Kısa ve uzun liflerin tümü selüloz olan kompozit malzemenin termo-mekanik özellikleri üzerine etkisi
The effect of short and long fibers on thermo-mechanical properties of all cellulose composite
Yazar: AYYÜCE GÜZİDE TEKE
Danışman: PROF. DR. CELİL ATİK
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ormancılık ve Orman Mühendisliği = Forestry and Forest Engineering
Dizin: Kompozitler = Composites ; Nanoselüloz = Nanocellulose ; Selüloz = Cellulose

Özet:
Son yıllarda selüloz lifi ile güçlendirilmiş kompozit malzemelerle ilgili çalışmalar hız kazanmıştır. Selülozun doğada bol bulunan bir kaynak olarak çözünebilir oluşu, düşük yoğunlukla yüksek mekanik mukavemet sağlaması bu araştırmaların temel nedenlerindendir. Yine de selüloz lifi karışımlı plastik esaslı kompozitler doğada tamamıyla bozunmadığından bu çalışmada, farklı oranlarda kısa ve uzun selüloz lifi kaynakları kullanılarak elde edilen kâğıt numunelerinden hem matris hem takviye kısımları selüloz olacak şekilde tümü selüloz esaslı biyokompozit malzeme üretiminin gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Plastik ve selülozik lif arasındaki ayırıcı özelliklerden biri, bu iki ürünün termal davranışıdır. Selülozik lifin termal davranışı plastik lifin kullanım alanlarında nasıl yer alabileceğine bir ışık tutabilir. Çalışmada, bu amaçla çeşitli mekanik ve termo-mekanik özelliklerin belirlenmesi ve değişkenlerin termo-mekanik özellikler üzerindeki etkileri araştırılmıştır Mukavemet özellikleri kullanım amacına göre önem arz eden en önemli fiziksel davranış özellikleridir ve çalışmada sırası ile TMN (ağ. %3) ve SHÜ (ağ. %1) örneklerinin patlama ve yırtılma indisi değerlerinde artış tespit edilmiştir. TMH örneklerinde mekanik, termo-mekanik ve optik özellikler bakımından belirgin düşüş saptanmıştır. 45 °SR'de YKÇ metodu ile üretilen örnekler arasında patlama ve çekme indislerinde sırası ile %74,76 ve %78,04'e kadar, yırtılma indisi için ise %89,93'e kadar iyileşme gerçekleşmiştir. 55 °SR ile dövülen liflerden üretilen örneklerde yırtılma indisi değerlerinde %84'e kadar iyileşme gerçekleşmiştir. Termo-mekanik analiz sonuçlarına göre TMH örneklerinde daha fazla boyuna yönde büzülme ve kalınlıkta daralma oluşmuş yani en yüksek deformasyon bu grupta gerçekleşmiştir. Bu kimyasal maddenin tümü selüloz esaslı kompozit üretiminde kullanılmaması önerilmektedir. Bununla birlikte TMN örneklerinin gösterdiği gelişim dikkat çekmektedir. İkinci kısımda uygulanan termo-mekanik analiz sonuçlarına göre en düşük deformasyonun 45 ve 55 °SR'de uzun lif ve 45°SR'de harman lif örnekleri üzerinde gerçekleştiği tespit edilmiştir. Kâğıdın z yönü deformasyon ve boyutsal değişimin en fazla gerçekleştiği yöndür. Örneklerin kalınlıkta gerçekleşen daralma oranları incelendiğinde tüm örneklerde maksimum %-4'e kadar boyutsal değişim meydana gelmiştir. Minimum boyutsal değişim (%-1,5) 45 °SR uzun lif örneklerinde gerçekleşmiştir. Hem termo-mekanik özellikler bakımından boyutsal değişimin daha az gerçekleştiği hem de çeşitli fiziksel direnç özellikleri bakımından artışın en yüksek oranda gerçekleştiği görülen uzun ve harman lif örneklerinin tümü selüloz esaslı kompozit malzeme üretilebilirliği, sabit bir sıcaklık ve nem dengesinde daha kararlı hale getirilerek kullanılabilirliği ortaya konmuştur.

Abstract:
In recent years, studies on composite materials reinforced with cellulose fiber have had an increasing interest. Cellulose is not only an abundant resource in nature and a reusable material but also provides high mechanical strength with low density, that are the main reasons for these studies. However, since plastic-based composites with cellulose fiber do not completely decompose in nature, in this study it is aimed that producing all cellulose-based biocomposite materials by using short and long cellulose fibers at different rates, with both matrix and reinforcement parts being cellulose. One of the distinguishing features between plastic and cellulosic fiber is the thermal behaviour of these two products. The thermal behaviour of cellulosic fiber can light on how it can be used instead of plastic fiber. For this purpose, the determination of various mechanical and thermo-mechanical properties and the effects of variables on thermo-mechanical properties were investigated in this study. Strength properties are the most important physical behavior properties according to the purpose of use, and an increase in burst and tear index values of TEMPO modified nanocellulose (3% wt.) and sodium hydroxide modified (1% wt.) samples were obtained, respectively. Significant decreases were observed in TMH samples in terms of mechanical, thermo-mechanical and optical properties. Among the samples produced by the YKÇ method at 45°SR, an improvement of 74.76%, 78.04% and 89.93% was achieved in burst, tensile and tear indexes, respectively. In the samples produced from fibers with 55 °SR, the tear index values improved up to 84%. According to the results of thermo-mechanical analysis, more longitudinal shrinkage and narrowing in thickness occurred in TMH samples, that is, the highest deformation occurred in this group. It is recommended that this chemical not be used in the production of cellulose-based composites. However, a remarkable development of TMN samples was obtained. According to the results of the thermo-mechanical analysis applied in the second part, it was determined that the lowest deformation occurred on the long fiber samples at 45 and 55 °SR and on the mixed fiber samples at 45°SR. The z-direction of the paper is the direction in which the deformation and dimensional change occur the most. When the shrinkage rates of the samples were examined, a dimensional change up to a maximum of 4% occurred in all samples. The minimum dimensional change (-1.5%) occurred in 45°SR long fiber samples. All of the long and mixed fiber samples, which were found to have less dimensional change in terms of thermo-mechanical properties and the highest increase in terms of various mechanical properties, demonstrated the usability of all cellulose-based composite materials by making them more stable at a constant temperature and humidity balance.