Academic literature on the topic 'Reinforced thermoplastic composite'

Abstract This article has a theoretical and experimental character. It presents the characteristics of two main thermoplastics used in the aerospace industry – poly ether ether ketone (PEEK) and poly phenylene sulphide (PPS). The selected materials are compounds for the production of thermoplastic polymer matrix composites. The paper presents a literature review of the application of thermoplastic polymer matrix composite materials in aviation. Additionally, the paper focuses on the characteristics of carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) which plays an important role in the production of aerospace components. Testing methods have been chosen on the basis of the type of composite matrix. The article contains the most important mechanical properties and general characteristics of thermoplastics used as a matrix for CFRP type composites used in the aerospace industry. Individual test procedures which allow for the evaluation of mechanical properties of composite materials on a thermoplastic polymer matrix, have been described. Mechanical tests such as static tensile test and bending of short beams were carried out in order to examine CFRP composites.

Interest in advanced thermoplastic composites for use in high performance structures stems from their order of magnitude improvement in fracture toughness and delamination resistance over epoxy based composites, their strong solvent resistance, and the possibility of dramatically lower fabrication costs through processing flexibility. The chemical and mechanical properties of semicrystalline thermoplastics depend on the morphology of the material, such as the crystallinity content and spherulite size. We describe here the use of x-ray diffraction to characterize the degree of crystallinity of the polyetheretherketone-graphite composite system, a leading thermoplastic candidate for use in aerospace vehicles. In reflection, diffraction from the microcrystalline graphite fibers dominates the scattered signal and must be adequately accounted for. The technique is useful on large samples and for quality control. In transmission, the graphite signal is weak, thus simplifying data analysis; however, sample thickness must be limited.

Using natural wood-fiber as reinforcement in commercial thermoplastics is gaining momentum due to its high specific properties and renewable resources. In this study, the effect of wood particle geometry size on mechanical properties of thermoplastics composite was investigated. The wood species that has been chosen is Kelempayan species (Neolamarckia cadamba) and reinforced with polypropylene using fiber geometry size of 75 and 250 ?m. Thermoplastic composites were produced from two types of ratio (30:70 and 10:90) between wood-fiber and polypropylene. Static bending and tensile strength were tested. The result showed that wood-fiber from 75 ?m geometry sizes with ratio of 30:70 between wood-fiber and polypropylene was most suitable in producing thermoplastic composites. The geometry sizes of wood particle as well as the ratio between wood-fiber and polypropylene were found to influence the mechanical properties of the thermoplastic composites.

The present investigation is concerned with the development of fibre reinforced thermoplastic composite rods using braiding process. An innovative technique has been developed to produce composite rods with outer braided layer of polyester fibres and axially reinforced with high performance glass fibres. Polypropylene filaments which were introduced in to the core along with the glass fibres during the braiding process formed the thermoplastic matrix upon melting. A special mould has been designed for uniform application of heat and pressure during the consolidation of the composite rods as well as for the alignment of core fibres. The cross-section of composite rods was characterized with help of optical microscopy in order to see the distribution of core fibres and matrix. The effect of amount of glass fibres on the mechanical properties (tensile and flexural) of composite rods has been investigated and discussed.

By combining carbon woven fabric with thermoplastics grains, a thermo-stamping process is proposed for forming parts with complex double curvatures in one step, to implement the affordable application of fiber reinforced composites in high volume merchandises such as automotive industry. In the proposed thermo-stamping process, laminated carbon woven fabrics with thermoplastic grains are heated, and then transferred rapidly to a preheated mould for thermo-stamping, and cooled down to form the carbon fiber reinforced composite part. Various thermoplastics such as PP, PA6 and ABS are used as matrix material in the composite part. Experimental results including shear angle distribution in the fabric, deformed boundary profile of fabric with different original fiber orientation and forming defects are presented. It is demonstrated that high quality parts can be obtained with the proposed forming process, and defects are controllable. By using the proposed process and laminated structures, it is feasible to implement the high-volume and low-cost manufacturing of fiber reinforced composite parts.

The study for strength calculation of one way fiber-reinforced composites and the study measuring precisely fiber orientation distribution were presented. Need the systematic study for the DB that can predict mechanical properties of composite material and fiber orientation distribution by the fiber content ratio was not constructed. Therefore, this study investigated what affect the fiber content ratio and fiber orientation distribution have on the strength of composite sheet after making Glass Mat Reinforced Thermoplastic Sheet by changing fiber orientation distribution with the fiber content ratio. The result of this study will become a guide to design data of the most suitable parts design or fiber reinforced polymeric composite sheet that uses the Glass Mat Reinforced Thermoplastic Sheet in industry part, because it was conducted in terms of developing products. It studied the effect the fiber orientation distribution has on tensile strength of Glass Mat Reinforced Thermoplastic Sheet and achieved this result below. The increasing range of the value of Glass Mat Reinforced Thermoplastic Sheet’s tensile strength in the fiber orientation direction is getting wider as the fiber content increases.

Fiber-reinforced polymer composites are commonly used in different fields because the evenly distributed fibers in polymer can efficiently transmit the load of a force and mechanically reinforce the polymer matrices. This study proposes producing composite sandwiches using thermoplastic polyurethane sheets as the top and bottom layers and a polypropylene/Kevlar nonwoven fabric the interlayer. Thermoplastic polyurethane sheets and a polypropylene/Kevlar nonwoven fabric are combined using the sheet extrusion method, during which the polypropylene staple fibers are melted and firmly bond the thermoplastic polyurethane sheets. The mechanical properties, thermal behavior, and surface morphology of composite sandwiches are evaluated, examining the influence of parameters. The test results show that the composite sandwiches are mechanically reinforced as a result of using the nonwoven covers. Moreover, the improved interfacial bonding between the cover layers and the interlayer inhibits delamination, and the stabilized structure subsequently decreases the level of combustion which is in conformity of the differential scanning calorimetry results. The manufacturing is creative and efficient due to one-step shaping, creating a refined composite sandwich with good mechanical properties and combustion resistance.

Two forms of perform were prepared by a Glass fiber/Polypropylene fiber commingled yarn. One was a three-dimensional woven fabric with an angle-interlock structure, and another was a two-dimensional plain woven fabric laminate. The three-dimensional woven fabric reinforced thermoplastic composites(3-DWRC) and two-dimensional woven fabric reinforced thermoplastic composites(2-DWRC) were fabricated by hot-press process. The Impact and tensile performances of both 3-DWRC and 2-DWRC were examined. Compared to the 2-DWRC, the 3-DWRC have better impact properties, the energy required to initiate cracks, the threshold force of the first oscillation and maximum load increased by 41.90%, 54.41%, 38.75% respectively under the low-energy impact conditions. The tensile tests shown that the 3-DWRC presented batter fracture toughness than the 2-DWRC. The use of thermoplastic composites is growing rapidly because of their excellent properties, a high toughness and damage tolerance, short processing cycles, and the ability to be reprocessed. But thermoplastic materials usually have a difficulty to impregnate between reinforcing fibers, due to high melt polymer viscosity. It is a technology innovation that the commingled yarns composed of reinforced fibers and thermoplastic fibers are used as prepreg for thermoplastic composite materials. Because thermoplastic fiber and reinforced fiber are closely combined, which reduces distances of resin’s infiltration, this can effectively overcome the difficulties of resin’s impregnation. The commingled yarns can be woven and knitted, and can facilitate the processing of complex structural composites. Three-dimensional fabrics reinforced composites are ideal materials with excellent integrity because it is linked with yarns between layers. Its shearing strength between layers, damage tolerance and reliability are better than the two-dimensional fabric laminated composites. At present, the researches of thermoplastic materials with two-dimensional fabric reinforced structure made from commingled yarns are much more, such as manufacturing technology, material properties ,effects of process conditions on properties, relationship between structures and properties, and so on [1-8]. However, only a few studies appear in literature on the structure-property relationships of three-dimensional fabric reinforced thermoplastic composite materials made of commingled yarns [9-10]. Byun, Hyung Joon et al. [9] undertook the impact test and the tensile test on 3-D woven thermoplastic composite materials and 2-D plain woven laminate which is made by CF/PEEK mixed yarn. Dong Weiguo and Huang Gu[10] studied the porosity, tensile and bending properties on 3-D woven thermoplastic composites which make from core-spun yarn containing glass fibers and polypropylene fibers. The aim of this study was to investigate the impact behavior of and tensile properties of 3-D woven fabric thermoplastic composites made by a GF/PP commingled yarns. Attempts was made to identify the damage mode of the 3-D woven fabric thermoplastic composites under the low energy impact and tensile conditions.

In this paper, the stiffness mechanical property of natural fiber reinforced thermoplastic composites is analyzed using composite micromechanical model. Kenaf natural fiber is selected as the reinforcement material in the composites construction while three types of commonly used automotive grade thermoplastic matrices, namely polypropylene, acrylonitrile butadiene styrene and polyamide 6 were selected to be reinforced with kenaf fibers. Their stiffness property was later analyzed using Halpin-Tsai micromechanical model at varying fiber content and fiber aspect ratio conditions. In all cases, theoretical results show that the kenaf reinforced thermoplastic composites stiffness increased linearly as the fiber contents were increased. Apart from that, results also show that the stiffness property also increases as the fiber aspect ratio was increased. Higher final composites stiffness property was also observed as stiffness matrix material is utilized in the composites formulation. The prediction results also provided valuable and quick insight as well as cost effective alternative to composite designers in assessing the stiffness performance of natural fiber composites especially those which are reinforced with thermoplastic matrices compared to conventional experimental technique for automotive product development purposes in addition to identifying the optimal parameter to be put into focus in their composites design to achieve the intended design performance specifications.

Carbon fiber–reinforced thermoplastic composites are gaining increasing interest in various applications thanks to their combined properties of high specific stiffness, high specific strength, and superior toughness. Their mechanical properties are highly dependent on the carbon fiber content. In this study, the carbonization-in-nitrogen method (CIN) developed in previous work is used to measure the fiber content of carbon fiber thermoplastic composites. Three types of carbon fiber thermoplastic composite samples were prepared using hot-melt impregnation. The carbon fiber thermoplastic composite sample is carbonized in a nitrogen environment alongside a neat resin sample that is used for calibrating the resin carbonization percentage. A good agreement is achieved between the nominal carbon fiber content and the carbon fiber content measured using the CIN method. It is concluded that the CIN method is an accurate and efficient way to characterize the carbon fiber content for carbon fiber thermoplastic composites. This work completes the verification of the CIN method, which enables extended application to thermoplastic composites. Moreover, it has its unique merits on evaluating the carbon fiber content for high-temperature and solvent-resistant thermoplastic composites that would encounter challenges using other methods.

The objective of this study was to develop tests that could be used to characterize autohesive strength development in amorphous thermoplastic resins and fiber-reinforced thermoplastic prepregs. All tests were performed using polysulfone P1700 thermoplastic resin and AS4/P1700 graphite-polysulfone prepreg. Two test methods were examined to measure autohesion in neat resin samples. These included an interfacial tension test based on the ASTM tensile adhesion test (ASTM D897) and a fracture toughness test using a compact tension (CT) specimen (based on the ASTM toughness test for metals ASTM E399-83). The interfacial tensile test proved to be very difficult to perform and with an unacceptable amount of data scatter. The data obtained using the compact tension test were repeatable and could be correlated with temperature and contact time. Autohesive strength development in fiber-reinforced prepreg samples was measured using a double cantilever beam (DCB) interlaminar fracture toughness test. The fracture mechanisms were determined to be different in the healed DCB specimen than the virgin specimen due to resin flow at the crack plane during the healing tests. The CT test was found suitable for use in determining the autohesive properties and self-diffusion coefficient of neat resin. The DCB test, although not suitable for autohesive testing, indicated that repair of thermoplastic matrix composites is possible; however, the repair will not be as tough as the virgin material.
Master of Science

State-of-the-art aircraft engine manufactures aim to reduce theirenvironmental impact steadily. Thereby they attempt to increase engineefficiency, use new renewable fuel sources and most importantly aim toreduce component weight. While Titanium, Aluminum and continuousfiber reinforced thermosetting composites and superalloys prevail in thecurrent material selection, the present work desires to raise awareness fora novel group of materials; short carbon fiber reinforced thermoplasticcomposites (SCFRTPs). In this kind of composite short fibers givedimensional stability and strength while the thermoplastic matrix ensuresthe physical properties, even at temperatures up to 300°C.Even though in some applications these materials offer great potential tosave weight and cost, it is not clear if their properties suffice to be used indemanding areas of the aero engine and if they are still able provide costand weight reductions there.The present work therefore investigated potential aero-engine componentsthat could be replaced by SCFRTPs. With literature, manufacturer data andmaterial and process modelling approaches, it is shown that SCFRTPsmechanical and physical properties suffice for the selected component.Further it is shown that cost reductions up to 77% and weight savings upto 67% compared to the Ti-6Al-4V baseline component are possible.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2013.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Saamgestelde materiale het baie gewilde materiale in die lugvaart- en motor industrië geword as gevolg van die gewigsbesparende voordele wat dit inhou. Kostes en ander verwerkingsprobleme het tradisioneel die wydverspreide gebruik van spesifiek termoplasties-versterkte vesels in hierdie areas verhinder. Baie van die vervaardigingsprobleme (spesifiek lang siklusse) is aangespreek met die aanvang van termoplastiese matriks materiaal soos Polyphenolien Sulfied (PPS). Hierdie materiaal voldoen ook aan die lugvaart-industrie se brand-, rook- en giftigheidstandaarde. Termoplastiese saamgestelde materiale kan byvoorbeeld gevind word op komponente in vliegtuie se binneruimtes en ook die voorste rand van die vlerke. Hierdie komponente is hoogs vatbaar vir impakskade. Die hoë sterkte en styfheid tot gewig verhoudings van saamgestelde materiale laat toe vir dun materiaal dwarssnitte. Komponente is dus kwesbaar vir uit-vlakkige impak beladings. Saamgestelde materiale kan ook intern deur hierdie beladings beskadig word en kan nie met die blote oog waargeneem kan word nie. Dit is dus nodig om die skade weens hierdie beladings tydens normale gebruik akkuraat te voorspel. Verder sal dit nuttig wees om die struktuur se gedrag te bepaal in toepassings waar byvoorbeeld passasier veiligheid krities is, soos op vliegtuig ruglenings tydens noodlandings. In hierdie studie is die potensiële vervaardigingsvoordele van termoplastiese saamgestelde materiale gedemonstreer. Daarbenewens is 'n uit-vlakkige impak deur 'n sagte liggaam herbou in 'n laboratorium omgewing. Die primêre doelwit van hierdie studie was om die impak numeries te modelleer. Vervaardigingsvoordele van `n vesel versterkte termoplastiese laminaat is gedemonstreer deur die vervaardiging van 'n konkawe, agt laag laminaat uit 'n vooraf gekonsolideerde geweefde doek. Die totale verwerkingstyd van die plat laminaat na 'n konkawe laminaat was minder as vyf minute. 'n Eenvoudige plat laminaat en 'n konkawe laminaat is onderwerp aan 'n lae snelheid impak deur 'n sagte projektiel. Die impak is gemodelleer deur die evaluering van drie modelleringsmetodes vir die saamgestelde paneel. Die evalueringskriteria het o.a. ingesluit of laminaat se volle gedrag suksesvol gemodelleer kon word met behulp van slegs 2D dop elemente. Die reaksie van die saamgestelde paneel en gepaardgaande faling is met wisselende vlakke van sukses deur die drie geëvalueerde modelle voorspel. Die faling van tussen-laminêre bindings (verwys na as delaminasie) kon nie deur enige van die modelle voorspel word nie. Twee van die modelle het egter in-vlak faling met redelike akkuraatheid voorspel.
ENGLISH ABSTRACT: Due to weight saving advantages composite materials have become a highly popular material in the aerospace and automotive industries. Traditionally processing difficulties and costs have been a barrier to widespread composite material use in these industries. With the advent of thermoplastic matrix materials such as Polyphenoline Sulphide (PPS) the processing difficulties (especially long cycle times) experienced with traditional thermosetting resins can be addressed while maintaining aerospace Fire-Smoke and Toxicity (FST) approval. Thermoplastic composites can for example be found on aircraft interior components and leading edges of the wings. These areas are highly susceptible to impact damage. The high strength- and stiffness to weight ratios of composites allows for thin material cross sections. This leaves the components vulnerable to out-of-plane impact loads. Composite materials may also be damaged internally by these loads, leaving the damage undetectable through visual inspections. It may therefore be necessary to predict the amount of damage a component would sustain during normal operation. Additionally, it would be useful to predict structural response of these materials in applications where passenger safety is crucial, such as aircraft seat backrests during emergency landings. In this study the potential processing benefits of thermoplastic composite materials were demonstrated. Additionally an out-of-plane impact from a soft bodied projectile was reconstructed in a laboratory environment. The primary objective was to numerically model the impact event. Processing benefits of thermoplastics were demonstrated by producing a single curvature eight layered laminate from a pre-consolidated woven sheet. The total processing time from flat panel to a single curvature panel was below five minutes. A simple flat laminate and a single curvature laminate were subjected to a low velocity drop weight impact load from a soft bodied projectile. These impact events were modelled by evaluating three modelling methods for the composite panel structural response and damage evolution. Part of the evaluation criteria included whether laminate failure could be modelled successfully using only 2D shell elements. The response of the composite panel and accompanying failure were predicted with varying levels of success by the three evaluated models. The failure of interlaminar bonds (referred to as delamination) could not be predicted by either model. However two of the models predicted in-plane failure with reasonable accuracy.

Biocomposites made from biodegradable polymer as matrix and natural fiber as reinforcement are certainly environmentally friendly materials. Both constituent materials are fully biodegradable and do not leave any noxious components on Earth. The natural fibers have been used as reinforcement due to their advantages compared to glass fibers such as low cost, high specific strength and modulus, low density, renewability and biodegradability. Major aims of this work were to produce natural fibers and/or nanoparticles with polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polylactide (PLA), poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) matrices and determine their structure-property relationships. Following abstracts of the present research work are manifold: BINARY COMPOSITES Polylactide (PLA)/flax mat composites The polylactide (PLA)/flax mat and modified PLA/flax mat composites were produced by hot press technique. Two additives of non-regulated wax/ethylene acrylate copolymer/butyl acrylate and acrylic were used as modifier for PLA. The dispersion of the flax mat in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical and thermal properties of the composites were determined in tensile test, thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the PLA based composites increased the impact resistance. The tensile strength value of modified PLA/flax mat composite decreased slightly compared to the PLA. The elongation at break data indicated that an improvement in ductility of modified PLA and its composites. Moreover, addition of thermal modifier enhanced thermal resistance below processing temperature of PLA and had a marginal effect on the glass transition temperature of PLA. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The principle of linear viscoelastic material was fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance for all systems studied. Polylactide (PLA)/woven flax textiles composites The polylactide (PLA)/woven flax textiles 2x2 twill and 4x4 hopsack composites were produced by interval hot press technique. Two weave styles of flax used to reinforce in PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was inspected in scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical properties (tensile, stiffness and strength) of the composites were determined in tensile and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) tests, respectively. SEM observed that the interfacial gaps around pulled-out fibers were improved when produced by the interval hot press. It was also found that the both styles of flax composites increased the impact resistance compared to the neat PLA. The tensile strength and stiffness value of PLA/flax composites were markedly higher than that of the neat PLA and reflect the effects of composite structures. The calculated storage creep compliance was constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The calculated creep response of these flax composites was much lower than that of the neat PLA. Polyethylene and polypropylene/nano-silicon dioxide/flax composites Composites composed of polylactide (PLA), modified PLA and woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) were produced by hot press technique. Two structurally different additives used to modify PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and computed microtomography system (µCT). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The thermomechanical and creep properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA)and short-time creep tests, respectively. It was found that the modified PLA and its composite increased the impact resistance compared to the unmodified PLA. Incorporation of flax decreased resistance to thermal degradation and increased water uptake. The impact energy and stiffness value of PLA/flax composites was markedly higher than that of PLA but reflect the effects of composite structures and flax content. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. From the master curve data, the effect of modified PLA on the storage modulus was more pronounced in the low frequencies range. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites The textile biocomposites made from woven and non-woven flax fibre reinforced poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) were prepared by compression moulding using film stacking method. The mechanical properties (such as tensile strength and stiffness, flexural strength and modulus, and impact strength) of textile biocomposites were determined in tensile, flexural and impact tests, respectively. The PBAT-based composites were subjected to water absorption. The comparison of the mechanical properties was made between pure PBAT and textile composites. The influence of flax weave styles on the mechanical properties was also evaluated. The results showed that the strength of the textile biocomposites was increased according to weave types of fibers, especially in the stiffness was significantly increased with the higher densification of the fibers. The 4x4-plain woven fibers (4-yard-wrap and 4-yard-weft weave direction) reinforced biocomposite indicated the highest strength and stiffness compared to the other textile biocomposites and pure PBAT. This was considered to be as the result of the character of weave style of 4x4-plain woven fibers. The aminopropyltriethoxysilane affected the mechanical properties and water absorption of the resulting composites laminates due to the surface compatibility between flax fiber and PBAT. HYBRID COMPOSITES Polyethylene/nanoparticle, natural and animal composites Binary and ternary composites composed of high-density polyethylene (HDPE), boehmite alumina (BA) and different kinds of natural-, animal fibers, like flax, sponge gourd (SG), palm and pig hair (PH) were produced by hot press technique. Aqueous BA suspensions were sprayed on the HDPE/flax mat to prepare nanoparticle/natural fiber reinforced ternary polymer composites followed by drying. The dispersion of the natural-, animal fibers and BA particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and discussed. The thermomechanical and stress relaxation properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and short-time stress relaxation tests (performed at various temperatures), respectively. The HDPE based composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. It was found that the all composites systems increased the stiffness, stress relaxation and reduced the impact toughness. The stress relaxation modulus of natural-, animal fiber composites were higher compared to that of the neat HDPE. This modulus increased greatly with in corporation of BA. The relaxation master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The inverse of Findley power law could fairly applicable to describe the relaxation modulus vs. time traces for all systems studied. Incorporation of BA particles enhanced the thermal resistance which started to degrade at higher temperature compared to the HDPE/flax mat composite. The HDPE/flax mat/BA composite could reduce the water uptake. Polyethylene/Flax/SiO2 Composites Composites composed of high-density polyethylene (HDPE), woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press with nano spraying technique. The SiO2 slurries were sprayed by a hand onto the both surface of the woven flax fiber. The HDPE /woven flax fibers composites with and without used nano-spraying technique were produced by hot pressing in a laboratory press. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal resistance, stiffness and tensile strength properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and tensile tests, respectively. It was found that the impact energy and stiffness value of HDPE/flax composites was markedly higher than that of HDPE but reflect the effects of composite structures and flax content. Incorporation of SiO2 particles enhanced resistance to thermal degradation. It was established that the linear viscoelastic material principle are fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance results. Un- and Modified Polylactide (PLA) /woven Flax Fiber composites Hybrid composites composed of polypropylene (PP) or high-density polyethylene (HDPE), different flax fibers (unidirectional-, biaxial and twill2x2) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press technique. The ternary polymer composite was effectively fabricated by spraying SiO2 solvents onto the surface of flax fiber. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related PP and HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal and mechanical properties of the composites were determined by thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), creep and stress relaxation tests, respectively. It was found that thermal decomposition temperature of the PP or HDPE/flax composites increased by the addition of SiO2 particles. The impact energy, stiffness, creep resistance and relaxation modulus value of all flax composites increased markedly compared to the PP and HDPE matrix. Time–temperature superposition (TTS) was applied to estimate the creep and relaxation modulus of the composites as a function of time in the form of a master curve. The activation energies for the all PP and HDPE composites systems studied were also calculated by using the Arrhenius equation. The generalized Maxwell model was fairly applicable to the stress relaxation results. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites Composites composed of polylactide (PLA), woven flax fiber textiles (weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and boehmite alumina (BA) were produced by hot press. The spraying technique served for the pre-dispersion of the alumina nanoparticles. The aqueous alumina slurry was produced by mixing the water with water dispersible alumina. The dispersion of the flax structures and alumina particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The creep and thermomechanical properties of the composites were determined in short-time creep tests (performed at various temperatures), thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the incorporation of alumina particles reduced the water uptake compared to the PLA/flax blends. The impact energy and stiffness value of PLA/flax blends was markedly higher than that of PLA but reflected the effects of composite structures. Incorporation of alumina particles enhanced storage modulus and the creep resistance compared to the PLA/flax blends but slightly incremented thermal resistance at high temperature. No clear trend in the flax weave style- effect was found in the thermal behaviour. The creep master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The Findley power law could satisfactorily describe the creep compliance vs. time traces for all systems studied. Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)/sisal natural fiber/clay composites Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) biocomposites different sisal containing with the fiber length of 0.25 and 5 mm, and addition of clay particles were prepared by hot compression technique. Silane (Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) treatment has been used to modify in order to enhance the properties of related hybrid composites. The all composites were subject to water absorption test. The mechanical properties of hybrid composites such as tensile stiffness and strength, toughness and hardness determined in tensile, impact and hardness tests, respectively. It was found that tensile strength, stiffness and impact strength of long sisal fiber improved with increasing fiber content. Hardness of short sisal fiber improved with increasing fiber content. Treated Silane of long fibers at 20 wt.% loading was found to enhance the tensile strength fiber by 10% and impact strength by 750% as compared to the neat PHBV. Note that this feature was also confirmed by the appearance of a scanning electron microscopy. Moreover, the hardness and water resistance of the PHBV/sisal composites increased by the addition of clay particles. The diffusion coefficient for the PHBV and hybrid composites systems studied were also calculated
Bioverbundwerkstoffe aus biologisch abbaubarem Polymer als Matrix und Naturfasern als Verstärkung sind ohne weiteres umweltfreundliche Materialien. Beide Bestandsmaterialien sind vollständig biologisch abbaubar und hinterlassen keine schädlichen Bestandteile auf der Erde zurück. Die als Verstärkung verwendeten Naturfasern wurden aufgrund ihrer Vorteile gegenüber Glasfasern, wie z.B. geringe Kosten, hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, geringe Dichte, Erneuerbarkeit und Kompostierbarkeit ausgesucht. Der Hauptfokus dieser Arbeit lag darin Naturfasern und/oder Nanopartikel mit Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polylactid (PLA) herzustellen, sowie Poly-Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat (PHBV) Matrizen und deren Struktur-Eigenschaft-Verhältnis zu bestimmen. Die folgenden Kurzfassungen der vorliegenden Forschungsarbeit sind vielfältig: BINÄRE VERBUNDWERKSTOFFE Polylactid (PLA)/ Flachsmatten-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachsmatte und modifizierte PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe wurden im Pressverfahren hergestellt. Als Modifikator für das PLA wurden zwei nicht regulierte Wachs/Ethylen-Acrylat-Copolymer/Butyl-Acrylat und Acryl Additive verwendet. Die Verteilung der Flachsmatte in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden im Zugversuch, der thermogravimetrische Analyse (TGA) und der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) jeweils bestimmt. Es zeigte sich, dass die PLA/Flachsmatten-basierten Verbundwerkstoffe eine erhöhte Schlagzähigkeit aufwiesen. Die Zähigkeitswerte der modifizierten PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe waren leicht verringert im Vergleich zum PLA. Die Bruchdehnungswerte zeigten eine Verbesserung der Verformbarkeit des modifizierten PLAs und dessen Verbundwerkstoffe. Nach Zugabe eines Wärme-Modifikators verbesserte sich der Wärmewiderstand auf unter Verarbeitungstemperatur des PLA und hatte nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur des PLA. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit der Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) aufgestellt. Auf alle untersuchten Systeme konnte das dafür gut geeignete Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe angewendet werden um die Steifigkeit in die Kriechneigung umzuwandeln. Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung-Verbundwerkstoffe wurden im Intervall-Pressverfahren hergestellt. Das PLA wurde mit zwei Flachsgewebeformen verstärkt. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstrukturen in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Steifigkeit und Festigkeit) der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Zugversuchen und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Das Rasterelektronenmikroskop zeigte auf, das der Grenzflächenzwischenraum von rausgezogenen Fasern sich durch das Herstellen im Intervall-Pressverfahren verbessert hat. Auch zeigte sich, dass beide Arten der Flachs-Verbundwerkstoffe die Schlagzähigkeit der Verbundwerkstoffe erhöht im Vergleich zum puren PLA. Die Zugfestigkeit- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe waren deutlich höher als die der puren PLA und spiegeln die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Die berechnete Kriechneigung im Speichermodul wurde durch die Anwendung des Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzips aufgestellt. Die errechnete Kriechgeschwindigkeit der Flachs-Verbundwerkstoffe war wesentlich geringer als im puren PLA. Polyethylen und Polypropylen/Nanosilikon Dioxid/Flachs-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe hergestellt aus Polylactid (PLA), modifiziertem PLA und Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform von 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) wurden im Pressverfahren hergestellt. Zwei strukturell unterschiedliche Additive wurden verwendet um das PLA zu modifizieren. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstruktur wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und dem computergestütztes Computer-Tomography-System (µCT) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Kriechversuch bestimmt. Das modifizierte PLA und dessen Verbundwerkstoffe zeigten eine Erhöhung der Schlagzähigkeit im Vergleich zum unmodifizierten PLA. Die Einbindung von Flachs verringerte den Widerstand gegenüber thermischer Degradierung und erhöhte die Wasseraufnahme. Die Schlagenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe war deutlich höher als die der PLA aber spiegelt die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen mit Flachsinhalt wieder. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Datenmaterial der Hauptkurve zeigte den Effekt des modifizierten PLAs auf dem Speichermodul deutlich ausgeprägter im Bereich der Niederfrequenz. Polylactide (PLA)/Flachfasertextilgewebe/Böhmit Aluminumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Die textilen Bioverbundwerkstoffe wurden aus flachsfaserverstärkten Poly(Butylen Adipat-Co-Terephtalat) (PBAT) Gewebe und Vlies im Formpressverfahren mit der Folien-Stapelmethode hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften (wie Zugfestigkeit und Steifigkeit, Biegefestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit) der jeweiligen textilen Bioverbundwerkstoffe wurde in Zug-, Biege-, und Schlagtests ermittelt. Die PBAT basierten Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften wurde zwischen reinem PBAT und textilen Verbundwerkstoffen durchgeführt. Der Einfluss der Flachsgewebeformen auf die mechanischen Eigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse zeigten das die Festigkeit der textilen Bioverbundwerkstoffe mit der Webart der Fasern anstieg, signifikant in Bezug auf die Steifigkeit bei einer erhöhten Verdichtung der Fasern. Die 4x4 flachfasergewebten (4-Schussfaden-Windung und 4-Kettfaden-Windung) verstärkten Bioverbundwerkstoffe zeigten die höchste Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu den anderen textilen Bioverbundwerkstoffen und dem puren PBAT. Dieses Resultat wurde der Beschaffenheit der 4x4-flachfasergewebten Webart zugewiesen. Das Aminopropyltriethoxysilan beeinträchtigte die mechanischen Eigenschaften und Wasseraufnahme der entstandenen Verbundlaminate durch Oberflächenkompatibilität zwischen der Flachsfaser und dem PBAT. HYBRIDE VERBUNDWERKSTOFFE Polyethylen/Nanopartikel, natürliche und tierische Verbundwerkstoffe Binäre und ternäre Verbundwerkstoffe, bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Böhmit Aluminumoxid (BA) und verschiedenen natürlichen und tierischen Fasern wie Flachs, Schwammgurke (SG), Palmfaser und Schweinehaar (PH), wurden im Pressverfahren hergestellt. Vorbereitend wurden wasserhaltige BA-Suspensionen auf die HDPE/Flachsmatte gesprüht um nanopartikel/naturfaserverstärkte ternäre Polymer-Verbundwerkstoffe nach dem Trocknen zu erhalten. Die Verteilung der Natur-,Tierfasern und der BA-Partikel in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht und diskutiert. Die thermomechanischen und Spannungsrelaxation-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Stressrelaxationstest (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt) bestimmt. Die HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Es wurde festgestellt, dass alle Verbundwerkstoffsysteme eine Erhöhung der Steifigkeit und Spannungsrelaxation und eine Verminderung der Kerbschlagzähigkeit aufzeigten. Die Spannungsrelaxations-Steifigkeit von Naturfaser-, Tierfaserverbundwerkstoffen war größer im Vergleich zu reinem HDPE. Diese Steifigkeit steig deutlich an mit der Einbindung von BA. Die Hauptkurven der Relaxation wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Die Umkehrung des Findley Potenzgesetzes konnte gut für die Beschreibung der Relaxations-Steifigkeit vs. Zeitüberwachung in allen untersuchten Systemen angewendet werden. Die Einbindung der BA-Partikel erhöhte den Wärmewiderstand, welcher bei höherer Temperatur zu sinken begann im Vergleich zu HDPE/Flachsmatten-Verbundwerkstoff. Der HDPE/Flachsmatte/BA-Verbundwerkstoff konnte die Wasseraufnahme verringern. Polyethylen/Flachs/SiO Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren mit Nanospritztechnik hergestellt. Die SiO2 Schlämme wurden auf beide Oberflächen des Flachsfasergewebes per Hand gesprüht. Die HDPE/ Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe wurden in einer Laborpresse im Pressverfahren mit und ohne Nanospritztechnik hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Der Wärmewiderstand, Steifigkeit- und Zugfestigkeit-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) und Zugversuchen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Aufprallenergie und Steifigkeitswerte der HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe deutlich höher als die des HDPE waren aber die Effekte von Verbundwerkstoffen mit Flachsinhalt widerspiegeln. Die Einbindung von SiO2-Partikeln erhöhte den Widerstand von thermischer Degradierung. Es wurde bestimmt, das das Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe gut anwendbar auf die Umwandlung der Steifigkeit zu Kriechneigungsergebnissen ist. Modifizierte und nicht modifizierte Polylactid (PLA)/Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe Hybride Verbundwerkstoffe aus Polypropylen (PP) oder hoch-dichtem Polyethylen (HDPE), verschiedenen Flachsfasern (unidirektional, biaxial und 2x2 Körper) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren hergestellt. Der ternäre Polymer-Verbundwerkstoff wurde wirkungsvoll durch das Aufbringen von SiO2 Lösemitteln auf die Oberfläche der Flachsfaser hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen PP- und HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurde in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA), Kriech- und Spannungsrelaxations-Tests bestimmt. Es zeigte sich, dass die thermische Zersetzungstemperatur der PP oder HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe durch das Auftragen der SiO2-Partikel ansteigt. Die Aufprallenergie-, Steifigkeit-, Kriechbeständigkeit- und Relaxation-Steifigkeitn-Werte aller Flachs-Verbundwerkstoffe stiegen deutlich an im Vergleich zur PP und HDPE Matrix. Die Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) wurde angewandt um die Kriech- und Relaxation-Steifigkeit für die Verbundwerkstoffe als Funktion der Zeit in Form einer Hauptkurve zu schätzen. Die Aktivierungsenergien aller untersuchten PP und HDPE-Verbundwerkstoffsysteme wurden mit der Arrhenius Gleichung errechnet. Das generalisierte Maxwell Model war gut auf die Spannungsrelaxationsergebnisse anwendbar. Polylactide (PLA)/Flachsfasertextilgewebe/Böhmit Aluminiumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus Polylactid (PLA), Flachfasertextilgewebe (Gewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Böhmit Aluminium (BA) wurden im Pressverfahren hergestellt. Für die Vordispergierung der Aluminiumoxid-Nanopartikel wurde die Spritztechnik angewendet. Die wasserhaltigen Aluminiumoxid-Schlämme wurden durch das Vermischen von Wasser mit wasserdispergierbarem Aluminiumoxid hergestellt. Die Verteilung der Flachsstrukturen und Aluminiumoxid-Partikeln in den Verbundwerkstoffen wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Kurzzeit-Kriechversuchen (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt), thermogravimetrischen Analysen (TGA) und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Es zeigte sich, dass das Einbringen der Aluminiumoxid-Partikel die Wasseraufnahme im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen reduziert. Die Aufprallenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Gemische waren signifikant höher als die des PLA aber spiegelten die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Das Einbringen von Aluminiumoxid-Partikeln verbesserte die Lagerungs-Steifigkeit und die Kriechbeständigkeit im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen, erhöhte allerdings leicht den Wärmewiderstand bei hohen Temperaturen. Kein klarer Trend in der Flachswebart konnte dem Temperaturverhalten zugeordnet werden. Die Kriech-Hauptkurven wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Findley Potenzgesetz konnte zufriedenstellend die Kriechneigung vs. Zeitüberwachung für alle untersuchten Systeme beschreiben. Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat)/Natursisalfaser/Ton-Verbundwerkstoffe Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat) (PHBV) Bioverbundwerkstoffe die Sisalfasern in Längen von 0,25 und 5 mm und Ton-Partikeln enthalten wurden im Heißpressverfahren hergestellt. Die Silan (Bis(Trithoxysilylpropyl)Tetrasulfide) Behandlung wurde für die Modifizierung verwendet um die Eigenschaften von ähnlichen hybriden Verbundwerkstoffen zu verbessern. Alle Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften der jeweiligen hybriden Verbundwerkstoffe wie Zugsteifigkeit und Festigkeit, Zähigkeit und Härte wurden in Zugversuchen, Schlagtests und Härteprüfungen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Zugfestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit von langen Sisalfasern sich mit der Erhöhung des Fasergehalts verbessert. Behandeltes Silan von langen Fasern mit 20 wt.% Belastung zeigte eine Verbesserung der Faser-Zugfestigkeit um 10% und Schlagzähigkeit von 750% im Vergleich zu reinem PHBV. Diese Besonderheit wurde auch von einem Rasterelektronenmikroskop bestätigt. Weiterhin ist die Härte und Wasserbeständigkeit in PHBV/Sisal-Verbundwerkstoffen durch das Einbringen von Ton-Partikeln angestiegen. Die Diffusionskoeffizienten für die untersuchten PHBV- und hybriden Verbundwerkstoffsysteme wurden auch errechnet

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2015.
ENGLISH ABSTRACT: The South African manufacturing industry plays a pivotal role in the growth of its local economy. Modern manufacturing requirements include the ability to respond quickly to product variability, fluctuations in product demand and new process technologies. The reconfigurable manufacturing paradigm has been proposed to meet the demands of the new manufacturing requirements. In order to assess the feasibility of incorporating automated, reconfigurable manufacturing technologies into the production process of thermoplastic fibre-reinforced composite parts, a system, based on the thermoforming process, that implements these technologies was developed and evaluated. The assessment uses a seat pan for commercial aircraft as case study. Aspects that were addressed include the architecture, configuration and control of the system. The architecture and configuration addressed the sheet cutting, fixturing, reinforcing, heating, forming, quality assurance and transportation. The control, implemented using agents and based on the ADACOR holonic reference architecture, addresses the cell control requirements of the thermoforming process. An evaluation of the system’s reconfigurability and throughput is performed using KUKA Sim Pro. The evaluation of the system’s throughput is compared to the predicted throughput of the conventional technique for manufacturing thermoplastic fibre reinforced composite parts in a thermoforming process. The evaluation of the system’s performance show that the system designed in this thesis for the manufacture of a thermoplastic fibre-reinforced composite seat pan sports a significant advantage in terms of throughput rate, which demonstrates its technical feasibility. The evaluation of the system’s reconfigurability show that, through its ability to handle new hardware and product changes, it exhibits the reconfigurability characteristics of modularity, convertibility, integrability and scalability.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Suid-Afrikaanse vervaardigingsbedryf speel 'n sentrale rol in die groei van die plaaslike ekonomie. Moderne vervaardiging vereistes sluit in die vermoë om vinnig te reageer op die produk veranderlikheid, skommelinge in die produk aanvraag en nuwe proses tegnologieë. Die herkonfigureerbare vervaardiging paradigma is voorgestel om te voldoen aan die nuwe produksie vereistes. Ten einde die uitvoerbaarheid van die integrasie van outomatiese, herkonfigureerbare vervaardiging-tegnologieë in die produksieproses van veselversterkte saamgestelde onderdele te evalueer, is 'n stelsel, gebaseer op die termo-vormingsproses, wat sulke tegnologieë implementeer, ontwikkel. Die assessering gebruik 'n sitplek pan vir kommersiële vliegtuie as gevallestudie. Aspekte wat aangespreek is sluit in die argitektuur, konfigurasie en beheer van die vervaardigingstelsel. Die argitektuur en konfigurasie spreek aan die sny, setmate, versterking, verwarming, vorm, gehalteversekering en vervoer van n veselversterkte saamgestelde sitplek pan in 'n termo-vormingsproses. Die beheer, geïmplementeer deur die gebruik van agente en gebaseer op die ADACOR holoniese verwysing argitektuur, spreek die selbeheervereistes van die termo-vormingsproses aan. 'n Evaluering van die stelsel se herkonfigureerbaarheid en deurvoer word gedoen met die behulp van KUKA Sim Pro. Die evaluering van die stelsel se deurvoer word vergelyk met die deurvoer van die konvensionele vervaardigingsproses vir termoplastiese vessel-versterkte saamgestelde onderdele in 'n termo-vormingsproses. Die evaluering van die stelsel se prestasie toon dat die stelsel wat in hierdie tesis ontwerp is vir die vervaardiging van 'n termoplastiese vessel-versterkte saamgestelde sitplek pan, hou 'n beduidende voordeel, in terme van deurvloeikoers, in wat die stelsel se tegniese haalbaarheid toon. Die evaluering van die stelsel se herkonfigureerbaarheid wys dat, deur middel van sy vermoë om nuwe hardeware en produk veranderinge te hanteer, die stelsel herkonfigureerbare einskappe van modulariteit, inwisselbaarheid, integreerbaarheid en skaalbaarheid vertoon.

This work is concerned with preliminary studies on developing thermoplastic composite materials suitable for use in fused deposition modeling (FDM). Polypropylene (PP) strands reinforced with continuous thermotropic liquid crystalline polymer (TLCP) fibrils were generated in a novel dual extruder process. Strands were then re-extruded to form short fiber composite monofilaments that were used as feed stock in the FDM 1600 rapid prototyping system. Prototypes containing 40 wt% Vectra A were shown to have tensile properties twice those of parts built using acrylonitrile butadiene styrene copolymer (ABS), a commercially available material used in the FDM 1600 rapid prototyping system. It was also shown that the final mechanical properties of a composite prototype can be tailored to a specific application by adjusting the lay-down pattern, increasing the functionality of the prototype. In order to obtain the maximum tensile properties in these composite prototype, additional studies were performed to determine the effects of thermal and deformation histories on the mechanical properties of monofilaments that were re-extruded from long fiber TLCP reinforced strands. Strands were consolidated uniaxially at temperatures just above the melting point of the matrix in order to determine the effects of thermal history, and an approximate 20% reduction in tensile modulus relative to the modulus of the strands was observed. Monofilaments that could be used as feed stock in FDM were extruded from long fiber TLCP reinforced strands using a capillary rheometer in order to study the effects of capillary diameter, capillary L/D, and apparent shear rate on the tensile properties.
Master of Science

Biocomposites made from biodegradable polymer as matrix and natural fiber as reinforcement are certainly environmentally friendly materials. Both constituent materials are fully biodegradable and do not leave any noxious components on Earth. The natural fibers have been used as reinforcement due to their advantages compared to glass fibers such as low cost, high specific strength and modulus, low density, renewability and biodegradability. Major aims of this work were to produce natural fibers and/or nanoparticles with polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polylactide (PLA), poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) matrices and determine their structure-property relationships. Following abstracts of the present research work are manifold: BINARY COMPOSITES Polylactide (PLA)/flax mat composites The polylactide (PLA)/flax mat and modified PLA/flax mat composites were produced by hot press technique. Two additives of non-regulated wax/ethylene acrylate copolymer/butyl acrylate and acrylic were used as modifier for PLA. The dispersion of the flax mat in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical and thermal properties of the composites were determined in tensile test, thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the PLA based composites increased the impact resistance. The tensile strength value of modified PLA/flax mat composite decreased slightly compared to the PLA. The elongation at break data indicated that an improvement in ductility of modified PLA and its composites. Moreover, addition of thermal modifier enhanced thermal resistance below processing temperature of PLA and had a marginal effect on the glass transition temperature of PLA. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The principle of linear viscoelastic material was fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance for all systems studied. Polylactide (PLA)/woven flax textiles composites The polylactide (PLA)/woven flax textiles 2x2 twill and 4x4 hopsack composites were produced by interval hot press technique. Two weave styles of flax used to reinforce in PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was inspected in scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The mechanical properties (tensile, stiffness and strength) of the composites were determined in tensile and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) tests, respectively. SEM observed that the interfacial gaps around pulled-out fibers were improved when produced by the interval hot press. It was also found that the both styles of flax composites increased the impact resistance compared to the neat PLA. The tensile strength and stiffness value of PLA/flax composites were markedly higher than that of the neat PLA and reflect the effects of composite structures. The calculated storage creep compliance was constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The calculated creep response of these flax composites was much lower than that of the neat PLA. Polyethylene and polypropylene/nano-silicon dioxide/flax composites Composites composed of polylactide (PLA), modified PLA and woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) were produced by hot press technique. Two structurally different additives used to modify PLA. The dispersion of the flax composite structures in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and computed microtomography system (µCT). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The thermomechanical and creep properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA)and short-time creep tests, respectively. It was found that the modified PLA and its composite increased the impact resistance compared to the unmodified PLA. Incorporation of flax decreased resistance to thermal degradation and increased water uptake. The impact energy and stiffness value of PLA/flax composites was markedly higher than that of PLA but reflect the effects of composite structures and flax content. The storage modulus master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. From the master curve data, the effect of modified PLA on the storage modulus was more pronounced in the low frequencies range. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites The textile biocomposites made from woven and non-woven flax fibre reinforced poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) were prepared by compression moulding using film stacking method. The mechanical properties (such as tensile strength and stiffness, flexural strength and modulus, and impact strength) of textile biocomposites were determined in tensile, flexural and impact tests, respectively. The PBAT-based composites were subjected to water absorption. The comparison of the mechanical properties was made between pure PBAT and textile composites. The influence of flax weave styles on the mechanical properties was also evaluated. The results showed that the strength of the textile biocomposites was increased according to weave types of fibers, especially in the stiffness was significantly increased with the higher densification of the fibers. The 4x4-plain woven fibers (4-yard-wrap and 4-yard-weft weave direction) reinforced biocomposite indicated the highest strength and stiffness compared to the other textile biocomposites and pure PBAT. This was considered to be as the result of the character of weave style of 4x4-plain woven fibers. The aminopropyltriethoxysilane affected the mechanical properties and water absorption of the resulting composites laminates due to the surface compatibility between flax fiber and PBAT. HYBRID COMPOSITES Polyethylene/nanoparticle, natural and animal composites Binary and ternary composites composed of high-density polyethylene (HDPE), boehmite alumina (BA) and different kinds of natural-, animal fibers, like flax, sponge gourd (SG), palm and pig hair (PH) were produced by hot press technique. Aqueous BA suspensions were sprayed on the HDPE/flax mat to prepare nanoparticle/natural fiber reinforced ternary polymer composites followed by drying. The dispersion of the natural-, animal fibers and BA particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM) and discussed. The thermomechanical and stress relaxation properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and short-time stress relaxation tests (performed at various temperatures), respectively. The HDPE based composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. It was found that the all composites systems increased the stiffness, stress relaxation and reduced the impact toughness. The stress relaxation modulus of natural-, animal fiber composites were higher compared to that of the neat HDPE. This modulus increased greatly with in corporation of BA. The relaxation master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The inverse of Findley power law could fairly applicable to describe the relaxation modulus vs. time traces for all systems studied. Incorporation of BA particles enhanced the thermal resistance which started to degrade at higher temperature compared to the HDPE/flax mat composite. The HDPE/flax mat/BA composite could reduce the water uptake. Polyethylene/Flax/SiO2 Composites Composites composed of high-density polyethylene (HDPE), woven flax fiber textiles (Flax weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press with nano spraying technique. The SiO2 slurries were sprayed by a hand onto the both surface of the woven flax fiber. The HDPE /woven flax fibers composites with and without used nano-spraying technique were produced by hot pressing in a laboratory press. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal resistance, stiffness and tensile strength properties of the composites were determined in thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA) and tensile tests, respectively. It was found that the impact energy and stiffness value of HDPE/flax composites was markedly higher than that of HDPE but reflect the effects of composite structures and flax content. Incorporation of SiO2 particles enhanced resistance to thermal degradation. It was established that the linear viscoelastic material principle are fairly applicable to convert from the modulus to the creep compliance results. Un- and Modified Polylactide (PLA) /woven Flax Fiber composites Hybrid composites composed of polypropylene (PP) or high-density polyethylene (HDPE), different flax fibers (unidirectional-, biaxial and twill2x2) and silicon dioxide (SiO2) were produced by hot press technique. The ternary polymer composite was effectively fabricated by spraying SiO2 solvents onto the surface of flax fiber. The dispersion of SiO2 particles and flax in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The related PP and HDPE based composites were subjected to instrumented falling weight impact test. The thermal and mechanical properties of the composites were determined by thermogravimetric analysis (TGA), dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), creep and stress relaxation tests, respectively. It was found that thermal decomposition temperature of the PP or HDPE/flax composites increased by the addition of SiO2 particles. The impact energy, stiffness, creep resistance and relaxation modulus value of all flax composites increased markedly compared to the PP and HDPE matrix. Time–temperature superposition (TTS) was applied to estimate the creep and relaxation modulus of the composites as a function of time in the form of a master curve. The activation energies for the all PP and HDPE composites systems studied were also calculated by using the Arrhenius equation. The generalized Maxwell model was fairly applicable to the stress relaxation results. Polylactide (PLA)/woven flax fiber textiles/boehmite alumina (BA) composites Composites composed of polylactide (PLA), woven flax fiber textiles (weave style of 2x2 twill and 4x4 hopsack) and boehmite alumina (BA) were produced by hot press. The spraying technique served for the pre-dispersion of the alumina nanoparticles. The aqueous alumina slurry was produced by mixing the water with water dispersible alumina. The dispersion of the flax structures and alumina particles in the composites was studied by scanning electron microscopy (SEM). The PLA composites were subjected to water absorption and instrumented falling weight impact tests. The creep and thermomechanical properties of the composites were determined in short-time creep tests (performed at various temperatures), thermogravimetric analysis (TGA) and dynamic-mechanical thermal analysis (DMTA), respectively. It was found that the incorporation of alumina particles reduced the water uptake compared to the PLA/flax blends. The impact energy and stiffness value of PLA/flax blends was markedly higher than that of PLA but reflected the effects of composite structures. Incorporation of alumina particles enhanced storage modulus and the creep resistance compared to the PLA/flax blends but slightly incremented thermal resistance at high temperature. No clear trend in the flax weave style- effect was found in the thermal behaviour. The creep master curves were constructed by applying the time-temperature superposition (TTS) principle. The Findley power law could satisfactorily describe the creep compliance vs. time traces for all systems studied. Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)/sisal natural fiber/clay composites Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate)(PHBV) biocomposites different sisal containing with the fiber length of 0.25 and 5 mm, and addition of clay particles were prepared by hot compression technique. Silane (Bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide) treatment has been used to modify in order to enhance the properties of related hybrid composites. The all composites were subject to water absorption test. The mechanical properties of hybrid composites such as tensile stiffness and strength, toughness and hardness determined in tensile, impact and hardness tests, respectively. It was found that tensile strength, stiffness and impact strength of long sisal fiber improved with increasing fiber content. Hardness of short sisal fiber improved with increasing fiber content. Treated Silane of long fibers at 20 wt.% loading was found to enhance the tensile strength fiber by 10% and impact strength by 750% as compared to the neat PHBV. Note that this feature was also confirmed by the appearance of a scanning electron microscopy. Moreover, the hardness and water resistance of the PHBV/sisal composites increased by the addition of clay particles. The diffusion coefficient for the PHBV and hybrid composites systems studied were also calculated.
Bioverbundwerkstoffe aus biologisch abbaubarem Polymer als Matrix und Naturfasern als Verstärkung sind ohne weiteres umweltfreundliche Materialien. Beide Bestandsmaterialien sind vollständig biologisch abbaubar und hinterlassen keine schädlichen Bestandteile auf der Erde zurück. Die als Verstärkung verwendeten Naturfasern wurden aufgrund ihrer Vorteile gegenüber Glasfasern, wie z.B. geringe Kosten, hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, geringe Dichte, Erneuerbarkeit und Kompostierbarkeit ausgesucht. Der Hauptfokus dieser Arbeit lag darin Naturfasern und/oder Nanopartikel mit Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und Polylactid (PLA) herzustellen, sowie Poly-Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat (PHBV) Matrizen und deren Struktur-Eigenschaft-Verhältnis zu bestimmen. Die folgenden Kurzfassungen der vorliegenden Forschungsarbeit sind vielfältig: BINÄRE VERBUNDWERKSTOFFE Polylactid (PLA)/ Flachsmatten-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachsmatte und modifizierte PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe wurden im Pressverfahren hergestellt. Als Modifikator für das PLA wurden zwei nicht regulierte Wachs/Ethylen-Acrylat-Copolymer/Butyl-Acrylat und Acryl Additive verwendet. Die Verteilung der Flachsmatte in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden im Zugversuch, der thermogravimetrische Analyse (TGA) und der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) jeweils bestimmt. Es zeigte sich, dass die PLA/Flachsmatten-basierten Verbundwerkstoffe eine erhöhte Schlagzähigkeit aufwiesen. Die Zähigkeitswerte der modifizierten PLA/Flachsmatten-Verbundwerkstoffe waren leicht verringert im Vergleich zum PLA. Die Bruchdehnungswerte zeigten eine Verbesserung der Verformbarkeit des modifizierten PLAs und dessen Verbundwerkstoffe. Nach Zugabe eines Wärme-Modifikators verbesserte sich der Wärmewiderstand auf unter Verarbeitungstemperatur des PLA und hatte nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Glasübergangstemperatur des PLA. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit der Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) aufgestellt. Auf alle untersuchten Systeme konnte das dafür gut geeignete Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe angewendet werden um die Steifigkeit in die Kriechneigung umzuwandeln. Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe-Verbundwerkstoffe Die Polylactid (PLA)/Flachstextilgewebe 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung-Verbundwerkstoffe wurden im Intervall-Pressverfahren hergestellt. Das PLA wurde mit zwei Flachsgewebeformen verstärkt. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstrukturen in den Verbundwerkstoffen wurde mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Steifigkeit und Festigkeit) der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Zugversuchen und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Das Rasterelektronenmikroskop zeigte auf, das der Grenzflächenzwischenraum von rausgezogenen Fasern sich durch das Herstellen im Intervall-Pressverfahren verbessert hat. Auch zeigte sich, dass beide Arten der Flachs-Verbundwerkstoffe die Schlagzähigkeit der Verbundwerkstoffe erhöht im Vergleich zum puren PLA. Die Zugfestigkeit- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe waren deutlich höher als die der puren PLA und spiegeln die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Die berechnete Kriechneigung im Speichermodul wurde durch die Anwendung des Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzips aufgestellt. Die errechnete Kriechgeschwindigkeit der Flachs-Verbundwerkstoffe war wesentlich geringer als im puren PLA. Polyethylen und Polypropylen/Nanosilikon Dioxid/Flachs-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe hergestellt aus Polylactid (PLA), modifiziertem PLA und Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform von 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) wurden im Pressverfahren hergestellt. Zwei strukturell unterschiedliche Additive wurden verwendet um das PLA zu modifizieren. Die Verteilung der Flachs-Verbundwerkstoffstruktur wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und dem computergestütztes Computer-Tomography-System (µCT) untersucht. Die PLA Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Kriechversuch bestimmt. Das modifizierte PLA und dessen Verbundwerkstoffe zeigten eine Erhöhung der Schlagzähigkeit im Vergleich zum unmodifizierten PLA. Die Einbindung von Flachs verringerte den Widerstand gegenüber thermischer Degradierung und erhöhte die Wasseraufnahme. Die Schlagenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Verbundwerkstoffe war deutlich höher als die der PLA aber spiegelt die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen mit Flachsinhalt wieder. Die Hauptkurve des Speichermoduls wurde mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Datenmaterial der Hauptkurve zeigte den Effekt des modifizierten PLAs auf dem Speichermodul deutlich ausgeprägter im Bereich der Niederfrequenz. Polylactide (PLA)/Flachfasertextilgewebe/Böhmit Aluminumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Die textilen Bioverbundwerkstoffe wurden aus flachsfaserverstärkten Poly(Butylen Adipat-Co-Terephtalat) (PBAT) Gewebe und Vlies im Formpressverfahren mit der Folien-Stapelmethode hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften (wie Zugfestigkeit und Steifigkeit, Biegefestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit) der jeweiligen textilen Bioverbundwerkstoffe wurde in Zug-, Biege-, und Schlagtests ermittelt. Die PBAT basierten Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Der Vergleich der mechanischen Eigenschaften wurde zwischen reinem PBAT und textilen Verbundwerkstoffen durchgeführt. Der Einfluss der Flachsgewebeformen auf die mechanischen Eigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse zeigten das die Festigkeit der textilen Bioverbundwerkstoffe mit der Webart der Fasern anstieg, signifikant in Bezug auf die Steifigkeit bei einer erhöhten Verdichtung der Fasern. Die 4x4 flachfasergewebten (4-Schussfaden-Windung und 4-Kettfaden-Windung) verstärkten Bioverbundwerkstoffe zeigten die höchste Festigkeit und Steifigkeit im Vergleich zu den anderen textilen Bioverbundwerkstoffen und dem puren PBAT. Dieses Resultat wurde der Beschaffenheit der 4x4-flachfasergewebten Webart zugewiesen. Das Aminopropyltriethoxysilan beeinträchtigte die mechanischen Eigenschaften und Wasseraufnahme der entstandenen Verbundlaminate durch Oberflächenkompatibilität zwischen der Flachsfaser und dem PBAT. HYBRIDE VERBUNDWERKSTOFFE Polyethylen/Nanopartikel, natürliche und tierische Verbundwerkstoffe Binäre und ternäre Verbundwerkstoffe, bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Böhmit Aluminumoxid (BA) und verschiedenen natürlichen und tierischen Fasern wie Flachs, Schwammgurke (SG), Palmfaser und Schweinehaar (PH), wurden im Pressverfahren hergestellt. Vorbereitend wurden wasserhaltige BA-Suspensionen auf die HDPE/Flachsmatte gesprüht um nanopartikel/naturfaserverstärkte ternäre Polymer-Verbundwerkstoffe nach dem Trocknen zu erhalten. Die Verteilung der Natur-,Tierfasern und der BA-Partikel in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop untersucht und diskutiert. Die thermomechanischen und Spannungsrelaxation-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in der thermogravimetrischen Analyse (TGA), der dynamisch mechanischen Thermoanalyse (DMTA) und dem Kurzzeit-Stressrelaxationstest (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt) bestimmt. Die HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Es wurde festgestellt, dass alle Verbundwerkstoffsysteme eine Erhöhung der Steifigkeit und Spannungsrelaxation und eine Verminderung der Kerbschlagzähigkeit aufzeigten. Die Spannungsrelaxations-Steifigkeit von Naturfaser-, Tierfaserverbundwerkstoffen war größer im Vergleich zu reinem HDPE. Diese Steifigkeit steig deutlich an mit der Einbindung von BA. Die Hauptkurven der Relaxation wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Die Umkehrung des Findley Potenzgesetzes konnte gut für die Beschreibung der Relaxations-Steifigkeit vs. Zeitüberwachung in allen untersuchten Systemen angewendet werden. Die Einbindung der BA-Partikel erhöhte den Wärmewiderstand, welcher bei höherer Temperatur zu sinken begann im Vergleich zu HDPE/Flachsmatten-Verbundwerkstoff. Der HDPE/Flachsmatte/BA-Verbundwerkstoff konnte die Wasseraufnahme verringern. Polyethylen/Flachs/SiO Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus hoch dichtem Polyethylen (HDPE), Flachsfasertextilgewebe (Flachsgewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren mit Nanospritztechnik hergestellt. Die SiO2 Schlämme wurden auf beide Oberflächen des Flachsfasergewebes per Hand gesprüht. Die HDPE/ Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe wurden in einer Laborpresse im Pressverfahren mit und ohne Nanospritztechnik hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Der Wärmewiderstand, Steifigkeit- und Zugfestigkeit-Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) und Zugversuchen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Aufprallenergie und Steifigkeitswerte der HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe deutlich höher als die des HDPE waren aber die Effekte von Verbundwerkstoffen mit Flachsinhalt widerspiegeln. Die Einbindung von SiO2-Partikeln erhöhte den Widerstand von thermischer Degradierung. Es wurde bestimmt, das das Prinzip der linear viskoelastischen Werkstoffe gut anwendbar auf die Umwandlung der Steifigkeit zu Kriechneigungsergebnissen ist. Modifizierte und nicht modifizierte Polylactid (PLA)/Flachsfasergewebe-Verbundwerkstoffe Hybride Verbundwerkstoffe aus Polypropylen (PP) oder hoch-dichtem Polyethylen (HDPE), verschiedenen Flachsfasern (unidirektional, biaxial und 2x2 Körper) und Siliziumdioxid (SiO2) wurden im Pressverfahren hergestellt. Der ternäre Polymer-Verbundwerkstoff wurde wirkungsvoll durch das Aufbringen von SiO2 Lösemitteln auf die Oberfläche der Flachsfaser hergestellt. Die Verteilung der SiO2-Partikel und des Flachs in den Verbundwerkstoffen wurde unter dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die ähnlichen PP- und HDPE-basierten Verbundwerkstoffe wurden dem instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstest unterzogen. Die thermischen und mechanischen Eigenschaften der respektiven Verbundwerkstoffe wurde in thermogravimetrischen Analysen (TGA), dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA), Kriech- und Spannungsrelaxations-Tests bestimmt. Es zeigte sich, dass die thermische Zersetzungstemperatur der PP oder HDPE/Flachs-Verbundwerkstoffe durch das Auftragen der SiO2-Partikel ansteigt. Die Aufprallenergie-, Steifigkeit-, Kriechbeständigkeit- und Relaxation-Steifigkeitn-Werte aller Flachs-Verbundwerkstoffe stiegen deutlich an im Vergleich zur PP und HDPE Matrix. Die Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) wurde angewandt um die Kriech- und Relaxation-Steifigkeit für die Verbundwerkstoffe als Funktion der Zeit in Form einer Hauptkurve zu schätzen. Die Aktivierungsenergien aller untersuchten PP und HDPE-Verbundwerkstoffsysteme wurden mit der Arrhenius Gleichung errechnet. Das generalisierte Maxwell Model war gut auf die Spannungsrelaxationsergebnisse anwendbar. Polylactide (PLA)/Flachsfasertextilgewebe/Böhmit Aluminiumoxid (BA)-Verbundwerkstoffe Verbundwerkstoffe bestehend aus Polylactid (PLA), Flachfasertextilgewebe (Gewebeform 2x2 Körper und 4x4 Gewebe mit Leinwandbindung) und Böhmit Aluminium (BA) wurden im Pressverfahren hergestellt. Für die Vordispergierung der Aluminiumoxid-Nanopartikel wurde die Spritztechnik angewendet. Die wasserhaltigen Aluminiumoxid-Schlämme wurden durch das Vermischen von Wasser mit wasserdispergierbarem Aluminiumoxid hergestellt. Die Verteilung der Flachsstrukturen und Aluminiumoxid-Partikeln in den Verbundwerkstoffen wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht. Die PLA-Verbundwerkstoffe wurden Wasseraufnahme- und instrumentalisierten Fallgewichtsschlagzähigkeitstests unterzogen. Die Kriech- und thermomechanischen Eigenschaften der jeweiligen Verbundwerkstoffe wurden in Kurzzeit-Kriechversuchen (bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt), thermogravimetrischen Analysen (TGA) und dynamisch mechanischen Thermoanalysen (DMTA) bestimmt. Es zeigte sich, dass das Einbringen der Aluminiumoxid-Partikel die Wasseraufnahme im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen reduziert. Die Aufprallenergie- und Steifigkeitswerte der PLA/Flachs-Gemische waren signifikant höher als die des PLA aber spiegelten die Effekte von Verbundwerkstoffstrukturen wieder. Das Einbringen von Aluminiumoxid-Partikeln verbesserte die Lagerungs-Steifigkeit und die Kriechbeständigkeit im Vergleich zu PLA/Flachs-Gemischen, erhöhte allerdings leicht den Wärmewiderstand bei hohen Temperaturen. Kein klarer Trend in der Flachswebart konnte dem Temperaturverhalten zugeordnet werden. Die Kriech-Hauptkurven wurden mit dem Zeit-Temperatur-Überlagerung (TTS) Prinzip aufgestellt. Das Findley Potenzgesetz konnte zufriedenstellend die Kriechneigung vs. Zeitüberwachung für alle untersuchten Systeme beschreiben. Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat)/Natursisalfaser/Ton-Verbundwerkstoffe Poly(Hydroxybutyrat-Co-Hydroxyvalerat) (PHBV) Bioverbundwerkstoffe die Sisalfasern in Längen von 0,25 und 5 mm und Ton-Partikeln enthalten wurden im Heißpressverfahren hergestellt. Die Silan (Bis(Trithoxysilylpropyl)Tetrasulfide) Behandlung wurde für die Modifizierung verwendet um die Eigenschaften von ähnlichen hybriden Verbundwerkstoffen zu verbessern. Alle Verbundwerkstoffe wurden dem Wasseraufnahmetest unterzogen. Die mechanischen Eigenschaften der jeweiligen hybriden Verbundwerkstoffe wie Zugsteifigkeit und Festigkeit, Zähigkeit und Härte wurden in Zugversuchen, Schlagtests und Härteprüfungen bestimmt. Es zeigte sich, dass die Zugfestigkeit, Steifigkeit und Schlagzähigkeit von langen Sisalfasern sich mit der Erhöhung des Fasergehalts verbessert. Behandeltes Silan von langen Fasern mit 20 wt.% Belastung zeigte eine Verbesserung der Faser-Zugfestigkeit um 10% und Schlagzähigkeit von 750% im Vergleich zu reinem PHBV. Diese Besonderheit wurde auch von einem Rasterelektronenmikroskop bestätigt. Weiterhin ist die Härte und Wasserbeständigkeit in PHBV/Sisal-Verbundwerkstoffen durch das Einbringen von Ton-Partikeln angestiegen. Die Diffusionskoeffizienten für die untersuchten PHBV- und hybriden Verbundwerkstoffsysteme wurden auch errechnet.

The braided fabrics are one of the typical textiles and have been expected to be an excellent performs for the reinforcements of composite materials. Fig.1 shows schematic drawing of a braided fabric. Braided fabrics are composed of Braided Yarns (BY) oriented diagonally and Middle End Yarns (MEY) inserted into the fabric in longitudinal direction. In previous study, it was clarified that the internal structures for the braided fabric were decided with 4 parameters; area and cross-sectional shape of braiding yarns, the braiding angle and distance between braiding yarns. And it have been suggested that internal structural parameters for braided fabric reinforced composites with thermo-setting resin are possible to be predicted. However in the case of braided composites with thermoplastic resin, impregnation mechanism of thermoplastic resin with solid state is completely different from that of thermosetting resin with liquid state. In order to predict internal structures of braided composites with thermoplastic resin, it is necessary to investigate the impregnation process or mechanism of thermoplastic resin in to fiber bundles apply enough heat on thermoplastic resin to be liquid state for good impregnation especially in the case of intermediate material such as comingled yarn, and etc. The purpose of this study is to predict the relationship between dimensional and internal structural parameters for braided fabric reinforced thermoplastic composite. The braided fabric was fabricated with intermediate material such as commingled yarns. During molding with heat and pressure, effect of molding time on the mechanism of impregnation and internal structural parameters were investigated.

Carbon fiber composites are getting more and more widely used in aeronautics and astronautics, vessels, blades of wind turbine generators and so on. In this study, carbon fabric as reinforcement and thermoplastic and thermosetting resin as matrix were used to manufacture carbon fiber prepreg to mold the unidirectional carbon fiber sheet composite (Carbon/PA6 and Carbon/Epoxy). Specially, the multi-tensile tests of 90 degree carbon fiber sheet composite specimens with 150 mm gage length were carried out. After the 1st trial, the longer part of the fracture specimen was chosen as the experimental specimen of 2nd trial tensile test. Similarly, the 3rd trial was investigated. The mechanical properties of 90 specimens including tensile strength, elastic modulus and ultimate stain of polished specimens were investigated in the primary research. Then, the effect of trial on the mechanical properties, the comparison of failure probability distribution of ultimate strain of trials, the relation between gage length and tensile strength, tensile strength and ultimate strain were discussed according to the multi-tensile test result of each specimen. Additionally, the interfacial properties were discussed based on the SEM observation on the fracture surface.

Polymer composites are an excellent alternative to replace more traditional materials in the fabrication of pressure cylinders for common applications. They minimize the weight and improve the mechanical, impact and corrosion behavior, which are relevant characteristics for almost all current and future large scale pressure cylinder applications, such as liquid filters and accumulators, hydrogen cell storage vessels, oxygen bottles, etc. A new generation of composite pressure vessels has been studied in this work. The vessels consist on a thermoplastic liner wrapped with a filament winding glass fiber reinforced polymer matrix structure. A conventional 6-axis CNC controlled filament winding equipment was used to manufacture the thermosetting matrix composite vessels and adapted for production of thermoplastic matrix based composite vessels. The Abaqus 6.4.2 FEM package was used to predict the mechanical behavior of pressure vessels with capacity of approximately of 0.068 m3 (68 liters) for a 0.6 MPa (6 bar) pressure service condition according to the requirements of the EN 13923 standard, namely, the minimum internal burst pressure. The Tsai-Wu and von-Mises criteria were used to predict composite laminate and thermoplastic liner failures, respectively, considering the elasto-plastic behavior of the HDPE liner and the lamina properties deducted from the micromechanical models for composite laminates. Finally, the results obtained from the simulations were compared with those obtained from the experimental pressure tests made on the thermoplastic liners and final composite vessels.

Over the past decade, there has been an increased demand for products manufactured using sustainable materials. Natural fiber composites are seen as an excellent replacement for synthetic fiber composites due to their low density, good mechanical properties (stiffness), good thermal/acoustic insulation properties and environmental benefits (waste stream utilization and low carbon footprint). While there has been a considerable number of studies examining the short-term behavior of natural fiber composites, very limited work has been done to characterize their long-term durability under cyclic loading. In this study, the fatigue behavior of a natural fiber reinforced thermoplastic composite material was investigated. Cyclic fatigue experiments were conducted on hemp fiber reinforced high density polyethylene (HDPE) at various fiber volume fractions, and under both dry and wet ambient conditions. Using a stress level concept, a generalized model was developed to predict the fatigue life of the various composite formulations tested. The concept of pseudo-plastic flow was incorporated in the fatigue model to form a new model, which is capable of simulating fatigue behavior at different frequencies, fatigue stress ratios and volume fractions.