Poliüretan-karbon fiber kompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
The preperation and characterization of polyurethane-carbon fiber composites
Yazar: HALE AKGÜN
Danışman: PROF. DR. SENİHA GÜNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Karbon lifler = Carbon fibers ; Kompozitler = Composites ; Poliüretan = Polyurethane

Özet:
Bu çalışmanın amacı, karbon fiber (CF) takviyesi ile poliüretanın (PU) mekanik ve elektriksel özelliklerinin geliştirilmesi ve buna bağlı olarak uygulama alanlarının genişletilmesidir. Poliüretan-karbon fiber (PU-CF) kompozit filmler matris elemanı olarak aromatik termoplastik PU, takviye elemanı olarak 3-5 mm uzunluğundaki poliakrilonitril (PAN) bazlı CF ve çözücü olarak dimetilformamid (DMF) kullanılarak döküm-evaporasyon yöntemi ile hazırlanmıştır. Hazırlanan PU-CF kompozit filmlerin yapıları Fourier Transform Infrared (FT-IR) Spektroskopisi ve X-ışını Kırınımı (XRD), mikroyapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), ısıl kütle kaybı miktarları Termogravimetrik Analiz (TGA), reolojik özellikleri viskozimetre, viskoelastik özellikleri Dinamik Mekanik Analiz (DMA), hidrofiliteleri Temas-Açısı Ölçer (CAM) ve elektriksel iletkenlikleri 4nokta-prop yöntemi ile belirlenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda, optik mikroskop görüntüleri yardımı ile hazırlanan polimer kompozitlerde CF'lerin matris içersinde homojen olarak dağıldığı belirlenmiştir. Kompozit filmlerin FT-IR spektrumları karşılaştırıldığında, CF'lerin PU'nın kimyasal yapısında herhangi bir değişikliğe neden olmadığı saptanmıştır. XRD analizi ile PU-CF filmlerin amorf yapıda olduğu, viskozite ölçümleri sonucunda, CF'lerin matrisin akış davranışını değiştirmediği, TGA sonuçlarına göre, CF/PU oranındaki artış ile kompozitlerde ısı ile meydana gelen kütle kaybının azaldığı tespit edilmiştir. CF konsantrasyonunun artışı matrisin molekül zincirlerinde hareketliliğin ve deformasyonun azalmasına; mekanik dayanım ile rijitliğin artmasına neden olmuştur. Buna bağlı olarak kompozitlerin depolama modülü ve kayıp modülü CF konsantrasyonuyla artmıştır. Gerilim-gerinim eğrilerine göre, PU'nın ağırlıkça %5 oranında CF ile güçlendirilmesi sayesinde mekanik mukavemette yaklaşık %244'lük artış sağlanmıştır. PU-CF kompozitlerin elektriksel iletkenlik değerlerinin CF konsantrasyonu %108 mertebesinde artmıştır. PU-CF kompozit filmler suyla şişmemişler ve hidrofilik karakteri CF konsantrasyonuyla azalmıştır. Tüm analiz sonuçlarına göre PU-CF kompozitlerinde matris-fiber etkileşiminin iyi olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The objective of this study is to improve the mechanical and electrical properties of polyurethane (PU) by reinforcing of carbon fiber (CF) and increasing its application areas. For this purpose, polyurethane-carbon fiber (PU-CF) composite films were prepared by casting evaporation technique. For the preparation of composites aromatic PU was used as polymer matrix. CF produced from polyacrylonitrile (PAN) was used as an reinforcement component in 3-5 mm length. Dimethylformamide (DMF) was used as solvent. The structure of PU-CF composites were characterized by FT-IR, SEM and XRD. Optical microscopy was used to determine the dispersion of CF into polymer matrix. The thermal and rheological properties of PU-CF composite were investigated by TGA and viscosimetry, respectively. Viscoelastic properties were measured by DMA and electrical properties were measured by four point probe method. Surface hydrophilicity and water absorption of composites were also determined. We observed that CF could be homogeneously dispersed into PU matrix. FT-IR spectrum of composites showed that CF did not cause any structural changes in chemical structure of PU. According to XRD pattern, the incorporation of CF in PU did not cause to appear any new peak thus, PU-CF composites clearly display major peaks in amorphous region. CF concentration did not affect the rheological behavior of the matrix. TGA curves show that the weight loss in the PU-CF composites was decreased with increasing CF/ PU ratio. Increasing of CF concentration caused to reduce the mobility and deformation of matrix, and to increase the mechanical resistance and stiffness of PU. This is due to increase in the storage and loss modulus of PU-CF composites. The tensile strength of polymer matrix increased about 244% with increasing 5% (w/w) of CF loading. A marginal increase (nearly % 108) in electrical conductivity was also noticed in composites. The composites did not swell with water, and their surface hydrophilicity decreased with increasing of CF concentration. The overall results indicated that there is good interaction between PU and CF.