Alçak yoğunluklu polietilen matrisli kaz tüyü ve odun lifi takviyeli hibrit biyokompozitlerin fiziksel, mekanik ve izolasyon özelliklerinin incelenmesi
Investigation of physical, mechanical and insulation properties of light density polyethylene matrix goose feather and wood fiber reinforced hybrid biocomposites
Yazar: CENAN HACIOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT ALİ ERMEYDAN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyokompozit Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products
Dizin: Kompozitler = Composites ; Odun lifi = Wood fiber ; Polietilen = Polyethylene ; Yalıtım = Insulation

Özet:
Gelişen teknolojik yenilikler, sürekli iyileştirilen materyal nitelikleriyle beraber günümüz endüstrisinde polietilen, polipropilen, polivinil klorür gibi geleneksel petrol türevi polimerler ve bunlar ile oluşturulan kompozitler oldukça yaygın kullanılan materyaller haline gelmiştir. Ancak bu polimerlerin doğaya verdiği zararlar ile beraber sürdürülebilir bir materyal olamayışı, çevresel bilincin arttığı bilim dünyasında yerine koyulabilecek alternatif malzemelere ilgiyi arttırmıştır. Bu açıdan biyokompozitler konusunda yürütülen çalışmaların sayısı günden güne çoğalmıştır. Özellikle otomotiv endüstrisi, izolasyon, kaplama ve ambalaj endüstrilerinde sıkça kullanılan bu polimerlerin uygulama sonrasında oluşan atık problemi büyük sorun teşkil etmektedir ve çözümü mecburi kılınmıştır. Öte yandan alternatif olma arzusuyla ortaya çıkarılan biyokompozit malzemelerin saf polimer malzemelerden daha hafif olması, mekanik özelliklerinin iyileştirilmiş olması, kolay işlenebilir ve uygulanabilir olması, izolasyon nitelikleri ve akustik özelliklerinin istenilen düzeylere ulaşması gibi önemli bulgular bu malzemere olan ilgiyi daha da arttırmış ve günümüzde başta otomotiv, havacılık, izolasyon olmak üzere sayısız endüstride kullanımı had safhalara ulaşmıştır. Ayrıca mekanik niteliklerinin iyileştirilmiş olması ve yaygın kullanım alanları sebebiyle, polietilen (PE) ve doğal diğer katkılar ile bir arada ortaya çıkarılan yeni biyokompozitler birçok bağımlı mühendislik materyallerine ve endüstride kullanılan bir çok polimer ürünlere alternatif olabilme kapasitesine sahiptir. Yüksek sıkılık performansı ve verimli derecede izolasyon nitelikleri nedeniyle kaz tüyü, tekstilde kullanım alanına sahip doğal bir malzemedir. Bu çalışmada PE matrisli, yüksek izolasyon özelliklerine sahip kaz tüyü ve karaçam odun unu katkılı biyokompozit malzemeler üretilmiş ve yalıtım nitelikleri dahil olmak üzere mekanik başarım özellikleri araştırılmıştır. Bu iki katkılı biyokompozit malzemelerin üretimi ile daha iyi izolasyon özelliklerine sahip ve performansı geliştirilmiş, endüstriyel alanda saf polimerlere alternatif bir malzeme geliştirilmesi amaçlanmıştır. Kaz tüyü lifi ve karaçam odun unu katkılı biyokompozitler her biri ayrı olmak üzere farklı oranlarda numuneler haline getirilmiş ve birbirleri arasında kıyaslanmıştır. Üretilen numuneler ekstrüder (40 L/D) kullanılarak üretilmiş ve ortaya çıkarılan numunelerin mekanik niteliklerini belirlemek amacıyla çekme ve eğilme testleri uygulanmıştır.Üretilen biyokompozit malzemelerin fiziki niteliklerini incelemek için yoğunluk testi, kalınlık artışı ve su absorbe oranı testi, termal özelliklerini belirlemek için TGA analizi, kimyasal bağlarında oluşan gerilmeleri gözlemlemek için FTIR analizi, izolasyon özellikleri için ses yutum katsayısı ölçüm testleri ve ısıl iletkenlik katsayısı testleri yapılmıştır.  Sonuç olarak takviye elemanlarının polimere kıyasla eğilme özelliklerini kaydadeğer anlamda iyileştirdiği görülmüştür. Isıl iletkenlik testlerinde ulaşılan sonuçlara göre takviye elemanı arttırıldığında verimli bir malzeme ortaya çıkarılacağı öngörülmüştür. Ses yutum katsayısı testlerinde ise bütün takviye elemanlarının AYPE matrisi için iyileştirici özelliklere sahip olduğu kanıtlanmıştır. Özellikle %7,5 hem odun unu hem kaz tüyü lifi karışımlı biyokompozit ve %2,5 hem odun unu hem kaz tüyü lifi karışımlı biyokompozitlerin ses yutum katsayısını ciddi biçimde arttırdığı gözlemlenmiştir. Bununla beraber takviye elemanları sebebiyle su emme testlerinde beklenen düzeyde su almanın arttığı kaydedilmiştir. Özellikle odun unu ilaveli selülozik malzemeli biyokompozitlerin higroskopik yapısı nedeniyle su alım ve şişme oranlarında daha yüksek değerlere ulaşılmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen verilere göre, üretilen biyokompozitler içerisinde yer alan ucuz doğal takviyeler sayesinde saf polimere göre daha iyi mekanik özellikler ve nispeten kabul edilebilir oranda iyi fiziksel özelliklere sahip çevreye duyarlı yeni endüstriyel seçenekler ortaya çıkarılmıştır.

Abstract:
Along with developing technological innovations and constantly improving material qualities, traditional petroleum-derived polymers such as polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride and the composites formed with them have become very common materials in today's industry. However, the fact that these polymers cannot be a sustainable material together with the harm they cause to nature has increased the interest in alternative materials that can be replaced in the scientific world where environmental awareness has increased. In this respect, the number of studies on biocomposites has increased day by day. The waste problem that occurs after the application of these polymers, which are frequently used in the automotive industry, insulation, coating and packaging industries, constitutes a major problem and its solution has been made mandatory. Given their good mechanical properties and wide area of application, biocomposites produced in conjunction with polyethylene (PE) and natural reinforcements have the capacity to become an alternative to many conventional engineering materials and polymer products used in the industry. Goose feather is a natural material that has a textile area due to its high filling performance and good insulation skills. In this study, PE matrix produced high insulation goose down and carcass wood flour reinforced biocomposites and its mechanical performance properties, including insulation properties, were studied. With the production of these double-reinforced biocomposite materials, a material alternative to pure polymers is developed in the industrial area with better insulation properties and improved mass performance. Wood and goose feather-reinforced composites were produced in different proportions and compared with double-reinforced composites containing both goose feather and wood flour. Biocomposites were manufactured using 40 L/D double screw extruder, and the biocomposites produced were subject to tapping and bending tests to determine their mechanical properties. In order to examine the physical properties of the biocomposite materials produced, density, thickness increase and water uptake tests have been performed; TGA analysis to determine the thermal properties and sound absorption coefficient measurements and thermal conductivity coefficient tests for insulation properties, FTIR analysis for the chemical bond characterization have been performed. As a result, it was observed that the reinforcement elements significantly improved the bending properties compared to the polymer. According to the results obtained in the thermal conductivity tests, it is predicted that an efficient material will be produced when the amount of reinforcement elements was increased. In the sound absorption coefficient tests, it has been proven that all reinforcing elements have improved properties compared to the LDPE matrix. It has been observed that the sound absorption coefficient of biocomposites with a mixture of 7.5% wood flour and goose fiber and 2.5% both wood flour and goose fiber biocomposites increases significantly. However, it was noted that the level of water absorption increased in the water absorption tests due to the reinforcement elements. Due to the hygroscopic nature of biocomposites especially with wood flour added composite material, higher values were achieved in water absorption and swelling rates. According to the data obtained as a result of the study, with utilization of the inexpensive natural reinforcements in the produced biocomposites, new environmentally friendly industrial options with better mechanical properties and relatively acceptable physical properties have emerged compared to the pure polymer.