Wear behavior study of glass fiber and organic clay reinforced poly-phenylene-sulfide (PPS) composites material

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. This study investigates the influence of key operating parameters (load, sliding velocity, and sliding distance) on the wear behavior of composites made of 40 % glass fiber and polyphenylene sulphide (PPS), with varying weight fractions of bentonite clay. The main purpose was to evaluate how different experimental conditions affect the wear characteristics. To achieve this, experiments were conducted using a Taguchi L9 orthogonal array at three levels of complexity. The tribological tests were performed on a pin-on-disc setup, following ASTM G99 standards, with six material samples containing different weight fractions of bentonite clay. The results show that wear of the original (virgin) sample increases with an increase in the applied average load. In contrast, samples containing bentonite clay exhibit a decrease in wear with increasing average load. Furthermore, an increase in the bentonite clay content leads to a significant reduction in wear, but a further increase to 7 % clay results in a noticeable increase in wear values. Research Methods. This study investigates the effect of load, sliding velocity, and weight fraction of bentonite clay on the wear and coefficient of friction (COF) of a composite material. Composite samples with varying clay content were tested using a pin-on-disc setup, and wear and COF were measured as dependent parameters. Scanning electron microscopy (SEM) was used to analyze the wear surfaces after testing to reveal the influence of independent parameters on wear mechanisms and surface morphology. The results revealed important trends in the friction and wear behavior under different conditions. Comparative analysis provided insights into optimizing the tribological performance of the material by balancing load, velocity, and clay content. Result and Discussion. This study investigates the effect of bentonite clay addition on the wear behaviour of PPS + GF composites. The findings reveal that wear decreases by up to 3 % with an increase in the weight percentage of bentonite clay, but increases again with a further increase in clay content. It is noted that a higher weight fraction of bentonite clay leads to an increase in the specific wear rate and a decrease in the coefficient of friction due to the manifestation of an abrasive wear mechanism caused by clay agglomeration. Conversely, a lower clay weight fraction promotes a reduction in the wear rate while increasing the coefficient of friction.This work intends to address the dual challenge of performance optimization and cost reduction in friction and wear applications. The need of the work. The purpose of this research is to develop an organic polymer composite that exhibits both high performance and cost-effectiveness. One of the key objectives is to create such a composite material using bentonite clay, an organic and readily available material that can be sourced at a low cost. This will enable the production of a competitively priced composite without compromising quality. Another goal of the research is to replace existing friction materials in brake and clutch systems with the newly developed composite, potentially improving its performance and durability. Furthermore, this work aims to create a composite material suitable for use in sliding bearings, particularly those operating in corrosive environments. Such a composite should possess increased resistance to chemical degradation, ensuring an extended lifespan and reliability under severe operating conditions.

About the authors

V. Bhanavase

Email: vlbhanavase@sinhgad.edu
ORCID iD: 0000-0002-2268-2693
Ph.D. (Engineering), Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, vlbhanavase@sinhgad.edu

B. Jogi

Email: bfjogi@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0000-0003-2099-7533
Professor, Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, bfjogi@dbatu.ac.in

Y. Dama

Email: yogirajdama@dbatu.ac.in
ORCID iD: 0009-0008-5404-4347
Dr. Babasaheb Ambedkar Technological University, Lonere, Raigad, Maharashtra, 402103, India, yogirajdama@dbatu.ac.in

References

  1. Tribological Investigations of Hemp Reinforced NAO Brake Friction Polymer Composites with Varying Percentage of Resin Loading / M. Naidu, A. Bhosale, M. Gaikwad, S. Salunkhe, R. Cep, E. Abouel Nasr // Frontiers in Materials. – 2024. – Vol. 11. – doi: 10.3389/fmats.2024.1348265.
  2. Wear and friction analysis of brake pad material using natural hemp fibers / M. Naidu, A. Bhosale, Y. Munde, S. Salunkhe, H.M.A. Hussein // Polymers. – 2023. – Vol. 15 (1). – doi: 10.3390/polym15010188.
  3. Characterisation of interfacial properties between fibre and polymer matrix in composite materials – a critical review / S. Huang, Q. Fu, L. Yan, B. Kasal // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 13. – P. 1441–84. – doi: 10.1016/j.jmrt.2021.05.076.
  4. High-performance polyphenylene sulfide composites with ultra-high content of glass fiber fabrics / L. Zhao, Y. Yu, H. Huang, X. Yin, J. Peng, J. Sun, L. Huang, Y. Tang, L. Wang // Composites, Part B: Engineering. – 2019. – Vol. 174. – P. 106790. – doi: 10.1016/j.compositesb.2019.05.001.
  5. Niu F., He R., Li J. Effects of clay and surface plasma-treated carbon fiber on wear behavior of thermoplastic POM composites // Surface and Interface Analysis. – 2018. – Vol. 50 (1). – P. 96–100. – doi: 10.1002/sia.6342.
  6. Effect of clay content on the morphological, thermo-mechanical and chemical resistance properties of propionic anhydride treated jute fiber/polyethylene/nanoclay nanocomposites / F. Md Hossen, S. Hamdan, R. Md Rahman, S. Md Islam, F.K. Liew, J.C.H. Lai, M. Md Rahman // Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. – 2016. – Vol. 90. – P. 404–411. – doi: 10.1016/j.measurement.2016.05.006.
  7. Fabrication of modified MMT/Glass/Vinylester multiscale composites and their mechanical properties / G. Mittal, V. Dhand, J.I. Ryu, K.Y. Rhee, H.-J. Kim, D.H. Jung // Journal of Nanomaterials. – 2015. – Vol. 2015 (1). – doi: 10.1155/2015/506029.
  8. Carnevale P., Rasool S., Bersee H.E.N. Fibre-matrix interfaces in carbon fibre reinforced PPS composites: damage initiation and propagation in tensile tests // Composite Interfaces. – 2014. – Vol. 21 (4). – P. 337–352. – doi: 10.1080/15685543.2014.877288.
  9. Sarkar P., Modak N., Sahoo P. Reciprocating friction and wear behavior of al particulate glass fiber reinforced epoxy composite // International Conference on Polymer Composites (ICPC-2014): Conference Paper. – Surathkal, Mangalore, India, 2014. – P. 163. – URL: https://www.researchgate.net/publication/273950830 (accessed: 10.02.2025).
  10. Unal H., Sen U., Mimaroglu A. Dry sliding wear characteristics of some industrial polymers against steel counterface // Tribology International. – 2004. – Vol. 37 (9). – P. 727–732. – doi: 10.1016/j.triboint.2004.03.002.
  11. Effect of bentonite clay and polypropylene matrix on the properties of silk and glass fiber-reinforced hybrid composites / Md R.H. Mazumder, F. Numera, A. Al-Asif, M. Hasan // Journal of Thermoplastic Composite Materials. – 2021. – Vol. 34 (12). – P. 1654–1665. – doi: 10.1177/0892705719878231.
  12. Mechanical and tribological properties of PA66/PPS blend. II. Filled with PTFE / Z. Chen, X. Liu, T. Li, R. Lü // Journal of Applied Polymer Science. – 2006. – Vol. 101 (2). – P. 969–977. – doi: 10.1002/app.22061. – doi: 10.1002/app.22061.
  13. Influence of twin-screw elements on the dispersion of nano-clay in vinyl ester polymer composites using Taguchi’;s orthogonal array technique / R.G. Raj, G.G. Tanuja, C.L. Kumar, N.A.P. Nittala, M.K. Srinath, S.S. Abdullaev, D. Bandhu // International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). – 2024. – Vol. 18 (5). – P. 3271–3285. – doi: 10.1007/s12008-023-01492-5.
  14. Dama Y.B., Jogi B.F., Pawade R.S. Application of nonlinear analysis in evaluating additive manufacturing processes for engineering design features: a study and recommendations // Communications on Applied Nonlinear Analysis. – 2024. – Vol. 31 (1s). – doi: 10.52783/cana.v31.559.
  15. Comparative analysis of drop impact resistance for different polymer-based materials used for hearing aid casing / A. Gosavi, A. Kulkarni, Y. Dama, A. Deshpande, B. Jogi // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 49. – P. 2433–2441. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.09.519.
  16. Virpe K., Deshpande A., Kulkarni A. A review on tribological behavior of polymer composite impregnated with carbon fillers // AIP Conference Proceedings. – 2020. – Vol. 2311 (1). – doi: 10.1063/5.0035408.
  17. Experimental investigation of dry sliding wear behavior of jute/epoxy and jute/glass/epoxy hybrids using Taguchi approach / A. Paturkar, A. Mache, A. Deshpande, A. Kulkarni // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 23974–23983. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.10.190.
  18. Satkar A.R., Mache A., Kulkarni A. Numerical investigation on perforation resistance of glass-carbon/epoxy hybrid composite laminate under ballistic impact // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59 (1). – P. 734–741. – doi: 10.1016/j.matpr.2021.12.464.
  19. Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – doi: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52.
  20. Kanitkar Y.M., Kulkarni A.P., Wangikar K.S. Investigation of flexural properties of glass-Kevlar hybrid composite // European Journal of Engineering and Technology Research. – 2018. – Vol. 1. – P. 25–29. – doi: 10.24018/ejeng.2016.1.1.90.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».