Karbon ve cam yünü dokuma kumaşları ile odun plastik kompozitlerinin teknik özelliklerinin geliştirilmesi
Development of technical properties of wood plastic composites with woven carbon and glass fiber fabrics
Yazar: SEFA DURMAZ
Danışman: PROF. DR. YUSUF ZİYA ERDİL ; YRD. DOÇ. DR. ERKAN AVCI
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Ağaç İşleri Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products
Dizin: Kompozit polimerler = Composite polymers ; Sentetik dokuma = Textile raw materials ; Termoplastik malzemeler = Thermoplastic materials

Özet:
Bu çalışmada, odun plastik kompozitleri cam ve karbon lifi dokuma kumaşlar ile güçlendirerek teknolojik özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla 2 farklı kumaş tipi (cam ve karbon lifi) ve 2 farklı dokuma yoğunluğu (~200 gr/m2 ve ~400 gr/m2) kullanılmıştır. Çalışma için 3 farklı odun unu oranı (% 40, 50 ve 60) ve 2 farklı termoplastik polimer türü (polietilen ve polipropilen) seçilmiştir. Ayrıca % 3 oranında uyumlaştırma ajanı kullanımının kompozit özelliklerine etkisi incelenmiştir. Örneklerin fiziksel (yoğunluk, su alma/kalınlığına şişme, yüzey pürüzlülüğü), mekanik (statik eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülü, çekme direnci, vida tutma direnci, Janka sertlik) dış ortam dayanımı, termal (LOI ve TGA analizi) ve biyolojik dayanım özellikleri incelenmiştir. Ayrıca mikroskobik inceleme de yapılmıştır.
Dokuma kumaşlar ile güçlendirme mekanik özellikleri dikkate değer derecede arttırmıştır. Eğilme direnci değerleri % 262'ye kadar arttırılırken, elastikiyet modülü değerleri % 246'ya kadar arttırılmıştır. Çekme direnci değerlerinde % 1325'e varan artışlar elde edilmiştir. Vida tutma direncinde ise % 83'e kadar artış sağlanmıştır. En yüksek mekanik özellikler 200 gr/m2 karbon ve 400 gr/m2 cam dokuma kumaşlar ile güçlendirilmiş örneklerden elde edilmiştir. Yüksek yoğunluklu polietilen en yüksek değerlerin elde edilmesini sağlamıştır. TGA analizi sonuçlarına göre cam ve karbon lifleri yüksek sıcaklıklara kadar bozunum göstermediği için kompozitin termal özellikleri de iyileştirilmiştir. Güçlendirme işleminin sertlik değerlerini olumlu etkilediği gözlemlenmiştir. 
Hızlandırılmış yaşlandırma testi sonrası en yüksek eğilme direnci ve eğilmede elastikiyet modülü değerleri kontrol örneklerine kıyasla güçlendirilmiş odun plastik kompozitlerinden elde edilmiştir. Dış ortam şartlarına maruz kalan örnek yüzeylerinde meydana gelen değişimler ATR-FTIR ve mikroskobik analiz ile incelenmiştir. Odun ve polimerin kimyasal yapısındaki oksidasyon reaksiyonları ATR-FTIR analizi ile ortaya çıkartılmıştır. Işık mikroskobu ile yüzeydeki bozunma net bir şekilde görüntülenmiştir. Artan odun unu miktarı çürüklük mantarlarına karşı hassasiyeti arttırmıştır. Taramalı elektron mikroskobu ile dokuma kumaşların odun/polimer karışımı içerisindeki durumu incelenmiştir. 200 gr/m2 karbon dokuma kumaşların matris içerisine daha iyi entegre olduğu görülmüştür.

Abstract:
The aim of this study was to improve technological properties of wood plastic composites (WPC) reinforced with woven glass and carbon fiber fabric. For this purpose, 2 different woven fabric (glass and carbon) and 2 different fabric density (~200 gr/m2 ve ~400 gr/m2) were used. 3 different wood flour content (40 %, 50 % and 60 %) and 2 different thermoplastic type (polyethylene and polypropylene) were selected for study. The effect of coupling agent was also investigated. The physical (density, water absorption, surface roughness), mechanical (flexural strength and modulus, tensile strength, hardness, screw withdrawal strength), artificial weathering, thermal (LOI and TGA analysis), and biological properties of samples were investigated. The microscopic examination was also carried out.
According to results, significant increase for mechanical properties with reinforcement was observer. Flexural strength was improved up to 262 %, the increase for modulus of elasticity was 246 %. Tensile strength was increased up to 1325 %. Screw withdrawal resistance was enhanced up to 83 %. The highest mechanical properties were obtained from samples reinforced with 200 gr/m2 carbon and 400 gr/m2 glass fiber woven fabric. The high-density polyethylene provided better properties. Since the degradation temperature for glass and carbon fiber is very high, reinforcement also improved the thermal properties of composites according to TGA analysis. It was also observed that reinforcement positively affected hardness of WPCs.
After weathering test, the higher flexural strength and modulus of elasticity was obtained from reinforced wood plastic composites with compared to control samples. The changes on the surface of samples exposed to weathering conditions was investigated with ATR-FTIR spectroscopy and microscopic analysis. ATR-FTIR spectroscopy revealed the oxidation reactions in the wood and polymer chemical structure. Light microscopy also showed the photo-degradation on the surface. Increasing wood flour content increased sensitivity against fungus. Scanning electron microscopy demonstrated the position of woven fabric in the wood/polymer matrix. It was seen that woven carbon fiber fabric with 200 gr/m2 better integrated with matrix.