Doğal lif takviyeli sandviç polimerik kompozitler
Natural fiber reinforced sandwich polimeric composites
Yazar: YEKTA KARADUMAN
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT ÖNAL
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Bölümü / Tekstil Teknolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Lifli kompozitler = Fiber composites ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Bu çalışmada doğal lif takviyeli sandviç kompozitler üretilerek mekanik özellikleri karakterize edilmiştir. Sandviç kompozitlerin üretiminde yüzey elemanı olarak farklı oranlarda jüt lifi içeren jüt/polipropilen (PP) karışımı dokusuz yüzey kumaşla takviye edilmiş kompozit plakalar kullanılmıştır. Sandviç kompozitlerde merkez elemanı olarak ise farklı kalınlıklarda balsa odunu, polyester (PET) köpük ve polipropilen (PP) balpeteği yapılar kullanılmıştır. Üretilen sandviç kompozitlerin mekanik özellikleri deneysel olarak incelenmiş, aynı zamanda analitik ve nümerik olarak modellenmiştir. Üretilen sandviç kompozitlerin otomotiv endüstrisinde hafif, ucuz ve sağlam mühendislik malzemeleri olarak kullanım olanakları incelenmiştir.

Sandviç üretimi için öncelikle jüt/PP karışımı dokusuz yüzey kumaşlarla takviye edilmiş kompozit yüzey plakaları üretilmiştir. Kompozit yapıda iyi bir lif matris-arayüzü elde etmek amacıyla kompozit üretiminden önce jüt/PP dokusuz yüzey kumaşlar alkali (NaOH) işleme tabi tutulmuştur. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizi alkali işlemin lif-matris arayüzünü geliştirdiğini göstermiştir. Alkali işlem görmüş jüt/PP dokusuz yüzeyler ve PP granüller kullanılarak kompozit plakalar üretilmiştir. Üretilen plakaların çekme ve eğme özellikleri karakterize edilmiştir. Kompozit malzemede jüt lifi oranı arttıkça kompozit yapının mekanik özelliklerinin arttığı gözlemlenmiştir.

Jüt/PP kompozit plakalar ile farklı kalınlıklarda üç farklı merkez elemanı (balsa odunu, PET köpük, PP balpeteği) kullanılarak sandviç kompozitler üretilmiştir. Üretilen sandviç kompozitlerin üç noktadan eğme, darbe ve basma testleri gerçekleştirilmiştir.

Sandviç kompozitlerin eğme özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Genel olarak sandviç kompozitlerde lif oranı arttıkça eğme özelliklerinin geliştiği gözlemlenmiştir. Sandviç kompozitlerin eğme özellikleri Euler-Bernoulli ve Timoshenko kiriş teorileri kullanılarak analitik olarak modellenmiştir. Bunun yanında eğme özellikleri sonlu elemanlar metodu (FEM) kullanılarak nümerik olarak modellenmiştir. Nümerik modellemede ANSYS 9.0 sonlu elemanlar yazılımı kullanılmıştır. Modelleme sonuçları deneysel sonuçlar ile mukayese edilmiştir. Euler-Bernoulli modeli sandviç yer değiştirmelerini deneysel durumdan daha küçük tahminlerken Timoshenko ve FEM modelleri sandviç eğme özelliklerini yüksek doğrulukta tahminlemiştir.

Sandviç kompozit yapıların darbe özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Sandviçlerde lif oranı arttıkça darbe özelliklerinin geliştiği gözlemlenmiştir.

Sandviç kompozitlerin basma özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Sandviçlerde lif oranı arttıkça basma özelliklerinin geliştiği gözlemlenmiştir.

Sandviç kompozitlerde yüzey plaka ile merkez elemanı arasındaki arayüzün durumu SEM analizi ile incelenmiştir. Arayüz boyunca iyi bir yapışma gözlemlenmiştir.

Deneysel tasarım ve ANOVA kullanılarak sandviç kompozitlerin üretim parametrelerinin mekanik özelliklere etkisi istatistiksel olarak incelenmiştir.

Doğal lif takviyeli sandviç kompozitlerin otomotiv endüstrisinde kullanım olanakları araştırılmıştır. Sonuç olarak bu kompozitlerin otomotiv endüstrisinde ucuz, hafif ve sağlam mühendislik malzemeleri olarak kullanılabileceği öngörülmüştür.  

Anahtar Kelimeler: Jüt/PP dokusuz yüzey kumaş, sandviç kompozitler, mekanik özellikler, analitik modelleme, sonlu elemanlar metodu, otomotiv endüstrisi.

Abstract:
In this study, natural fiber reinforced sandwich composites were produced. Jute/ polypropylene (PP) composite plates reinforced with jute/PP nonwoven fabrics of different fiber fractions were used as facing materials in sandwich production. Balsa wood, polyester (PET) foam and polypropylene (PP) honeycomb with different thicknesses were used as core materials in sandwich composites. The mechanical properties of the sandwiches were investigated experimentally as well as using analytical and numerical methods. The potential usage of these sandwich composites in automotive industry as cheap, lightweight and strong engineering materials was investigated.

Jute/PP composite plates reinforced with jute/PP nonwoven fabrics were produced as facing materials in sandwich composites. Jute/PP nonwoven fabrics were treated with NaOH solution prior to composite production in order to improve fiber-matrix interface in composites. Scanning electron microscopy (SEM) analysis showed that alkali treatment leads to a better fiber-matrix interface of the composites. Composite plates were produced using alkali treated jute/PP nonwoven fabrics and PP granules. Tensile and bending properties of the composite plates were characterized. It was shown that the mechanical properties of the composites improve with an increase in jute fiber content.

Sandwich composites were produced using the jute/PP composite plates and three different core materials i.e., balsa wood, PET foam and PP honeycomb with different thicknesses. Three-point bending, impact and compression tests of the sandwiches were carried out.   


Bending properties of the sandwich materials were determined experimentally. Generally, the bending properties of the sandwiches improved as the fiber content increases. Bending properties of the sandwiches were modelled analytically using Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories. Furthermore, the bending properties of the sandwiches were modelled numerically using finite element method (FEM). ANSYS finite element software was used for numerical modelling. Experimental and modelling results were compared. Euler-Bernoulli model yielded smaller deflection values when compared to experimental results. Timoshenko and FEM models yielded a good estimation of sandwich bending properties.        

The impact properties of the sandwiches were determined experimentally. Impact properties of the sandwiches improved as the fiber content increases.

The compression properties of the sandwiches were determined experimentally. It was shown that the compressive properties of the sandwiches improve as the fiber content increases.

SEM analysis was carried out to evaluate the interface between the facing and core materials in the sandwich composites. A good interface adhesion was observed.

The effect of manufacturing parameters on the mechanical properties of the sandwich composites was analyzed statistically using design of experiments (DOE) and ANOVA.

The potential usage of natural fiber reinforced sandwich composites in automotive industry was investigated. It was concluded that these materials can be used in automotive industry as cheap, lightweight and strong engineering materials. 

Keywords: Jute/PP nonwoven fabric, sandwich composites, mechanical properties, analytical modelling, finite element method, automotive industry.