Atık strafor kullanarak grafen takviyeli polistiren kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of graphene reinforced polystyrene composites using waste styrofoam
Yazar: AMIN FIYOUJ
Danışman: DOÇ. DR. MEVLÜT GÜRBÜZ
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada atık strafordan elde edilen polistiren matris malzeme, takviye elemanı olarak ta grafen (ağ. % 0, 0.15, 0.30, 0.45, 0.60, 0.75 ve 1), aerojel (ağ.% 3, 6 ve 9) ve grafen-aerojel kullanılarak kompozitler üretilmiştir. Elde edilen kompozitlere çekme dayanımı, Shore sertlik testi, yanmazlık (LOI) testleri uygulanmıştır. Kompozitlerin mikroyapıları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile analiz edilmiştir. Ayrıca TG ve FTIR analizleri de yapılmıştır.
Sonuçlardan grafen takviyeli kompozitlerde çekme dayanımı takviyesiz örneklerle (0.67 MPa) kıyaslandığında, maksimum çekme dayanımı  ağ.%0.45 grafen içeren kompozitte ( 2.84 MPa) elde edilmiştir.  Shore sertlik testi sonucunda ise ağ.%0.45 grafen için en yüksek değer (194) elde edilmiştir. Artan grafen oranıyla çekme dayanımında ve sertlik değerinde düşüş gözlenmiştir. Aerojel takviyeli kompozitlerde ise ağ.9% aerojel içeren kompozit 0.85 MPa maksimum çekme dayanımı göstermiş, Shore sertliği ise 202'ye kadar arttığı görülmüştür. Mekanik özellik olarak en iyi kompozisyon olan ağ.%0.45 grafen içeren komppozite aerojel takviyesi yapılmış ve en yüksek çekme dayanımı sonucu 3.84 MPa olarak bulunmuştur. Sertlik testinde ise bu değer 150 olarak tesbit edilmiştir. Bu kompozitlerin yanma test sonuçlarından grafen takviyeli kompozitlerde sahip olduğu yüksek termal iletkenlikten dolayı yanma oranı artmış (%5.04), aerojel takviyesiyle ise artan miktara bağlı olarak polistirene (%1.74) göre yanma oranı (%0.54) earojelin oldukça düşük termal iletkenliğinden dolayı oldukça azalmıştır. Aerojel ve grafenin birlikte olduğu kompozitlerde ise en düşük yanma oranı %1.42 olarak belirlenmiştir.
Sonuç olarak belli bir değere kadar grafen takviyesi mekanik özellikler üzerine olumlu etki yaparken, yanmazlık özelliklerini olumsuz etkilemiştir. Diğer taraftan optimum miktarda grafen içeren kompozisyona aerojel takviyesinin yapılması hem mekanik hemde yanmazlık konusunda polistirene göre daha yüksek sonuç vermiştir.  Aerojel tek başına kullanıldığında daha çok yanmazlık özelliğinin gelişmesine katkı vermiştir.

Abstract:
In this study, polystyrene obtained from waste styrofoam, graphene (0, 0.15, 0.30, 0.45, 0.60, 0.75 and 1 wt.%), aerogel (3, 6 and 9 wt.%) and graphene-aerogel  were used as matrix and reinforcement elements to fabricate composites.  Tensile strenght, Shore hardness test, flammability (LOI) tests were applied to the obtained composites. The microstructures of the composites were analyzed by scanning electron microscopy (SEM).
From the results, the maximum tensile strength was obtained (2.84 MPa) in the composite containing 0.45 wt.% graphene. As a result of the Shore hardness test, the highest value (194) was obtained for 0.45 wt. % of graphene. A decrease in tensile strength and hardness value were observed with increasing graphene ratio. In aerogel reinforced composites, the composite containing 9 wt. % of aerogel showed a maximum tensile strength of 0.85 MPa, and the Shore hardness increased up to 202. Aerogel reinforcement was applied to the composite containing 0.45 wt.% graphene, and the highest compressive strength was found to be 3.84 MPa. In the hardness test, this value was determined as 150. From the flammability test results of these composites, the flammability rate increased (5.04 %) due to the high thermal conductivity of the graphene, and the flammability rate of these composites decreased (0.54%) compared to the polystyrene (1.74 %) with the aerogel reinforcement, due to the very low thermal conductivity of the aerogel. In composites with aerogel-graphene, the lowest flammability rate was determined as 1.42%.
As a result, while graphene reinforcement had a positive effect on mechanical properties up to a certain value, it had a negative effect on non-flammability properties. On the other hand, the addition of aerogel to the composition containing the optimum amount of graphene gave higher results than polystyrene in terms of both mechanical and non-flammability. When aerogel is used, it has contributed to the development of its non-flammability feature.