Biyo-reçine esaslı tekstil kompozitlerinin performans özelliklerinin incelenmesi
Investigation of performance characteristics of bio-resin based textile composites
Yazar: SEMİH ÖZKÜR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İPEK YALÇIN ENİŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Günümüzde sürekli gelişen teknoloji ve insanların artan talepleri yenilikçi malzemelere olan ilgiyi artırmaktadır. Bu açıdan bakıldığında, kompozit malzemeler metal ve ahşap gibi geleneksel malzemelerle karşılaştırıldığında olağanüstü özellikleri ile en çok tercih edilen malzeme seçeneklerinden biri olmuştur. Kompozitlerde, takviye malzemesi olarak çoğunlukla cam, karbon ve aramid gibi sentetik lifler ve matris malzemesi olarak da epoksi, polyester, vinilester, fenolikler, siyanat esterler, bizmaleimidler ve poliimidler gibi petrol-bazlı reçineler kullanılmaktadır.
Küresel çevre sorunları, çevre dostu malzemelere olan talebi artırmıştır. Buna bağlı olarak günümüzde, makul bir maliyetle geri dönüştürülebilen veya biyolojik olarak parçalanabilen, yenilenebilir hammaddelerden biyo-esaslı malzeme üretimine ilgi yoğunlaşmıştır. Ömrünün sonunda bertaraf edilemeyen yani yenilenemeyen hammaddelerden üretilen kompozit malzemelerin çevresel açıdan önemli bir sorun teşkil etmeye başlamasıyla, kompozitleri yoğun olarak kullanan otomotiv ve havacılık gibi sektörlerde çevre dostu malzemelerden üretilen alternatif kompozitlerin kullanımı öne çıkmıştır. Araştırmacılar da bu ihtiyaca yönelik olarak, doğal liflerle takviye edilmiş doğal veya sentetik reçinelerden oluşan biyo-kompozitlerin geliştirilmesine odaklanmaya başlamıştır.
Jüt; dayanıklı, çevre dostu ve anti-statik bir elyaftır. Jütün yüksek modülü, iyi termal ve elektriksel yalıtım özellikleri, biyobozunur yapısı, yüksek özgül mukavemeti, ticari olarak kolay bulunabilirliği ve düşük maliyeti onu, kompozitler için en çok tercih edilen doğal takviye malzemelerinden biri yapar. Elyaf takviyeli kompozitlerde matris malzemesi olarak kullanılan reçineler, termoplastik veya termoset olabilmektedir. Termoset reçineler; termal ve boyutsal kararlılık, iyi sertlik ve yüksek elektriksel direnç ile kimyasal ve çözücülere karşı dayanım gibi özellikleri sayesinde elyaf takviyeli kompozitlerde matris sistemini oluşturmada önemli bir yer tutmaktadır. Termoset bir reçine olan epoksi, elyaf takviyeli kompozitlerde, matris malzemesi olarak sıklıkla tercih edilmektedir. Ancak petrol-bazlı bu reçinelerin hem petro-kimya endüstrisindeki sürdürülebilirlik sorunundan hem de çevreye olan zararlarından dolayı çevre dostu reçine arayışları artmış ve bunun sonucunda bitkisel yağlardan elde edilen reçineler hem biyobozunur olmaları hem de büyük miktarda ve ucuz bir şekilde tedarik edilebilmeleri ile ön plana çıkmıştır. Bitkisel yağlar arasında, özellikle epoksitlenmiş soya fasulyesi yağı (ESO), son 30 yıldır ticari kullanıma sahiptir ve çeşitli ticari isimler altında satılmaktadır. Akrilatlanmış epoksitlenmiş soya fasülyesi yağı (AESO) önemli bir başka soya fasülyesi yağı türevidir ve ESO'ya kıyasla üstün mekanik ve termal özelliklere sahiptir.
Söz konusu gelişmeleri dikkate alan bu tez de biyo-kompozitlere odaklanmaktadır. Çalışma kapsamında dört kat jüt dokuma kumaş takviyeli AESO/epoksi hibrit reçine sistemine sahip biyo-kompozitler tasarlanarak vakum infüzyon yöntemiyle üretilmiştir. İki aşamalı olarak gerçekleştirilen deneysel çalışmaların ilk aşamasında artan biyo-reçine oranının kompozit malzemenin nihai özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesi amacıyla oda sıcaklığında on farklı AESO oranında (0BIO, 10BIO, 20BIO, 30BIO, 40BIO, 50BIO, 60BIO, 70BIO, 80BIO, 90BIO ve 100BI0; rakamlar reçine sistemi içerisindeki AESO oranını vermektedir.)   AESO/epoksi reçine sistemine sahip biyo-kompozitler üretilmiştir. İkinci aşamada ise, artan AESO içeriği ile birlikte üretim sıcaklığının kompozit malzemenin nihai özellikleri üzerindeki etkisini incelemek amacıyla seçili beş farklı AESO oranı (0BIO, 30BIO, 50BIO, 70BIO, ve 100BI0) ile üç farklı kürleme sıcaklığı (20C, 90C ve 120C) değişken olarak tanımlanmıştır. Her iki aşamada da üretilen biyo-kompozit numuneler atkı ve çözgü yönünde olmak üzere fiziksel (elyaf ağırlık oranı, su emme oranı, su temas açısı), mekanik (çekme mukavemeti, eğilme mukavemeti, düşen ağırlık darbe dayanımı ve Charpy darbe mukavemeti), enstrümantal (diferansiyel taramalı kalorimetri, dinamik mekanik analiz, Fourier-dönüşümlü kızılötesi spektroskopi) ve morfolojik (taramalı elektron mikroskobu) analizlere tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar şunları göstermektedir;
•Reçine sistemindeki artan AESO miktarı, yüksek viskozitesi sebebiyle düşük elyaf ağırlık oranına yol açmıştır.
•Ağırlıkça %30'un üzerinde AESO miktarı ile, kompozitlerin sünekliğinin artması ve aşırı plastikleşme nedeniyle kopma uzaması artarken, çekme ve eğilme mukavemeti değerleri azalmaktadır.
•Ağırlıkça %50'nin üzerinde AESO içeriğine sahip biyo-kompozitler üstün darbe özellikleri göstermişlerdir. 
•Oda sıcaklığında kürlenen numunelerin kayıp modülü eğrilerinden hesaplanan Tg değerleri -2 ile 71°C arasında, tan delta eğrilerinden elde edilen Tg değerleri ise 11 ile 80°C arasında değişmektedir. 
•DSC eğrileri, AESO içeriğindeki artışla birlikte kompozitlerin Tg değerlerinin daha düşük değerlere kaydığını göstermektedir. 
•Numuneler arasında en yüksek depolama ve kayıp modülleri 100BIO numunesi için elde edilirken en düşük değerler 0BIO numunesi için elde edilmiştir.
•En yüksek tan delta değeri 100BIO numunesi için elde edilirken, en düşük değerler karışım reçineli numunelerde elde edilmiştir, bu da iki farklı matris malzemesinin kullanımının lif-matris arayüzünü iyileştirdiğini kanıtlamaktadır. 
•FTIR analizinde, lif-matris arayüzünü güçlendiren, biyo-reçinelerin –OH ve –COO grupları ile hidrojen bağı oluşturan jüt liflerinin -OH gruplarının karakteristik pikleri gözlenmiştir.
•SEM görsellerinde, 0BIO ve 30BIO numuneleri için kırılgan bir matris fazı gözlemlenirken, %50'den fazla biyo-reçine içeren numunelerde akışkan matris fazları fark edilir hale gelmiştir. 
•90°C'de kürleme ve 120°C'de ardıl-kürleme işlemlerinin kompozit malzemeyi kırılgan hale getirdiği ve buna bağlı olarak darbe dayanımını azalttığı ve eğilme dayanımını artırdığı görülmüştür.
•Isıl işlemin kompozit malzemenin çapraz bağ oranını arttırdığı ve buna bağlı olarak malzemenin su emme özelliğini azaltırken, su temas açısını artırdığı görülmüştür. 
•Yüksek sıcaklıkta kür ve ardıl-kürleme işlemleri ile kompozit numunelerin çekme mukavemetinde ve elastik modülünde bir artış gerçekleşmiştir.
Çalışma kapsamında elde edilen tüm bulgular dikkate alındığında tez kapsamında tasarlanan ve üretilen biyo-kompozitlerin, petrol-bazlı hammaddelere dayalı ürünlerin hakim olduğu pazarda rekabet edebilecek güçte, sürdürülebilir ve eko-verimli bir ürün portföyü sunan umut verici malzemeler oldukları sonucuna varılmıştır. Kompozit tasarım bileşenlerinin ve üretim parametrelerinin ise son kullanma alanında üründen beklenen performans özellikleri dahilinde seçilmesi önerilmektedir.

Abstract:
Today, developing technology and increasing demands of people increase the interest in innovative materials. From this point of view, composite materials have become one of the most preferred material options with their extraordinary properties compared to traditional materials such as metal and wood. Composite structures consist of two main components called 'matrix material' and 'reinforcement material'. Properties of the composites such as strength and hardness are mostly related to the reinforcement material which is mostly a textile construction in the form of fiber, yarn, fabric, and their advanced combinations. The use of textile materials in composite structures is increasing day by day due to their high performance as well as their relatively low cost. Fibers used in composite structures are categorized into two main groups such as natural and synthetic fibers. Glass, carbon, and aramid are among the main synthetic fibers used in composite structures. Although synthetic fibers used as reinforcement materials have superior properties compared to natural fibers, their density and cost are higher than natural fibers and they are not biodegradable.
Global environmental problems have increased the demand for environmentally friendly materials. Accordingly, today there is a growing interest in the production of bio-based materials. Natural fibers traditionally used in textile industries attract attention with their low density and biodegradability, unlike synthetic fibers. Today, with the increasing demand for environmentally friendly products, more and more natural fibers are used as reinforcements in polymer matrix composites. Bast fibers (hemp, jute, flax, kenaf, ramie, etc.) which have superior mechanical properties such as high strength and stiffness compared to other plant fibers, are therefore the most widely used natural fiber reinforcement materials. Among them, jute is a durable, environmentally friendly, and anti-static fiber. Jute's high modulus, good thermal and electrical insulating properties, biodegradability, high specific strength, availability, and low cost make it one of the most preferred natural reinforcing materials for composites.
Resins used as matrix materials in fiber-reinforced composites can either be thermoplastic or thermoset. Thermoset resins are mostly preferred in matrix systems of fiber-reinforced composites, thanks to their properties such as enhanced thermal and dimensional stability, good hardness, high electrical and chemical resistance. The most common resin materials used in thermoset matrix composites are epoxy, polyester, vinyl ester, phenolics, cyanate esters, bismaleimides, and polyimides. Among these resins, epoxy which is widely used in many application areas, is one of the most preferred resins, thanks to its excellent chemical resistance, superior tensile, fatigue, and compressive strengths, and electrical insulation properties. However, due to the sustainability problem of these petroleum-based resins in the petrochemical industry and their harm to the environment, the need for environmentally friendly raw materials has increased. In this manner, vegetable oils stand out as an important environmentally friendly alternative for these petroleum-derived raw materials. Vegetable oils can be chemically modified to produce epoxidized vegetable oils. These polymeric products obtained by the polymerization of bio-based epoxides are potentially biodegradable thanks to the hydrolytic cleavage of the glycerol ester bonds in their structures. Among vegetable oils, soybean oil can be supplied in high quantities and at a low cost. Epoxidized soybean oil (ESO) has been in commercial use for the past 30 years and is available under a variety of trade names. Acrylate epoxidized soybean oil (AESO) is another important soybean oil derivative and has superior mechanical and thermal properties compared to ESO.
Composite materials produced from petroleum-based components cannot be recycled at the end of their life and start to pose important environmental problems. Thus, the use of alternative composites produced from renewable and environmentally friendly materials has come to the fore in sectors such as automotive and aviation, which use composites extensively. To meet this need, researchers have started to focus on the development of bio-composites consisting of natural or synthetic resins reinforced with natural fibers.
Considering these developments, this thesis focuses on bio-composites. Within the scope of this study, bio-composites with four layers of jute woven fabric reinforced AESO/epoxy hybrid resin system were designed and produced by the vacuum infusion method. In the first stage of the two-stage experimental studies, bio-composites with AESO/epoxy resin system were produced at ten different AESO ratios (0BIO, 10BIO, 20BIO, 30BIO, 40BIO, 50BIO, 60BIO, 70BIO, 80BIO, 90BIO, and 100BI0; the numbers represent the ratio of AESO in the resin system.) at room temperature in order to examine the effect of increasing bio-resin ratio on the final properties of the composite material. In the second stage, selected five different AESO ratios (0BIO, 30BIO, 50BIO, 70BIO, and 100BI0) and three different curing temperatures (20°C, 90°C, and 120°C) were defined as variables in order to examine the effect of production temperature with increasing AESO content on the final properties of the composite materials. Bio-composite samples produced in both stages (in the weft and warp direction) were analyzed by physical (fiber weight ratio, water absorption ratio, water contact angle), mechanical (tensile strength, bending strength, drop weight impact resistance, and Charpy impact resistance), instrumental (differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, Fourier-transform infrared spectroscopy) and morphological (scanning electron microscopy) tests. The obtained results indicate the following outcomes;
•The increased amount of AESO in the resin system resulted in a low fiber weight ratio due to its high viscosity.
•With the amount of AESO over 30% by weight, the tensile and flexural strength values decreased while the elongation at break increased due to the increase in ductility of the composites and excessive plasticization.
•Bio-composites with more than 50% AESO content by weight showed superior impact properties. 
•The Tg values calculated from the loss modulus curves of the samples cured at room temperature varied between -2 and 71°C, and the Tg values obtained from the tan delta curves varied between 11 and 80°C. 
•DSC curves showed that the Tg values of the composites shift to lower values with the increase in AESO content.
•Among the samples, the highest loss and storage moduli were obtained for the 100BIO sample, while the lowest loss modulus values were obtained for the 0BIO sample. 
•The highest tan delta value was achieved for the 100BIO sample, while the lowest values were obtained for samples with hybrid resin, proving that the use of two different matrix materials improved the fiber-matrix interface. 
•In the FTIR analysis, characteristic peaks of -OH groups of jute fibers that strengthen the fiber-matrix interface and form hydrogen bonds with the –OH and –COO groups of bio-resins were observed.
•In the SEM images, a brittle matrix phase was observed for the 0BIO and 30BIO samples, while the fluid matrix phases became noticeable in the samples containing more than 50% bio-resin. 
•Curing at 90°C and post-curing at 120°C processes make the composite materials brittle and accordingly reduced the impact strength and increased the bending strength.
•It was observed that heat treatment increased the crosslinking rate of the composite materials and accordingly decreased the water absorption property of the material while increasing the water contact angle.
•An increase was observed in the tensile strength and elastic modulus of the composite samples with high-temperature curing and post-curing processes.
In the light of these findings, it was concluded that the 30BIO samples cured at 90°C showed better tensile behavior than the 0BIO samples, with a tensile strength of approximately 60 MPa and a tensile elongation of 5%, and bending strength of around 400 MPa, and it had sufficient impact strength values. In addition, 30BIO samples cured at 90°C are hydrophobic with a water contact angle of 93° and have a water absorption rate of 9.25%. With a density of 1,020 g/cm3, these samples can be a suitable alternative for lightweight designs where improved tensile properties are important.
On the other hand, 50BIO samples cured at 90°C stand out especially with their high impact strength (the energy absorbed in the drop-weight impact test is 3.85 J, the Charpy impact resistance is 10.84 kJ/m2). This set of samples has a tensile strength of about 40 MPa and an elongation at a break of 8%. In addition, these samples with hydrophobic surface character can absorb about 17% water when kept in water. With a density of 0.945 g/cm3, this sample is a lightweight material alternative, especially for applications where impact resistance is required. 
Although it is very important to prefer completely bio-resin-containing composites in terms of environmental impact, the performance of 100BIO is limited according to the results of the tests and it was found to be insufficient for use alone. In addition, unfortunately, after the increased AESO ratio exceeded a certain percentage, it created difficulties during curing and despite the increased impact strength, samples with high AESO content were found unsatisfactory for industrial applications due to their very low tensile strength. Even so, just by replacing the epoxy resin with AESO at a rate of 30-50%, an increase in performance can be achieved besides making a significant contribution to a livable world thanks to its eco-friendly content. In particular, 30BIO and 50BIO samples with Tg values around 55°C and 40°C are the most suitable for use at room temperature among mixed resin samples. For this reason, it is thought that these samples, which exhibit superior properties compared to other samples, will be an alternative for many end-use areas from sports equipment (snowboard, longboard, skateboard body, etc.) to vehicle composites.
Considering all the findings obtained within the scope of this thesis, it is seen that bio-composites are promising materials that offer a sustainable and eco-efficient product portfolio that can compete with the market dominated by products based on petroleum-based raw material.