Kenevir partikül takviyesinin Akrilonitril-Bütadien-Stiren (ABS) amorf polimerin mekanik davranışları üzerine etkilerinin araştırılması
Investigation of effects of hemp particle reinforcement on mechanical behaviors of Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) amorphous polymer
Yazar: OSMAN ÖZENÇ
Danışman: DOÇ. DR. DAVUT ERDEM ŞAHİN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET AKİF DÜNDAR
Yozgat Bozok Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kenevir = Hemp ; Modal analiz = Modal analysis

Özet:
Bu çalışmada, endüstriyel olarak önemli Akrilonitril-Bütadien-Stiren (ABS) amorf polimerine kenevir partikül eklenmesinin, çekme, basma, üç nokta eğme ve darbe gibi çeşitli yüklemeler altındaki mekanik davranışları üzerindeki etkilerini araştırılmıştır. Alkali işlem görmüş kenevir lifi (<500 μm) takviyeli ABS biyokompozitin çekme, basma, üç nokta eğme ve darbe test numuneleri, üç farklı ağırlık oranında (1% wt, 5% wt ve 10% wt) enjeksiyon kalıplama yöntemiyle ilgili standartlara uygun olarak üretilmiştir. Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) analiz sonuçları, ABS matrisi ve kenevir partikülleri arasında kimyasal bağlanmanın olmadığını, bağlamanın mekanik bir kilitlenme mekanizmasına dayandığını göstermiştir. X-ışını kırınım analizi (XRD) sonuçları, partikül oranının artmasının ABS'nin kristallenme derecesinde bir azalmaya yol açtığını göstermiştir. Çekme ve basma testlerinden elde edilen sonuçlar, kenevir partiküllerinin eklenmesinin ABS'nin hem çekme hem de basma dayanımını olumsuz yönde etkilediğini ortaya koymuştur. Bununla birlikte, partikül oranı arttıkça ABS'nin hem çekme hem de basma modülünde önemli bir artış gözlenmiştir. Üç nokta eğme testlerinden elde edilen sonuçlar, partikül oranının artmasıyla ABS'nin eğilme modülünde bir iyileşme ancak eğilme dayanımında bir azalma neden olduğunu göstermiştir. Üretilen malzemelerin farklı eğme hızlarındaki üç nokta eğme test verileri, ABAQUS mühendislik yazılımında Drucker-Prager malzeme modeli kullanılarak başarıyla yeniden üretilmiştir. Çok eksenli darbe testi sonuçları, ABS'nin darbeye karşı mekanik performansının partikül oranı arttıkça azaldığını ortaya koymuştur. Çekme, basma, üç nokta eğme ve darbe altında ABS'nin dayanımında gözlenen azalmanın temel nedeni, çekme test numunelerinin kopma yüzeylerinde Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) tarafından belirlenen, ABS matrisi ile partiküller arasında güçlü bir yapışma olmaması olarak belirlenmiştir. Ayrıca, biyokompozitler üzerinde deneysel modal analizler gerçekleştirilerek, doğal frekans, sönüm oranı ve mod şekli gibi malzeme dinamik parametrelerine kenevir partikül eklenmesinin etkisi de incelenmiştir. Modal analiz sonuçları, ABS'nin ilk üç doğal frekansının partikül oranı arttıkça arttığını göstermiştir. Modal deneylerden elde edilen ilk üç doğal frekans ve buna karşılık gelen mod şekilleri, ABAQUS programı ile yapılan nümerik modal analiz ile başarılı bir şekilde yeniden üretilmiştir.

Abstract:
This study explores the effects of hemp particle addition on the mechanical behaviors of an industrially-important Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) amorphous polymer under various loadings such as tension, compression, three-point bending, and impact. The tensile, compression, three-point bending, and impact test specimens of alkali-treated hemp fiber-reinforced (<500 μm) ABS biocomposite were produced in accordance with the standards using the injection molding method at three different weight ratios (1% wt, 5% wt, and 10% wt). The results of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analyses revealed the lack of chemical bonding between ABS matrix and hemp particles, signifying that the bonding takes place based on a mechanical interlocking mechanism. X-Ray Diffraction analysis (XRD) results showed that increasing particle content leads to a decrease in the crystallinity of ABS. Results from the tension and compression tests indicated that both tensile and compressive strengths of ABS are adversely affected by the addition of hemp particles. On the contrary, a considerable enhancement in both the tensile and compressive modulus of ABS was observed while particle content increased. Results attained from the three-point bending tests suggested that increasing particle content induces an improvement in the flexural modulus of ABS but a decrease in its flexural strength. The three-point bending test data of the fabricated materials at different bending speeds was successfully reproduced by using the Drucker-Prager material model in ABAQUS engineering software. The multiaxial impact test results put forth that the mechanical performance of ABS against impact deteriorates with increasing particle content. The lack of strong adhesion between the ABS matrix and particles detected by Scanning Electron Microscopy (SEM) on the ruptured surfaces of the tension test specimens was concluded to be the main cause for the decrease observed in the strength of ABS under tension, compression, three-point bending, and impact. Furthermore, the effect of hemp particle addition on material dynamic parameters, including natural frequency, damping ratio and mode shape, was examined by carrying out modal experiments on the resulting biocomposites. The modal analysis results suggested that the first three natural frequency of ABS increases with increasing particle content. The first three natural frequency and corresponding mode shapes obtained from modal experiments were successfully reproduced by numerical modal analysis with the ABAQUS program