Otomotiv endüstrileri için poliamid matrisli kompozitlerin geliştirilmesi
Development of polyamide matrix composites for automotive industries
Yazar: MERVE ŞENER
Danışman: PROF. DR. HASAN FERDİ GERÇEL
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda birçok sanayi alanında olduğu gibi otomotiv sanayisinde de hafiflik, işleme kolaylığı, iyi korozyon direnci, yüksek mekanik dayanımı ve düşük üretim maliyeti gibi başlıca avantajları nedeniyle kompozit malzemeler geliştirilmektedir. Bu çalışmanın amacı, radyatör bileşenleri, filtre yuvaları, ara bağlantı elemanları, kablolar, emniyet kemeri bileşenleri, hava yastığı ve pedallar gibi birçok otomobil bileşeni için ideal bir malzeme olan poliamid (PA)'in özelliklerini geliştirmektir. Çalışma sonucunda, PA matrisine selüloz asetat (CA) biyopolimeri ve inorganik kalsiyum karbonat (CaCO3) katkısı yapılarak mekanik ve dielektrik özellikleri iyileştirilmiş kompozit filmler geliştirilmiştir. Ca(NO3)24H2O (KN) başlangıç maddesi olarak kullanılmış ve sol-jel sitrat yöntemiyle farklı sentez koşulları altında CaCO3 nanoparçacık sentezi gerçekleştirilmiştir. Genellikle nanoparçacık sentezinde indirgeyici olarak kullanılan hidrazin gibi toksik ve tahriş edici kimyasallar yerine sitrik asit (SA) kullanılarak homojen boyut dağılımına sahip CaCO3 nanoparçacıkları sentezlenmiştir. Sentezlenen CaCO3 nanoparçacıklarının kimyasal yapısı Fourier Dönüşümlü İnfrared spektroskopisi (FTIR) ile karakterize edilmiş, kristal yapısı X ışını kırınım (XRD) yöntemi ile incelenmiş ve sentezlenen nanoparçacıkların morfolojisi ve boyut dağılımları taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ile analiz edilmiştir. Sonuç olarak, farklı sentez koşulları altında sentezlenen nanoparçacıklar arasından 125oC'de ve SA:KN=0.75:1 mol oranı ile sentezlenen nanoparçacıkların, 1-100 nm arasında homojen bir boyut dağılımı sergiledikleri görülmüş ve polimer matrisli kompozit üretiminde katkı maddesi olarak kullanılmıştır. Kompozit malzemenin bileşenleri arasındaki güçlü etkileşimler FTIR ile belirlenmiştir. Kompozit malzemelerin morfolojik yapıları, mekanik özellikleri ve termal bozunma davranışları üzerindeki etkileri sırasıyla SEM, çekme testleri ve termogravimetrik analiz (TGA) ile incelenmiştir. Yapılan çekme testleri sonucuna göre, saf PA filminin 2,2 katı kadar çekme dayanımına sahip bir kompozit film geliştirildiği sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, dielektrik sabiti ölçümleri sonucunda saf PA filmine göre %26 daha yüksek dielektrik katsayısına sahip kompozit film geliştirildiği sonucuna varılmıştır.

Anahtar sözcükler: Kompozit, Nanokompozit, Poliamid, Kalsiyum karbonat, Selüloz asetat

Abstract:
In recent years, composite materials have been developed in the automotive industry, as in many areas of industry, because of their advantages such as light weight, ease of processing, good corrosion resistance, high mechanical strength and low production cost. The aim of the present study is to improve the properties of polyamide (PA), which is an ideal material for many automobile components such as radiator components, filter housings, 	interconnect components, cables, seat belt components, airbag and pedals. As a consequence of the study, composite films with improved mechanical and dielectric properties were developed by incorporation of cellulose acetate (CA) biopolymer and inorganic calcium carbonate (CaCO3) into the PA matrix. Ca(NO3)24H2O (KN) was used as the starting material and CaCO3 nanoparticle synthesis processes were conducted by sol-gel citrate method under different synthesis conditions. CaCO3 nanoparticles with homogeneous size distribution were synthesized using citric acid instead of toxic and corrosive chemicals such as hydrazine, which is generally used as a reducing agent in nanoparticle synthesis.  The chemical structure of the synthesized CaCO3 nanoparticles was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and the crystal structure was examined by X-ray diffraction (XRD) method. Besides, morphology and size distributions of the synthesized nanoparticles were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Consequently, among the nanoparticles, synthesized under distinct synthesis conditions, the one, synthesized at 125oC and with a SA:KN mole ratio of 0.75:1, were found to exhibit a homogeneous size distribution between 1-100 nm and used as an additive in polymer matrix composite production. The strong interactions between the components of the composite material were investigated by FTIR. Mechanical properties, and thermal degradation behavior of the composite materials were investigated by SEM, tensile tests, and thermogravimetric analysis (TGA), respectively. Based on the tensile tests, it was concluded that a composite film with a tensile strength of 2.2 times that of pure PA film was developed. Also, it was concluded that a composite film with a dielectric constant of 26% higher than that of pure PA film, were developed according to the dielectric constant measurements.

Keywords: Composite, Nanocomposite, Polyamide, Calcium carbonate, Cellulose acetate