Eklemeli yığma modeli ile elde edilen kenevir SAPI/PLA biyokompozit malzemenin bazı mekanik ve termalözelliklerinin incelenmesi
Investigation of some mechanical and thermalproperties of hemp HURD/PLA biocomposite materialmanufactured by fused deposition modeling
Yazar: ESRA ÇELİK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MESUT UYSAL ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇAĞATAY TAŞDEMİR
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Küresel ısınma, fosil yakıtların kullanımı ve sera gazı emisyonları gibi insan
faaliyetlerinden kaynaklanan bir olgudur. Küresel ısınma dünya genelindeki ortalama
sıcaklıkların artmasıdır. Küresel ısınmanın sonucu olarak kutup buzulları eriyerek
deniz seviyeleri yükselir. Hava koşullarındaki değişim ekosistemlerin değişerek bazı
türlerin yaşam alanlarının değişmesine ve türlerin tehlikeye girmesine sebep olur.
Küresel sıcaklık artışına büyük ölçüde insan faliyetleri sebep olmaktadır. Sera gazı
emisyonlarının azaltılması için küresel çapta faaliyetler başlatılmıştır.
Sera gazı emisyonlarına yol açan malzemelere alternatif olarak yenilenebilir
kaynaklardan elde edilen biyoplastiklere yönelim başlamıştır. Biyoplastik üretiminde
fosil tabanlı plastiklere göre daha az zehirli gaz çıkmaktadır. Biyoplastiklerin geri
dönüşüm potansiyeli ile doğada çözünebilmesi sayesinde bu ürünler atık hale
geldiğinde doğal ortamda daha hızlı parçalanması ile çevresel etkiler azaltılabilir.
Bu çalışmada PLA malzemesinin gevrek doğasının iyileştirilmesi ve tarımsal atık
durumunda olan kenevir sapının değerlendirilmesi amacı ile PLA ve kenevir ile
biyokompozit filament oluşturulması hedeflenmiştir. Kenevir ve PLA arasındaki
uyumun arttırılması amacı ile ayrı bir deney grubu oluşturularak maleik anhidrit ilave
edilmiştir. Diğer gruba da gliserol eklenmiştir. Saf PLA ile üretilen filament ise kontrol
grubu olmuştur. Kenevir katkısının PLA'nın mekanik ve termal özellikleri üzerine
istatiksel olarak anlamlı bir etkisinin olup olmadığı gözlemlenmiştir.
PLA ve kenevir unu belirlenen oranlarda karıştırılarak, PLA/kenevir unu/maleik
anhidrit karışımında ise öncelikle kenevir unları MA ile tedavi edilmiş daha sonra PLA
ile karıştırılarak etüvde bekletilmiştir. Etüvden alınan karışımlar öncelikle çift vidalı
ekstrüderden geçirilerek düzensiz filamentler elde edilmiştir. PLA/kenevir unu/maleik
anhidrit/gliserol karışımındaki gliserol ise karışım ekstrüdere verilmeden eklenmiştir.
Elde edilen düzensiz filamentler granül hale getirilerek tek vidalı ekstrüdere beslenmiş
ve üç boyutlu yazıcıda kullanıma uygun düzenli filamentler elde edilmiştir.
Elde edilen filamentler ile üç boyutlu yazıcıda çekme ve eğilme örnekleri baskılanarak
çekme ve eğilme deneyleri yapılarak mekanik özellikleri analiz edilmiştir. Bozunma
sıcaklıkları için ise baskılama işlemi öncesi ve sonrası örneklere TGA analizi
yapılmıştır. Biyokompozitlerin termal özelliklerinin incelenmesi amacı ile DSC
analizi, biyokompozit içindeki fonksiyonel grupların incelenmesi amacı ile de FTIR
analizi yapılmıştır.
Saf PLA'ya kıyasla kenevir katkılı filamentlerin baskılama öncesi ve sonrası TGA
eğrilerine bakıldığında kütlece %5, %10 ve %90 kayıplarının gerçekleştiği en düşük
bozunma sıcaklığının ise gliserol katkılı biyokompozitte elde edildiği gözlemlenmiştir.
Elde edilen biyokompozit filament grupları arasında DSC analizi sonucunda PLA'ya
göre kristalinite oranının arttığı tek grup PLA+K03+MA+G olmuştur.
PLA biyoplastiğine kenevir katkısınınn PLA'nın kırılganlığını azalttığı ve gliserol
katkısı ile de daha sünek bir yapıya sahip olduğu SEM görüntülerinde gözlemlenmiştir.
PLA ve PLA+K03 biyokompozitlerinde katmanlar arasında iyi bir arayüzey
bağlantısının olduğu, buna karşın PLA+K03+MA ve PLA+K03+MA+G
biyokompozitlerinde ara yüzey bağlantısının iyi olmadığı, kopma esnasında lif
sıyrılmalarının olduğu gözlemlenmiştir.
Üç nokta eğme deney sonuçlarına göre, malzemenin eğilme dayanımı kompozit
içerisine sırasıyla kenevir, maleik anhidrit ve gliserol katkısı ile arttığı
gözlemlenmiştir. Ancak, gruplar arasında eğilme dayanımında istatiksel olarak
anlamlı bir farklılık yoktur. Malzemenin elastikiyet modülü PLA malzemesine bu
dolgu ve uyumlaştırıcı malzemeler eklendikçe arttığı ama gliserol eklenmesi ile
malzemenin elastikiyet modülünün azaldığı gözlemlenmiştir.
Çekme deneyi sonuçlarına göre, biyokompozit içeriğinde meydana gelen
değişikliklerin malzemenin çekme dayanımı üzerinde istatiksel olarak anlamlı bir
etkisi yoktur. Elastikiyet modülü değerlerine bakıldığında PLA+K03+MA grubunun
en yüksek değere sahip olduğu, PLA'nın en düşük değere sahip olduğu, istatiksel
olarak ise PLA ile diğer üç grup arasında istatiksel olarak anlamlı bir farklılığa sahip
olduğu görülmektedir.
Sonuç olarak, PLA biyoplastiğine lignoselülozik bir malzeme olan kenevir katkısı ile
malzeme özelliklerinde nicel olarak bir iyileşme gözlemlenebilmiştir. Çalışma
sonuçları bu malzemeler ile yarı mamül ve nihai ürününü AR-GE çalışmalarında
faydalı olacaktır.

Abstract:
Global warming is a phenomenon caused by human activities such as the use of fossil
fuels and the emission of greenhouse gases. It refers to the overall increase in average
temperatures worldwide. As a result of global warming, polar ice caps melt, leading to
rising sea levels. Changes in weather conditions also cause ecosystems to alter,
resulting in the displacement of certain species and the endangerment of various forms
of life. The significant rise in global temperatures is primarily attributed to human
activities. Global initiatives have been launched to mitigate greenhouse gas emissions.
There has been a shift towards bioplastics derived from renewable sources as an
alternative to materials that contribute to greenhouse gas emissions. The production of
bioplastics results in fewer toxic gases compared to fossil-based plastics. The recycling
potential and biodegradability of the bioplastics allow for faster decomposition in the
natural environment when these products become waste, thereby reducing
environmental impacts.
The aim of this study is to enhance the brittle nature of PLA material and explore the
utilization of hemp stalk waste by making a biocomposite filament with PLA and
hemp. A separate experimental group was established where maleic anhydride was
added to improve the compatibility between hemp and PLA. Glycerol was added to
another group. The filament produced using pure PLA served as the control group.
The study aimed to observe whether the addition of hemp had a statistically significant
effect on the mechanical and thermal properties of the PLA.
PLA and hemp flour were mixed in predetermined ratios. In the case of the PLA/hemp
flour/maleic anhydride mixture, the hemp flour was treated with maleic anhydride
before being mixed with PLA and kept in an oven for a certain period. Oven-dry
materials were initially passed through a twin-screw extruder to obtain irregular
filaments. As for the PLA/hemp flour/maleic anhydride/glycerol mixture, glycerol was
added before feeding it into the extruder. The irregular filaments obtained were
pelletized and fed into a single-screw extruder to obtain regular filaments suitable for
3D printing.
The obtained filaments were used to print tensile and flexural samples using a 3D
printer, and tensile and flexural tests were conducted to analyze their mechanical
properties. TGA analysis was performed on samples before and after the printing
process for degradation temperatures. DSC analysis was carried out to investigate the
thermal properties of the biocomposites, while FTIR analysis was conducted to
examine the functional groups within the biocomposite.
When comparing the TGA curves of hemp-filled filaments to pure PLA, it was
observed that the degradation temperatures decreased at 5%, 10%, and 90% of weight loss with the addition of hemp, maleic anhydride, and glycerol. The lowest degradation
temperature was observed in the glycerol-added biocomposite. Among the bioplastic
and biocomposite filament sample groups, the only group with an increased
crystallinity ratio compared to PLA was the PLA+K03+MA+G sample group.
Adding hemp to PLA bioplastic was observed to reduce PLA brittleness, and adding
glycerol resulted in a more flexible structure, as observed in SEM images. In PLA and
PLA+K03 biocomposites, there was an excellent interfacial connection between the
layers. However, in PLA+K03+MA and PLA+K03+MA+G biocomposites, the
interfacial cohesion was not strong, and fiber delamination was observed during the
breakage process.
According to the three-point bending test results, the flexural strength of the materials
increased by adding hemp, maleic anhydride, and glycerol, respectively. However, the
groups have no statistically significant difference in flexural strength. Those of
modulus of elasticity showed the same pattern, but adding the glycerol decreased its
modulus of elasticity.
According to the results of the tensile test, the changes in biocomposite content do not
have a statistically significant effect on the tensile strength of the material. As can be
seen from , the PLA+K03+MA group has the highest modulus of elasticity, while
PLA has the lowest value. Statistically, there is a significant difference between PLA
and the other three groups.
Consequently, it was observed that material properties were increased quantitatively
by adding hemp hurd as a lignocellulosic material to PLA. Test results would be
beneficial to produce semi- and final-product by using these materials for R&D
applications.