Reaktif termoplastik reçine ile sürekli elyaf takviyeli kompozit üretilmesi ve alev geciktiricilerin etkilerinin tespiti
Production of continuous fiber reinforced composite with reactive thermoplastic resin and determination of the effects of flame retardants
Yazar: AYTAÇ SUBAŞI
Danışman: PROF. DR. HASAN CAN OKUTAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam elyaf kompozitler = Glass fiber composites ; E-camı elyafı = E-glass fibre ; Plastik kompozitler = Plastic composites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates

Özet:
Bu tez çalışmasında yüksek mukavemetli kompozit üretim yöntemlerinden biri olan vakum infüzyon yöntemi ile reaktif termoplastik esaslı kompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Farklı cam fiber üreticilerinin elyafları ve alev geciktirici katkılar ile kompozit yapıların mekanik performansı değerlendirilmiştir. Şişecam ve 3B üretimi olan cam elyafları ile üretilen termoplastik (PMMA) matriksli kompozit malzemeler, termoset matriksli (Vinilester, Epoksi ve Üretan akrilik) kompozit malzemeler ile kıyaslanmıştır. Takviye malzemesi olarak Metyx Composites tarafından üretilmiş sürekli cam fiber takviyeli tek yönlü, 1200g/m² ağırlığında örgü cam kumaş tercih edilmiştir. İki farklı cam elyaf üreticisinin farklı sizing etkisi de yapılan kompozit laminatlarla incelenmiş ve çalışmada termoplastik reçinenin iki farklı cam elyaf (3B ve Şişecam) ile uyumluluğu incelenmiştir. Termoplastik polimerler eriyik sıvı halde çok viskoz malzemeler olduklarından konvansiyonel kompozit üretim yöntemlerinden biri olan vakum infüzyon yöntemi ile elyafı ıslatamadıkları bilinmektedir. Bu çalışmada kullanılan düşük vizkoziteli yeni nesil reaktif akrilik polimer ile bu sıkıntının önüne geçilmiş ve reçine akış hızı testlerinde, PMMA reçinesinin takviye kumaşlarını termosetlere göre yaklaşık %35-39 daha hızlı ıslattığı görülmüştür. PMMA matriksli kompozite alev geciktirici özelliği verilmeye çalışılmıştır. 3B cam elyafıyla üretilen PMMA kompozit malzemelere fosfatlı, inorganik ve halojenli-fosfatlı alev geciktirici katkıları farklı oranlarda eklenmiştir.  Aluminyum trihidroksit (ATH), trietilfosfat (TEP) ve trikloropropilfosfat (TCPP) katkıları %2,5, %5 ve %7,5 olarak sırasıyla farklı oranlarda eklenmiştir. Bu laminattan elde edilen numunelere testler yapılmıştır. Ek olarak sadece trietilfosfat (TEP) %15 oranında eklenerek etkisi incelenmiştir. Daha sonra bu katkıların etkisini görmek için çekme, basma, düzlem içi kesme (IPS), üç nokta eğme ve ILSS testleri yapılmıştır. Alev geciktiricilerin etkisinin gözlenmesi için UL-94 testleri uygulanmıştır.  Yapılan dikey yanma testlerinde TEP (fosfatlı) katkısı hariç diğer numunelerde etkin bir alev geciktirme özelliği görülmemiştir. TEP (fosfatlı) katkısının %15 oranında sağlandığı testlerde daha düşük katkı oranlarına göre alev geciktirme özelliğinde etkin bir artış gözlenmiştir. Ancak %15 katkı oranının UL-94'te sınıflandırılması için yeterli olmadığı ve katkı oranın attırılması halinde malzemenin sınıflandırmaya girebileceği öngörülmüştür. Yatay yönde yapılan  yanma testlerinde kompozit malzemeler bütün katkılar ve katkı oranlarında HB (yavaş yanan) olarak sınıflandırılmıştır. HB sınıflandırmanın katkı oranları ile değişmediği görülmüştür. Alev geciktirici eklenerek üretilen kompozitlere mekanik testler yapılmış ve artan oranlarda eklenen katkıların mekanik özellikleri genel olarak düşürdüğü gözlenmiştir. Tabakalar arası kayma testlerinde yapılan gözlemlerde dayanımın düştüğü gözlenmiştir. Kayma testlerinde elde edilen bu veriler katkıların elyaf matriks arayüzeyindeki bağ kuvvetlerini zayıflatarak elyaf-reçine uyumluluğunu etkilediğini göstermiştir. Genel olarak alev geciktirici katkılar birbiriyle kıyaslandığında inorganik alev geciktiricilerin düşük oranlarda katıldığında etkinlik sağlayamadığı, halojenli-fosfatlı alev geciktiricilerin inorganiklere göre daha iyi, fosfatlı alev geciktiricilere göre daha düşük etkinlikte olduğu görülmüştür. Diğer yandan %15 altındaki oranlarda katkıların alev geciktiricilik özelliği sağlayamayacağı görülmüştür. Yapılan çalışma sonunda yeni nesil reaktif termoplastik reçinelerin cam elyaf takviyeli kompozit üretiminde termoset muadillerinin yerini alabileceği ve fosfatlı alev geciktirici katkıları ile alev geciktirme özelliği verilebileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis study, reactive thermoplastic based composite materials are produced with vacuum infusion method, a method used for the production of high strength composites. The mechanical performance of the composite structures is evaluated with various fibers which used from different producers and flame retardant additives. Continuous glass fiber reinforced unidirectional glass fabric of 1200 g/sqm that is manufactured by METYX Composites is used as the reinforcement component. In the first part of the study, mechanical properties of the laminates produced with thermoset and thermoplastic matrixes are compared. In the tensile tests of the composites produced with Şişecam fiber, PMMA matrix composite material showed higher tensile strength than Vinilester and Epoxy matrix composites. It was also observed that the elastic modulus was higher than that of Vinilester, Epoxy and Urethane acrylic matrix composites. In addition, it was observed that PMMA matrix composites showed higher compressive strength than Vinilester, Epoxy and Urethane acrylic matrix composites. In the interlaminar shear (ILSS) and in-plane shear tests (IPS), PMMA gave higher strength results than Vinilester.  In the three-point bending test, PMMA showed higher bending strength than Epoxy. Similarly, it has been observed that in composites produced with 3B glass fiber, the PMMA matrix composite exhibits higher strength values than the thermoset matrices in tensile and ILSS tests. In many tests, PMMA matrix composite gives higher strength and modulus values than thermosets in two fiber types, but this difference is not higher than 10% at points where low strength and modulus values are observed. As a result of the shear tests (ILSS, IPS) in which the bond strengths between the fiber surface and the matrix are dominant, the commercially available glass fibers compatible with thermoset resins are also compatible with PMMA and they  can be used with PMMA. As a result of parallel tests with thermoset resins, PMMA can be used as an alternative to conventional thermosets in the production of glass fiber reinforced composites. Experimental  data obtained from this study provided us a useful composite design data.
In the resin flowrate tests, it was found that the PMMA resin wetted the reinforcing fabrics about %35-39 faster than thermosets. In order to remove the composite from the mold, the resin curing time to be completed by standing in the mold was 12 hours in vinyl ester and acrylic resins, 24 hours in epoxy resin and 2 hours in PMMA resin. When it is necessary to apply post-cure to thermoset resins for 5-15 hours, PMMA can be used without post-cure process. It has been determined that the PMMA resins wet the fabric faster than the thermosets, the curing time required to remain in the mold is shorter than the thermosets, and no need for an additional postcure process provided opportunities for the production cycle in the composite production to take place in a shorter time.
In another part  of  the study, phosphated, inorganic and halogenated-phosphated flame retardant additives are added in different proportions to PMMA composite materials produced by 3B glass fiber. In the UL-94 vertical burn tests, no flame retardancy was observed in other samples except TEP (phosphated) added specimens. In the tests where 15% of the TEP (phosphated) additive was provided, an effective increase in the flame retardancy was observed compared to the lower additive rates.	However, it is foreseen that the contribution rate of 15% is not sufficient for UL-94 classification and the material can be classified if the contribution rate is increased. Composite materials were classified as HB (slow burning) in all additives and additive ratios in the combustion tests performed in the horizontal direction. HB classification did not change with additive rates. 
Mechanical tests have been carried out on composites produced by flame retardant addition, and it has been observed that the additives added at increasing rates generally reduce the mechanical properties. Observations made in interlaminar shear tests showed that the strength decreased by 24% in ATH (inorganic) admixtures, 27% in TEP (phosphated) admixtures and 21% in TCPP (halogenated-phosphated) admixtures. These data obtained from the shear tests show that the additives affect the fiber-resin compatibility by weakening the bond strengths at the fiber matrix interface.
It has been found that halogen-phosphated flame retardants are better than inorganic flame retardants but less effective than phosphate flame retardants, in which inorganic flame retardants are not effective when incorporated at low rates, as compared to flame retardant additives in general. The addition of TEP (phosphated) additive with increasing amounts to the PMMA matrices will increase the flame retardancy but it will affect the fiber resin interface negatively. On the other hand, it was observed that the additives at the rates below 15% could not provide flame retarding properties.
At the end of the study,it has been determined that the new generation of reactive thermoplastic resins will also provide the advantages of thermoplastic properties in the production of glass fiber reinforced composites. This resin, besides the  advantages of thermoplastic properties (long shelf life, recycling, environmentally friendly, healthy working conditions, etc.) gives shorter production cycle.