Metalik cüruf ve baca külü dolgulu kompozit malzemelerin mekanik ve termal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical and thermal properties of metallic slag and fly ash filled composite materials
Yazar: MİNE NALBANTLI
Danışman: DOÇ. DR. İLYAS KARTAL ; PROF. DR. HALİL DEMİRER
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı / Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Kompozit malzemeler otomotiv, denizcilik, havacılık, tekstil, savunma sanayi gibi birçok alanda yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Kompozit esaslı malzemelerin önemli bir kısmı polimer matrisle birlikte katkı ve dolgu malzemeleri içeren ürünlerden oluşmaktadır. Dolgu malzemelerinin en önemli avantajı maliyeti önemli ölçüde düşürmesidir. Bununla beraber mekanik özelliklere sağladığı katkılarla birçok avantaj da sağladığı bilinmektedir. Dolgu malzemeleri genel olarak seramik esaslı olup oksitli yapılar sıklıkla tercih edilmektedir. Bu çalışmada da oksit esaslı dolgulardan baca külü ve metalik cüruf tozu kompozit üretiminde kullanılması amaçlanmaktadır.
Baca külü, yanma ürünü olarak tanımlanmakta olup santrallerde elektrik üretmek amacıyla yakılan kömürden elde edilen atık bir üründür. Metalik cüruflar ise bir metal malzemesinin oksitlenmesi sonucunda dövme gibi üretim işlemleri sırasında ortaya çıkan metalik atıklardır Santrallerdeki yanma sonucu oluşan atık baca küllerin ve metallerin yanması sonucunda atık metalik cürufların çoğu işlem yapılmadan tamamen bertaraf edilmektedir. Uçucu kül ve metalik cüruf tozu hafiflik, mikro tane boyutu, amorf yapısı, yerel kaynaklardan kolayca üretilebilmesi ve ucuzluk gibi avantajlara sahip olması nedeniyle polimerik kompozitlerde kullanımları elverişlidir. Çalışmada baca külü ve metalik cüruf tozu kompozit uygulamalarında kullanımı ile termik santrallerin ve metalik cüruf oluşan döküm, dövme gibi sektörlerde çevresel etkilerinin azaltılması, kompozit üretim maliyetinin düşürülmesi, atık depolama miktarının ve gaz emisyonunun azaltılması, doğal kaynakların korunması sağlanması amacıyla yapılmıştır.
Bu çalışmada fabrikalarda atık olarak belirlenen bu iki hammaddeyi kullanarak çevreye duyarlı mekanik özellikleri de iyileştirilmiş kompozit malzemeler elde edilmiştir. Baca külü ve metalik cüruf dolgu malzemesi önce öğütülerek mikro boyutlara getirilmiştir. Daha sonra farklı oranlarda (% 5-10-15-20) (hem ayrı ayrı, hem de beraber) matris malzemesine ilave edilerek kullanılabilirliği incelenmiştir. Farklı yüzdelerde kullanılan dolgu malzemelerinin polimerle olan en uygun katkı oranı belirlenmesi amaçlanmıştır.
Belirlenen oranlardaki numunelerin harmanları hazırlanarak ekstrüder yöntemi ile granül ve enjeksiyon yöntemi ile de kalıp numune haline getirilmiştir. Numunelere mekanik (darbe, eğilme, çekme), termal (DSC), içerik (XRF, FTIR, EDX) ve yüzey morfolojisi (SEM) testleri uygulanmıştır.
İki ana dolgu malzemesinin mekanik ve termal testlerinin değerlendirilmesi yapılmıştır. Değerlendirmede PEMC%10 numunesinin çekme testi sonuçlarında en yüksek modüle ve dayanıma sahip olduğu belirlenmiştir. Eğilme testi sonuçlarında ise PEMC %10 ve PEMC %15 numunelerine ait sonuçların mekanik özellikleri iyileştirici yönde olduğu bulunmuştur. Darbe testi sonuçlarında ise darbe dayanımının dolgu malzemelerinin etkisiyle düştüğü fakat aralarındaki farkın 0,52 kJ/m2 olduğu bulunmuştur.
Termal analiz sonuçlarında dolgu malzemelerinin ergime sıcaklığını yükselttiği saptanmıştır. İçerik malzemelerinde yer alan bileşiklerinden ergime sıcaklığı yüksek olan Fe2O3 ve SiO2 bileşiklerinden kaynaklı ergime sıcaklığının yükseldiği söylenebilir.
SEM analizleri değerlendirildiğinde ise baca külü numunelerinde matris ile uyumsuz bir yüzey görülmüş olup metalik cüruf numunelerinde ise matris ile uyum sağladığı görülmüştür. Baca külünün içeriğinde düşük mekanik mukavemet gösterdiği numunelerde yer alan boşluklar sebebiyle olduğuna karar verilmiştir.
Tüm analiz sonuçlarını değerlendirdiğimizde ilgili alanlarda istenilen mekanik özelliklere göre metalik cüruf ve baca külünün kullanılabileceğine karar verilmiştir. Aynı zamanda sürdürülebilir bir çevre için atık değerlendirilmesinin yapılması ve matris bileşeninin harmanda daha az kullanılarak kompozit malzeme maliyetinin azaltılması sağlanmıştır.

Abstract:
Composite materials are widely used in many fields such as automotive, marine, air, textile, defense industry. An important part of composite materials consists of polymer matrix and products containing additives and filling materials. The main advantage of filler materials is that it significantly reduces cost. However, it is known that it provides many advantages with its additives to mechanical properties. Filling materials are generally ceramic based and oxidized structures are frequently preferred. In this study, it is aimed to be used in the production of fly ash and metallic slag powder composites, which are oxide based fillings.
Fly ash is defined as combustion product and it is a waste product obtained from coal burned to generate electricity in thermal power plants. Metallic slags are wastes produced after forging as a result of oxidation of a metal material. As a result of the burning of waste fly ash and metals formed by the combustion of coal in thermal power plants, most of the waste metallic slag is completely eliminated without any treatment. In this study, using these two raw materials determined as waste in factories, hybrid composite materials with environmentally sensitive mechanical properties will be obtained.
In this study, fly ash and metal slag filling material will be first grinded and brought to micro dimensions. Then, its usability was investigated in different ratios (5-10-15-20%) (both separately and together). It is aimed to determine the most suitable additive ratio of the filler materials used in different percentages with the polymer.
The blends of the samples in the determined ratios were prepared and obtained into granules by the extruder method and into molded samples by the injection method. Mechanical (tensile, flexure, impact), thermal (DSC), content (XRF, FTIR, EDX) and surface morphology (SEM) tests were applied to the samples.
Evaluation of the mechanical and thermal tests of the two main filling materials was made. In the evaluation, it was determined that the PEMC%10 sample had the highest modulus and strength in the tensile test results. In the bending test results, the results of PEMC 10% and PEMC 15% samples were found to improve the mechanical properties. In the impact test results, it was found that the impact strength decreased with the effect of the filling materials, but the difference between them was 0.52 kJ/m2.
In the thermal analysis results, it was determined that the filling materials increased the melting temperature. It can be said that the melting temperature increased due to Fe2O3 and SiO2 compounds, which have a high melting temperature, among the compounds in the ingredient materials.
When the SEM analyzes were evaluated, a surface incompatible with the matrix was observed in the chimney ash samples, and it was observed that it was compatible with the matrix in the metallic slag samples. It was decided that the fly ash content showed low mechanical strength due to the voids in the samples.
When we evaluated all the analysis results, it was decided that metallic slag and fly ash could be used in the relevant areas according to the desired mechanical properties. At the same time, waste evaluation was made for a sustainable environment and the cost of composite material was reduced by using less of the matrix component in the blend.