Elyaf takviyeli, termoplastik matrisli kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of fiber reinforced thermoplastic composite material
Yazar: AYLİN BEKEM
Danışman: PROF. DR. AHMET ÜNAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Kimyasal ve/veya fiziksel özellikleri açısından birbirinden farklı malzemelerin aralarında ara yüzey oluşturarak meydana getirdikleri yeni malzeme grubu olan kompozit malzemelerin en önemli avantajı özelliklerinin kendisini oluşturan diğer bileşenlerden üstün olmasıdır.  
Kompozit malzemelerin yüksek mekanik, kimyasal ve fiziksel özellikler sunması kullanım alanlarını genişletmektedir. Kırık cam elyaflı kompozitler, otomotiv endüstrisi başta olmak üzere çoğu alanda kullanılırken; sürekli elyaflı kompozitler daha yüksek mekanik özelliklerin gerektiği uygulamalarda büyük öneme sahiptir.  
Günümüz plastik matrisli kompozit uygulamalarında termoset polimerlerden tercih edilmektedir. Bunun nedeni epoksi, vinil ester, polyester gibi termoset polimerlerin elyaf malzemeleri iyi ıslatması ve kolaylıkla yapışmasının gerçekleşmesi; dolayısıyla fiber-matris arayüzey bağlantısının kuvvetli olmasının sağlanmasıdır. Bunun yanı sıra termoset kompozitlerin proses edilmesi kolaydır, dolayısıyla üretim el yatırması gibi basit yöntemlerle bile gerçekleştirilebilmektedir.  
Plastik kompozit uygulamalarının özelliklerinin geliştirilmesi amacıyla yapılan yeni uygulamalarda termosete göre daha iyi özellikler gösteren diğer bir plastik türü olan termoplastikler kullanılmaya başlanmıştır. Termoplastik polimerler yüksek kimyasal dayanım, yüksek gerinim, esneklik, hafiflik ve geri dönüşüm gibi pek çok avantaja
sahiptir. Ancak bunlarda yaşanan başlıca problem arayüzeyin oluşumunu sağlayacak ıslatma ve yapışmanın yetersiz olması; buna bağlı olarak mekanik özelliklerden beklenen performansların alınamamasıdır. Ayrıca termoplastik kompozit üretimi, termoset kompozit üretimden çok daha karmaşık ve makineleşmiş (örneğin enjeksiyon, ekstrüzyon gibi) prosesler gerektirmektedir. Termoplastik hammaddesi katı durumda olmasından ötürü, bu hammaddenin öncelikle ergitilip daha sonra takviye malzemesi ile buluşturulmasını gerekmektedir. Bu işlem sırasında yüksek viskozitedeki termoplastik eriği matrisin, elyaflar üzerinde yayılımını ve takviye düzenini olumsuz yönde etkilemektedir. Elyaflarda topaklaşma ve ürün homojenizasyonunda bozulmalar bu esnada görülen hata türlerindendir.  
Termoplastik matrisin sebep olduğu bu gibi zorluklar bu tür kompozitlerin üretimleri günümüze kadar geciktirmiştir. Fakat günümüzde yeni geliştirilen gerek kimyasallar gerekse de üretim teknolojileri sayesinde bu zorlukların üstesinden gelinmekte ve termoplastik matrisin sağladığı avantajlar gün yüzüne çıkmaktadır. Bu sayede bugün endüstride üretimi yapılan termoplastik kompozit uygulamaları enjeksiyon ve ekstrüzyon prosesiyle kırık cam elyafı kullanımıyla gerçekleşir hale gelmiştir. Ancak; sürekli elyaflı kompozit üretimine izin veren proses dünyada yeni gelişmekte olup, henüz ülkemiz endüstrisinde yerini alamamıştır. Bunun sebebi; sürekli elyaflarda elyaf konsantrasyonunun fazla olmasından dolayı, yüksek viskozitedeki eriyik termoplastiğin fiberlere nüfuzunun proses boyunca homojen olarak sağlanamaması ve fiber-matris arayüzey ıslanma ve bağlanma sorunlarının oluşmasıdır. 
Bu çalışmada termoplastik polimerlerden en ucuz ve en düşük yoğunluğa sahip olan polietilen ve polipropilen matris malzemesi olarak kullanılıp, dayanım ve maliyet yönünden optimum sonuçlar sunan sürekli tarzda E-camı, E-camına alternatif yeni bir fiber türü olan basalt fiber ve yüksek performans özellikleri sunun aramid fiber ile takviyelendirilmiştir. Arayüzey özelliğinin iyileştirilmesi için çeşitli uyumlaştırıcılar denenerek, fiziksel ve mekanik testler uygulanmıştır. Sonuçlar karşılaştırılarak ideal uyumlaştırıcı oranları saptanmış ve polietilen ve polipropilen matrisli kompozit malzemelerin ara yüzeyi oluşumunun iyileştirilmesi sağlanmıştır.

Abstract:
The most important advantage of the composite, a new set of material which is formed by creating an interface between at least two materials with different chemical and/or physical properties, is to exhibit superior properties than its constituents.
Composite materials have wide application areas due to its higher mechanical, chemical and physical properties. Composites with chopped glass fiber have been using in many areas like automobile and marine industries, while continuous fiber composites have applications in the areas require higher mechanical properties.
In today's plastic matrix composite applications, thermosetting polymers are preferred. This is because thermosetting polymers such as epoxy, vinyl ester and polyester have better wetting and easer adhesion on fiber materials, therefore strong connection between fiber-matrix interfaces ensure. Additionally, it is easy to process thermoset composites, even if with a simple methods such as hand lay-up technic.
Thermoplastics, another type of plastic exhibiting better properties than thermosetting polymers, have been used in new applications with the purpose of improvement of plastic composites. Thermoplastic polymers have many advantages such as higher chemical resistance, higher strain, flexibility, light weight and recycling. However, the main problems in these are insufficient wetting and adhesion that would form interface, due to this expected performances from the mechanical properties, failure.
Also production of thermoplastic composites is much more complex then thermosetting composite production and required mechanized processes (eg., injection molding, extrusion molding, etc.). Because thermoplastic raw materials are in the solid state, these raw materials have to be first melted and then consolidated with reinforcing materials. During this process, melt of thermoplastic matrix at high viscosity effect a negative role on matrix dispersion on fibers and arrange of reinforcement. Agglomeration in fibers and product homogenization are versions of failures in the meantime. 
Such difficulties caused by thermoplastic matrix have delayed the production of these composites until today. However, thanks to new developed chemicals as well as production technologies overcome these difficulties today and the advantages of thermoplastic matrix can appear on composites. By this way, the production in the today's industry of thermoplastic composite applications has been possible by extrusion and injection processes with the use of chopped glass fibers. However, the process that allows the production of continuous fiber composite is new developing in the world, and could not take a part in our industry yet. The reason for this is higher fiber concentrations in continuous fibers, so thermoplastic melt with higher viscosity could not penetrate to fibers uniformly throughout the process and fiber-matrix interfacial wetting and bonding problems occur. 
In this study, polyethylene and polypropylene, the cheapest thermoplastic polymers with lowest densities, were used as the matrix material. These were reinforced with continuous E-glass which offers optimum strength and cost results, basalt fiber as a new type of fiber alternative to E-glass and aramid fiber as a high performance fiber. To improve interfacial adhesion various compatibilizers were applied and some physical and mechanical tests were done. The ideal compatibilizer ratios were determined by comparing results and formation of interface was improved in polyethylene and polypropylene matrix composite materials.