Otomotiv sektöründe kullanılmak üzere çevre dostu yeni nesil doğal lif takviyeli kompozit malzemelerin geliştirilmesi
Development of environmentally, ecofriendly, and new generation natural fiber reinforced green composite materials for the automotive industry
Yazar: ALİ AVCI
Danışman: PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET SAFA BODUR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İmal Usulleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Lif takviyeli polimerler = Fiber reinforced polymers ; Lifli kompozitler = Fiber composites ; Otomotiv sektörü = Automotive sector ; Polimer enjeksiyonu yöntemi = Polymer injection method

Özet:
Son zamanlarda, küresel ısınma, çevre kirliliği ve petrolün tükenme olasılığı gibi nedenlerden dolayı yenilenebilir kaynaklardan elde edilen malzemelerin kullanımı hakkında ciddi bir farkındalık oluştu. Kompozit malzemelerin doğal malzemelerden üretilmesi ile kompozitlerin üretiminden kullanım ömrünün sonuna kadarki süreçte karbon ayak izinde ve sera gazı salınımında önemli bir azalma oldu. Ayrıca otomotiv sektöründe doğal kaynaklardan üretilen yeşil kompozitlerin kullanımı maliyetlerde azalma, araçta hafiflik ve yakıt tasarrufu sağladı. Matris malzemesi olarak PLA, takviye malzemesi olarak keten lifi, imalat yöntemi olarak ise ekstrüzyon ve enjeksiyon yöntemleri kullanılmıştır. Tez kapsamında üretilen kompozitler, otobüs üst konsol parçası olarak kullanılması hedeflendiğinden konsolun halihazırda kullanıldığı PVC özellikleri sınır şartı olarak ele alınıp çalışmalar yapılmıştır. Aynı zamanda, otomotiv sektöründe hafiflik, CO2 ayak izinin düşürülmesi, geri dönüşebilirlik ve ekonomiklik hususları da sınır şartı olarak ele alınmıştır. Bu nedenle, üretilen nihai kompozitler olan %5 borik asit/boraks, %5 çinko borat ve %5 üleksit takviyeli PLA/keten kompozitlerin karbon ayak izi muadili olacak PVC'den ve otomotiv sektöründe sıklıkla kullanılan polipropilen/cam kompozitlerden en az %70' daha azdır. Üretilen kompozitler PVC'ye göre yaklaşık %10 daha hafiftir ve %95'i biyobozunur ve sürdürülebilir kaynaklardan üretilmiştir. Ekonomiklik olarak, üretilen kompozitlerin matris malzemesi PVC'den daha pahalıdır ancak, keten lifi otomotiv sektöründe takviye elamanı olarak kullanılan cam ve karbona göre çok daha ucuzdur. Kompozitler mekanik özellikleri açısından PVC ve polipropilen/cam kompozit ile rekabetedebilecek niteliktedir. 

Tez çalışmasında, üretilen kompozitlerin otobüs iç konsol malzemesi olarak sınır şartlarını sağlayıp sağlamadığını araştırmak için; mekanik, ısıl, kimyasal ve fiziksel testler uygulanmıştır. Kompozitlerin mekanik özelliklerini belirlemek için çekme, eğme ve darbe deneyleri uygulanmıştır. Isıl özelliklerinin belirlenmesi için termogravimetrik analiz ve UL-94 yanma test uygulanmıştır. Kompozitlerin termomekanik özellikleri dinamik mekanik analiz yöntemi ile belirlenmiştir. Kimyasal özellikleri ve bağ yapısının belirlenmesi için FTIR analizi, ara yüzey bağının irdelenmesi için taramalı elektron mikroskobu incelemeleri yapılmıştır. Doğal lif takviyeli kompozitlerin başlıca kısıtlarından olan su tutma özelliklerinin incelenmesi için farklı su tutma zamanlarında kompozitlerin su tutma oranları ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Doğal lif takviyeli kompozitlerin yanma dayanımının iyileştirilmesi için çinko borat, üleksit ve borik asit/boraks karışımı olmak üzere üç farklı bor bileşiği keten kompozitlere ilave edilmiş ve ısıl, mekanik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, üretilen tüm kompozitlerin Arşimet yoğunlukları, sertlik değerleri ve takviye elemanlarının geçiş sıcaklıklarına ve kristallik derecesine etkileri incelenmiştir. Sonuçta, üretilen %5 borik asit/boraks, %5 çinko borat ve %5 üleksit takviyeli PLA/keten kompozitlerin otobüs iç konsol malzemesi olarak kullanılabilecek mekanik ve ısıl özelliklere sahip oldukları bulunmuştur.

Abstract:
Recently, there has been a serious awareness about the use of materials derived from renewable resources due to reasons such as global warming, environmental pollution, and the possibility of running out of oil. With the production of composite materials from natural sources, there has been a significant reduction in carbon footprint and greenhouse gas emissions from the production of composites to the end of their useful life. In addition, the use of environmentally friendly composites produced from natural resources in the automotive industry has reduced costs, lightened the vehicle, and reduced fuel consumption. In the thesis study, polylactic acid (PLA) was used as matrix material, flax fiber was used as reinforcement material, extrusion and injection processes were used as manufacturing methods. Since the composites produced within the purpose of the thesis are aimed to be used as part of the bus upper console, the properties of the polyvinyl chloride (PVC), in which the console is currently used, were considered as limitation conditions. At the same time, lightness, reduction of CO2 footprint,  recyclability, and economy are considered as limitation conditions for the automotive industry. For this reason, 5% boric acid/borax, 5% zinc borate, and 5% ulexite reinforced PLA/flax composites which have at least 70% lower carbon footprint equivalent than PVC were manufactured. The composites are approximately 10% lighter than PVC and 95% are produced from sustainable sources. In terms of economy, the matrix material of the composites produced is more expensive than PVC, but flax fiber is much cheaper than glass and carbon fiber which are frequently used as reinforcement material in the automotive industry. Composites can compete with PVC and polypropylene/glass composite which is frequently used in the automotive industry in terms of properties. 

 In the thesis study, to investigate whether the fabricated composites meet the limiting conditions as bus interior console material; mechanical, thermal, chemical, and physical tests were applied. In order to determine the mechanical properties of the composites' tensile, three-point bending and impact tests were applied. Thermogravimetric analysis and UL-94 combustion test were applied to determine composites' thermal properties such as thermal stability and flammability. Thermo-mechanical properties of composites were determined by the dynamic mechanical analysis method. FTIR analysis was performed to determine the chemical properties, bond structure, and scanning electron microscopy studies were carried out to examine the interfacial interaction between matrix-fiber. To examine the water uptake properties, which is one of the most important limitations of natural fiber-reinforced composites, the water uptake rates and mechanical properties of the composites after different water sorption times were also investigated. To improve the fire resistance, which is another limitation of natural fiber-reinforced composites, three different boron compounds which are zinc borate, ulexite, and boric acid/borax mixture, were added into the PLA/flax composites. The addition of the boron compounds on the thermal and mechanical properties of the composites was also investigated. In addition, Archimedean densities, Shore D hardness test, and the effects of reinforcement elements on transition temperatures and crystallinity degree of the composites were investigated. As a result, it was found that 5% boric acid/borax, 5% zinc borate, and 5% ulexite reinforced PLA/flax composites produced have mechanical and thermal properties that can be used as bus interior console material.