Alkil keten dimerin doğal lif ve cam elyaf takviyeli biyopolimer kompozitlerin performans özellikleri üzerine etkisi
The effect of alkyl ketene dimer on the performance properties of natural fiber and glass fiber reinforced biopolymer composites
Yazar: SENA ÇAYLAK
Danışman: PROF. DR. MURAT ERTAŞ ; PROF. AYFER DÖNMEZ ÇAVDAR
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Son yıllarda artan çevre bilincinin getirdiği üretimde sürdürülebilirlik ve yenilenebilirlik kaygısı, çevre dostu kompozitlerin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. İçeriğindeki malzemelerden en az birisinin doğal olması ile tanımlanan biyokompozitlerin, alternatiflerine kıyasla çok daha çevre dostu olmalarına karşın, hidrofilik yapıda olmaları ve mekanik özelliklerinin zayıf olması sebebiyle sanayide kısıtlı alanda kullanılmaktadır. Biyokompozit yapımında doğal malzemeler, sadece takviye elemanı olarak değil, biyoplastiklerin kullanımıyla matris yapısında da kendilerine yer bulmaktadır. Petrol bazlı polimerlere kıyasla daha düşük toksisite gösteren ve doğal kaynaklardan elde edilen poli(laktik asit) (PLA), geleneksel kompozit plastiklerine önemli bir alternatif oluşturmaktadır. Bu çalışma kapsamında, PLA matrisinde, odun unu ve cam elyaf takviyeli kompozitlerin performans özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla alkil keten dimer (AKD) ilk defa uyumlaştırıcı olarak kullanılmıştır. AKD'nin doğal life hidrofobik özellik kazandırılması ve matrisi içindeki uyumun artırılması hedeflenmiştir. Hibrit PLA kompozitleri çift vidalı ekstrüder yardımıyla üretilerek granül şeklinde homojen hale getirilmiştir. Ardından granül halindeki karışım sıcak presle şekillendirilerek kompozit levhalar elde edilmiştir. Kompozitlerin kimyasal, fiziksel, mekanik, termal ve morfolojik özellikleri incelenmiştir. FTIR analizi sonucunda 1690-1760 cm-1 arasındaki pik şiddetindeki artış AKD'nin karbonil grubu ve odunun hidroksil grupları arasındaki ester bağının varlığını ortaya koymuştur. Kompozitlerin fiziksel özellikleri incelendiğinde; AKD ilavesiz kompozitler için su alma oranları, %0,9 ile %11,9 arasındayken, AKD ilaveli grupta bu oran olumlu bir etkiyle %0,9 ile %10,36 arasında değişmiştir. AKD ilaveli PLA kompozitlerin kalınlık artış oranı, AKD ilavesiz kompozitlere göre daha düşük olduğu görülmüştür. Saf PLA ve AKD içermeyen PLA kompozitlerin temas açıları 53,50° - 90,70° aralığında yer almıştır. AKD ilavesiyle bu kompozitlerin temas açıları artarak 82,68° - 116,63° aralığında ölçülmüştür. Kompozitlerin mekanik özellikleri; AKD ilavesiz PLA matrisinde cam elyaf miktarı arttıkça önemli ölçüde artmıştır. AKD ilavesi odun lifi ve polimer arasında uyumu arttırmış ve mekanik dirençlerde artışa neden olmuştur. Ancak bu iyileşme cam elyaf katkılı hibrit kompozit gruplarında gözlenmemiştir. Ayrıca AKD ilavesiyle hibrit kompozitlerin elastikiyet modülü değerleri azalmıştır. Kompozitlerin TGA eğrileri AKD ilavesi ile önemli bir değişikliğe uğramamış olup katkı maddesinin türüne ve oranına göre bozunma sıcaklıkları küçük artış ve düşüşler göstermiştir. AKD ilavesi ile PLA kompozitlerin kristalizasyon sıcaklığı (Tcc) azalırken, kristalinite dereceleri (Xc) artmıştır. HDT analizi sonucunda, AKD ilaveli kompozitlerin ısı altında deformasyon sıcaklığı AKD'siz gruba göre tüm varyasyonlarda azalmıştır. Kompozitlere cam elyaf ilavesiyle birlikte ısıl iletkenlik katsayısında belirgin bir değişiklik olmamıştır. Bulgular AKD'nin, doğal lif katkılı PLA kompozitlerinde bağlama maddesi olarak potansiyel bir kullanıma sahip olabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Sustainability and renewability concerns in production brought by the increasing environmental awareness in recent years made the usage of environmentally friendly composites a commonplace concern. Biocomposites, which are defined as at least one of the materials in their content being natural, are much more environmentally friendly compared to their alternatives, but they are unable to find such wide application in industry due to their hydrophilic structure and weak mechanical properties. By use of bioplastics in matrix material, biocomposites can also have more of a natural origin. Poly(lactic) acid (PLA), a bioplastic polymer that can be obtained from nature and also displays less toxicity when compared with petroleum based polymers, is also widely used as matrix material in the aim of obtaining environmentally-friendly biocomposites. In this study, the using of Alkyl Ketene Dimer (AKD) as compatibilizer, which is used as sizing agent in paper manufacturing industry, to the natural fiber and/or glass fiber (GF) reinforced PLA composites, and AKD's effects on the mechanical and physical properties of final composites were studied. Variants of composites were prepared with varying ratios of glass fiber and/or natural fiber, with or without AKD, via granulation and homogenization by twin screwed extruder. Then granulated mixtures were pressed under hot press into moulds to obtain plaques of composites. Chemical, physical, mechanical, thermal and morphological properties of the composites were studied. An increase at peak strength between 1690 - 1760 cm-1 revealed that the existence of an ester bond between the carbonyl-group of AKD and the hydroxyl-groups of wood has been achieved. According to physical analyses; while water absorption rates of composites without AKD were between 0.9 % -11.9 %, this rate ranged to 0.9% - 10.36 % in the AKD-added group with a positive effect. The thickness swelling rate of AKD-added PLA composites was lower than the composites without AKD. The water contact angle of neat PLA and non-additive composites were between 53.50°- 90.70°. With the addition of AKD, the angles increased to range of 82.68°-116.63°. According to mechanical test results; the mechanical properties of the hybrid composites remarkably increased with the increase the amount of GF in PLA matrix without AKD. TGA curves of hybrid PLA composites were not affected by AKD. Degradation temperature of composites were also unchanged via AKD addition; only small differences were observed. AKD addition decreased the crystallization temperature but increased the crystallinity-degree. Results of HDT analysis showed that heat deflection temperature of composites were lower in all groups with AKD when compared to without AKD composites. Also, no significant change in thermal conductivity were observed with addition of GF. Hence, AKD may have a potential usage as coupling agent in the NF filled PLA composites.