polipropileno (PP), polipropileno reciclado (RPP) e compósitos envolvendo estes materiais. Scanning Electron Microscopia (MEV) e X - ray tomografia (XRT) foram performe d para análise morfológica e uni direcional ensaio de tração seguinte por D igital Eu mago C QUADRO DE CORRESPONDÊNCIA (DIC) e termografia infravermelha estavam utilizado para análise mecânica . análise SEM mostrou que as fibras de coco quimicamente tratados têm paredes celulares externas mais nítidas e partículas circulares com diâmetros de cerca de 10 um . o fibras hav e diferentes interfaces dentro do compósito: Fibra - matriz, fibra - látex e fibras - fibra. XRT apresentados os principais constituintes de fibra de coco natural com uma área de cerca de 57 a 60% de interna vazios e um tapete composto por fibras multidirecionais envolvidos por látex . distribuição de fibras de coco está relacionada com a direcção de injecção durante a fabricação de compósitos. A fracção em volume de fibras de coco em compósitos e impurezas em PP e RPP foram determinados em direção 3D. Alguns fibras de coco não é totalmente INVOL ved por matriz demonstram a incompatibilidade entre a fibra e matriz. O módulo inicial (módulo de elasticidade) e a resistência à tracção diminui com o aumento diâmetros para as quatro condições de fibras de coco . análise DIC mostrou estirpe heterogénea s campos em fibras de coco e nas esteiras; os campos de deslocamento mostraram o processo de ruptura de coco fibra. o coeficiente de Poisson dos materiais fabricados foi determinada através da transversal e estirpes longitudinais encontrados na região elástica . o cocon fibras ut e a reciclagem de polipropileno influenciado sobre as propriedades mecânicas dos polímeros. A cepa DIC identificados campos e mecanismos de formação produzindo no PP ea termografia infravermelha indica que o aparecimento processo adiabático durante t ele deformação plástica foi formado durante o alinhamento do polímero correntes. As zonas de aquecimento eram governados por correio - Rendimento regime e apresentadas formas parabólicas com o pico de temperatura localizada. Um modelo numérico poderia prever o estresse - curva de tensão até que o tensão máxima sobre os materiais deste trabalho. Através de parâmetros numéricos obtidos pela presente modelo, foi possível determinar cada curva de danos. dano crítico foi determinado e o compósitos fabricados pela RPP ter mais tempo para a propagação de ruptura. D evolução Amage usando campos de deformação de DIC demonstrado que as estirpes longitudinais são predominantes em relação ao deformação transversal sobre o processo de danos. evolução do dano de testes de tração de carga / descarga mudanças apresentadas no módulo de elasticidade e um representante de histerese. Um valor crítico danos do composto de acordo com a literatura foi encontrado. relações constitutivas entre o deformação longitudinal e danos foram representadas por equações polinomiais. Os valores de longi deformação tudinal relacionadas com o aparecimento de danos usando campos de deformação de DIC e de carga / descarga são semelhantes. micrografias ruptura dos compósitos fabricados pela PP mostram uma dúctil fratura ea presença de saliências em regiões homogêneas. RPP pr esented frágil e dúctil fraturas áreas, bem como regiões heterogêneas de ruptura. micrografias de ruptura de uma fibra rompida no interior do compósito mostra microfissuras em torno da ruptura, semelhante a testes de tração em cada fibras. === Les fibres naturelles ont gagnées récemment l'attention en raison du faible impact sur l'environnement, faible coût et bonne disponibilité. Dans cette étude, des caractérisations morphologiques et mécaniques ont été utilisées sur des fibres de coco brésiliens dans les conditions «brutes» et superficiellement traitées (NaOH, chauffé et de NaOH suivi par un chauffage), sur des tissus non - tissé de fibres de coco produit par compression, polypropylène (PP), polypropylène recyclé (RPP) et sur des composites impliquant ces matériaux. La microscopie électronique à balayage (MEB) et la tomographie à rayons X (XRT) ont été utilisées pour l'analyse morphologique et l'essai de traction uniaxiale suivi par corrélation d'image numérique (DIC) et thermographie infrarouge ont été utilisés pour l'analyse mécanique. Le MEB a montré que les fi bres de coco traitées chimiquement ont des parois externes plus nettes et des particules circulaires avec des diamètres d'environ 10 μm. Les fibres ont des interfaces différentes à l'intérieur du composite: fibre - matrice, fibres - latex et fibres - fibres. La XRT a présenté les principaux constituants de la fibre de coco avec une superficie de vides internes d'environ 57 à 60% et un tissu non - tissé composé de fibres multidirectionnelles contournées par le latex. La distribuition de fibres de coco est liée à la direction d'injection lors de la fabrication de matériaux composites. La fraction volumique de fibres de coco dans les composites et les impuretés dans les PP et RPP ont été déterminés dans la direction 3D. Certaines fibres de coco non entièrement contourn ées par la matrice démontrent l'incompatibilité entre les fibres et la matrice. Le module initial (module d'élasticité) et la contrainte à la traction ont diminué avec l'augmentation de diamètre pour les quatre conditions de fibres de coco. L'analyse par D IC a montré des champs de déformations hétérogènes sur les fibres de coco et sur les tissus non - tissés; les champs de déplacement ont montrés le processus de rupture de la fibre de coco. Le coefficient de Poisson des matériaux manufacturés a été déterminée par des déformations transversales et longitudinales trouvées dans la région élastique. Les fibres de coco et le recyclage de polypropylène ont influencées les propriétés mécaniques des polymères. Le DIC a identifié les champs de déformation et les mécani smes de formation de striction sur PP et la thermographie infrarouge indique que le début de processus adiabatique pendant la déformation plastique a été formé pendant l'alignement des liaisons polymériques. Les zones de chauffage ont été régies par le rég ime post - striction et elles ont présentées des formes paraboliques avec la température de pic localisé. Un modèle numérique a prédit la courbe contrainte - déformation jusqu'à la contrainte maximale. À travers des paramètres numériques obtenus par ce modèle, il a été possible de déterminer chaque courbe d'endommagement. Des endommagements critiques et les composites fabriqués par RPP ont plus de temps à la propagation de la rupture. L'évolution de endommagement par des champs de déformation a démontré que les déformations longitudinales sont prédominants par rapport à la déformation transversale dans le processus de endommagement du matériel. L'évolution de endommagement par d'essais de traction de charge/décharge a présenté des changements dans le module d'él asticité et une hystérésis considérable. Une valeur de endommagent critique dans le composite conformément à la littérature a été trouvé. Des relations constitutives entre déformation longitudinale et endommagement ont été représentées par équations polyno miales. Les valeurs de déformation longitudinale relative à l'apparition de endommagement en utilisant champs de déformation et par charge/décharge sont similaires. Les micrographies de rupture du composite fabriqué par PP montrent une fracture ductile et la présence de saillies associées à des régions homogènes. Le RPP a présenté des fractures fragiles et ductiles et régions hétérogènes de rupture. Des micrographies montrent des microfissures autour de la rupture finale d'une fibre cassée à l'intérieur du composite similaire aux essais de traction sur les fibres individuelles