Atık karbon elyaf yeniden kullanımı için polimer matrisli hibrit kompozit malzeme geliştirilmesi
Development of polymer matrix hybrid composite material for reusing waste carbon fiber
Yazar: HÜROL KOÇOĞLU
Danışman: PROF. DR. BABÜR ÖZÇELİK ; PROF. DR. GÜRALP ÖZKOÇ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Eroziv aşınma = Erosive wear ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Sentetik lif atıkları = Synthetic fiber wastes ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates ; Yüzey modifikasyonu = Surface modification

Özet:
Yakın geçmişte özellikle karbon emisyonun azaltılması ve yakıt ekonomisini sağlamak adına hafif ve yüksek dayanımlı malzemelerin geliştirilmesi oldukça ilgi kazanmıştır. Bu süreçte, üstün spesifik özellikleri nedeniyle karbon elyaf ve karbon elyaf takviyeli kompozitler geniş kullanım alanları bulmuştur. Karbon elyafa artan talep zamanla yüksek miktarda karbon elyaf içerikli atığın oluşmasına neden olmuş ve bu atıkların yeniden kullanıma kazandırılması çekici bir çalışma alanı haline gelmiştir. Çoğunlukla geleneksel enjeksiyon kalıplama yöntemi ile yeniden kullanımı sağlanan atık karbon elyaflar potansiyelini tam anlamı ile sergileyememektedir. Bu durum atık karbon elyafın yeniden kullanım verimini arttırmak adına yeni yöntem arayışlarını tetiklemiştir. Bu tez çalışmasında kısa atık karbon elyafların yeniden kullanım verimini arttırmak adına yeni bir üretim yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu yaklaşım ile kısa atık karbon elyafların yüksek katma değerli sürekli elyaf yapılar içerisinde kullanımının sağlanması amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında kısa atık karbon elyaflar poliamit 6.6 (PA6.6) elyaflar ile laboratuvar ortamında işlenerek hibrit dokunmamış keçeler haline getirilmiş ve cam elyaf kumaşlar arasına dizilerek sıcak preslenerek özgün hibrit kompozit laminatlar elde edilmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında özgün hibrit kompozitlerin içerdiği atık karbon elyaf miktarının ve cam kumaş yüzey modifikasyonu türünün fiziksel, mekanik ve dinamik mekanik özellikler üzerine etkileri irdelenmiştir. İkinci aşamada, geliştirilen hibrit kompozitlerin malzeme içeriğinin tribolojik özelliklerine etkileri incelenmiş, son aşamada ise hibrit kompozit laminatların çevresel koşullar altında özellik değişimleri gözlemlenmiştir. Deneysel çalışmalar sonunda bu üretim yaklaşımı ile atık karbon elyafların sürekli elyaf takviyeli kompozitlerin çekme dayanımını %24, elastik modülünü %20, eğme dayanımını %60 ve eğme modülünü %50 oranında arttırabildiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca cam kumaş yüzey modifikasyonunun özgün hibrit kompozitlerin eğme özelliklerine oldukça yüksek etki sağladığı görülmüştür. Atık karbon elyaf kullanımı kompozit malzemenin erozif aşınma davranışını olumsuz etkilerken, çizilme sertliğini arttırmıştır.

Abstract:
In the recent past, the development of light and high-strength materials has gained high interest, especially to reduce carbon emissions and provide fuel economy. In this process, thanks to their superior specific properties, carbon fiber and carbon fiber reinforced composites have found wide application areas. Increasing demand for carbon fiber has led to generate huge amount of waste containing carbon fiber and reusing these wastes has become an attractive field of study. Waste carbon fibers, which are mostly reused by traditional injection molding method, cannot fully demonstrate their potential. This situation has triggered the search for new methods to increase the reuse efficiency of waste carbon fiber. In this thesis, a new production approach has been developed to increase the reuse efficiency of short waste carbon fibers. With this approach, it is aimed to ensure the use of short waste carbon fibers in high value-added continuous fiber structures. Within the scope of the study, short waste carbon fibers were processed with polyamide 6.6 (PA6.6) fibers in the laboratory and turned into hybrid non-woven mats and hot pressed between glass fiber fabrics and novel hybrid composite laminates were obtained. In the first stage of the study, the effects of waste carbon fiber content and glass fabric surface modification on physical, mechanical, and dynamic mechanical properties of the novel hybrid composites were examined. In the second stage, the effects of the material content of the developed hybrid composites on the tribological properties were examined. In the last stage, the property changes of the hybrid composite laminates under environmental conditions were observed. At the end of the experimental studies, this novel production approach resulted in that waste carbon fibers can increase the tensile strength of continuous fiber reinforced composites by 24%, elastic modulus by 20%, bending strength by 60% and bending modulus by 50%. In addition, it has been observed that the glass fabric surface modification has a very high effect on the bending properties of the novel hybrid composites. While waste carbon fibers negatively affected the erosive wear behavior of the composite material, it increased the scratch hardness.