Otomotiv sektörüne yönelik bitki esaslı kompozit malzeme üretimi ve mekanik karakterizasyonu
Production and mechanical characterization of biocomposites for automotive industry
Yazar: ALPER DEMİR
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN LEKESİZ
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmanın ana amacı, bitki esaslı polimer ve doğal liflere dayanan Otomotiv sektörüne yönelik biyokompozit bir malzeme üretmek, bunu daha önce üretilmiş petrol bazlı polimer matrise dayanan kompozitlerle, mekanik özellikler bakımından karşılaştırmak ve biyokompozitlerin otomotiv sektöründe nasıl kullanılabileceğini tespit etmektir. Ayrıca dünyada kullanım alanı hızla gelişmekte olan, bitkilerden elde edilen biyobozunur, tekrar kullanılabilir ve insan sağlığına zararlı olmayan polimerler ile yine bitkilerden elde edilen doğal liflerin kompozit olarak adlandırılan malzemede etkileşimi incelemek hedeflenmiştir.
Dünyada gelişen teknolojiyle beraber aynı oranda var olan doğal kaynakların (Petrol,doğal gaz vb.) azalması bilim insanlarını, devletleri ve şirketleri yeni malzeme arayışlarına itmiştir. Bunun polimer ve polimer matrisli ya da takviyeli kompozit sektöründeki karşılığı geridönüştürülebilir polimerler olmuştur. Geridönüştürülebir polimerler ikiye ayrılır; tekrar kullanılabilir petrol bazlı termoplastikler ve bitki bazlı biyopolimerler. Birinci seçenek ekonomik olarak avantajlı olsa da sağlık ve insan populasyonunun artışı göz önüne alındığında kısa vadede geçerli olan bir çözümdür. İkinci seçenek ise bitkilerden elde edilen polimerlerin insan sağlığına zarar vermemesi ve her zaman bitki yetiştirilerek üretilebilmesi ve sekonder polimer olarak yine kullanılabilmesi sağlıklı yaşam, geridönüşüm ve kaynak kısıtlaması olmaması bakımından çok uzun vadeli bir çözüm olarak görünmektedir.
Öte yandan, otomotiv sektöründe de hammadde sıkıntısı ve geridönüştürülebilirlik bakımından yeni nesil malzeme arayışı sürmektedir. Ayrıca bazı otomobil şirketleri yukarıda sayılan iki malzeme seçeneği ile ilgili Ar-ge çalışmaları yapmakta, çeşitli öneriler sunmakta ve uygulamaktadırlar. Türkiye'de ise otomotiv sektörü açısından biyopolimer ve biyokompozit malzemelerin kullanımı henüz tam gelişmemiştir. Dünyada literatüre bakıldığında, biyokompozit sadece petrol bazlı polimere takviye edilmiş biyoliflerle (Doğal lif) üretilmiştir. Örneğin, Mercedes ® firmasının ürettiği iç ve dış panel ya da iç ve dış trim parçası olarak kullanılmak üzere tasarlanmış keten takviyeli polipropilen (PP) matrisli kompozitler söz konusudur.
Bu çalışmada %100 biyomalzemeden yapılmış, biyobozunur ve çevre dostu bir biyokompozit üzerinde çalışılmıştır. Mercedes® örneğindeki petrol bazlı polimere takviye edilmiş doğal lifli kompozitteki PP çıkararak yerine Polilaktik Asit (PLA) kullanılmıştır. Ayrıca keten lifine alternatif olarak ucuz olması nedeniyle Jüt lifi de çalışılmıştır. Keten/PLA, Jüt/PLA kompozit plakalar, granül halindeki katkısız PLA ve dokunmuş (woven) haldeki keten ve jüt kumaşlar kullanılarak sıcak presleme yöntemi ile elde edilmiştir. Ayrıca kıyaslama amacıyla aynı şekilde keten/PP ve Jüt/PP kompozit plakalar ve numuneler elde edilmiştir. Bu plakalardan lazer kesim yöntemiyle çekme ve üç noktalı eğme testleri için numuneler kesilmiştir. Bu numuneler, universal bir çekme cihazında uluslararası standartları yakalamaya özen gösterilerek test edilmiş ve kuvvet-deplasman verileri elde edilmiştir.
Kompozit teorisini kullanarak, sonlu elemanlar simülasyonuna malzeme özellikleri girdisi elde edebilmek amacıyla tüm bileşenler ayrıca tekil olarak çekme testine tabii tutulmuştur. Örnek bir otomotiv parçası olarak torpido gözü seçilmiş ve bu parça için elde dilen malzeme özellikleri ve kompozit teorisine dayanarak sonlu elemanlar simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Hem kompozitin mekanik testleri hem de sonlu elemanlar simülasyonlarına bakarak, %100 bitkisel bazlı kompozitlerin, petrol bazlı kompozitlere alternatif olup olamayacağı tartışılmıştır.

Abstract:
The main purpose of this study is to produce a biocomposite material for the automotive sector based on plant based polymers and natural fibers, to compare this with the previously produced petroleum based polymer matrix composites in terms of mechanical properties and to determine how biocomposites can be used in the automotive industry. In addition, it is aimed to examine the interaction of biodegradable, reusable and non-harmful polymers obtained from plants with the rapidly developing field of use in the world and the natural fibers obtained from plants in composite materials.
Decreasing natural resources (oil, natural gas, etc.) with the developing technology in the world has pushed scientists, governments and companies to search for new materials. The equivalent in the polymer and polymer matrix or reinforced composite sector was recyclable polymers. Recyclable polymers are divided into two; reusable petroleum-based thermoplastics and plant-based biopolymers. Although the first option is economically advantageous, it is a viable solution in the short term given the increase in health and human population. The second option seems to be a long-term solution in terms of healthy living, recycling and resource constraints since the polymers obtained from plants do not harm human health and can always be produced and grown as plants and used as secondary polymers.
On the other hand, in the automotive sector, the search for a new generation of materials continues in terms of shortage of raw materials and recyclability. In addition, some automobile companies carry out R & D studies on the two material options listed above, and offer and implement various recommendations. In Turkey, the use of biopolymers and biocomposite materials for the automotive sector is not yet fully developed. In the world literature, biocomposites are produced with bioliphs (natural fibers) supplemented only with petroleum-based polymer. For example, there are flax reinforced polypropylene (PP) matrix composites designed by Mercedes ® for interior and exterior panels or interior and exterior trim parts.
In this study, a biodegradable and environmentally friendly biocomposite made of 100% biomaterial has been studied. Polylactic Acid (PLA) was used instead of PP in the natural fiber composite reinforced with petroleum-based polymer in the Mercedes® sample. Jute fiber was also studied as an alternative to flax fiber. Flax / PLA, Jute / PLA composite plates were obtained by hot pressing by using plain PLA in granular form and woven flax and jute fabrics. Flax / PP and Jute / PP composite plates and samples were also obtained for comparison. Samples were cut from these plates for tensile and three-point bending tests by laser cutting method. These samples were tested in a universal tensile device taking care to meet international standards and force-displacement data were obtained.
Using the composite theory, all components were individually subjected to tensile testing in order to obtain material properties input to the finite element simulation. The glove compartment was chosen as an exemplary automotive part and finite element simulations were performed based on the material properties and composite theory required for this part. Both the mechanical tests of the composite and the finite element simulations, it is discussed whether 100% plant based composites can be an alternative to petroleum based composites.