Hidrofobik dolgu içeren polimerik kompozitlerin uzun dönem su emme davranışlarının incelenmesi
Investigation of long-term water absorption behavior of polymer composites containing hydrophobic filler
Yazar: NURTEN EKİN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET GALİP İÇDUYGU
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, hidrofobik nano-silika katkısının epoksi ve poliester temelli Fiber Destekli Polimerik Kompozitler (FDPK)'in su emme davranışı üzerine etkisi 11 ay boyunca örneklerin fiziksel, kimyasal, mekanik ve termal özellikleri takip edilerek araştırılmıştır. Cam ve karbon kumaş takviyeli kompozit malzemelerin içindeki nano-silika oranı değiştirilerek örneklerin su emme profilindeki gelişmeler takip edilmiştir. 
Bu çalışmayı daha önceki çalışmalardan ayıran en büyük fark, kompozit malzemelerin uzun vadeli su emme davranışı üzerine hidrofobik nano dolguların etkisinin kimyasal, fiziksel, mekanik ve termal açıdan değerlendiren bir çalışma olmasıdır. Bildiğimiz kadarıyla literatürde kompozit malzemelerde hidrobik nano katkıların uzun süreli su emme davranışı üzerine etkisini kimyasal, fiziksel, mekanik ve termal boyutları ile inceleyen çok fazla çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmayla, tanecik boyutunun, dolgu miktarını, reçine ve fiber türünün kompozit malzemenin su emme davranışı üzerine etkisi 11 ay boyunca örnekler saf su içine daldırılarak takip edilmiştir. Bu proje kapsamında elde edilen bulgular kompozit malzemelerde su hasarının önlenmesine ve diğer birçok uygulama için üstün özelliklerde yeni malzemelerin geliştirilmesine imkân sağlayacaktır.
Bu çalışmada iki farklı tanecik boyutuna sahip nano silika (Aerosil R812 ve Aerosil R972) farklı oranlarda poliester ve epoksi reçine ile birleştirilerek 15x15 cm boyutunda karolar üretilmiştir. Üretim; 20x20 cm boyutundaki paslanmaz çelik kalıp içine bir parça yapışmayan film, onun üzerin 15x15 cm kumaş tabakası ve bu katmaların üzerine dolgu/reçine karışımı konularak gerçekleştirilmiştir. Karışımın üzerine yine bir tabaka fiber kumaş ve yapışmayan film konulduktan sonra 20x20 cm ebatlarındaki ikinci bir çelik plaka kalıp boşluğunun üzerine yerleştirilmiştir. Cam ve karbon fiber destekli örnekler 80 0C'de 1 saat kalıplanarak ve her bir örnekten iki adet üretilmiştir. Karoların 1x7 cm boyutlarında kesilmesiyle her bir örnekten toplam 48 adet test numunesi elde edilmiştir. Dolgu/reçine oranını ağırlıkça %3'ten başlayarak % 12'ye kadar artırılmış ve dolgu içeren örneklerin 3 nokta eğme dayanımı değerli dolgu içermeyen örneklerin 3 nokta eğme dayanımı değerleri ile karşılaştırılmıştır. 
Poliester matrisli kompozit malzemelere dolgu katkısının hem cam hem de karbon kumaş varlığında 3 nokta eğme dayanımını azalttığı, epoksi matrisli kompozitlerde ise bu etkinin kumaşın türüne göre değiştiği gözlenmiştir. Epoksi matrisli cam kumaş destekli kompozitlerde yapı içine dolgunun katılması 3 nokta eğme dayanımı değerini azaltırken, karbon kumaş destekli kompozitlerde ağırlıkça %3 ve %5 oranında nano silika katkısı mekanik özellikler üzerinde olumsuz bir etki yaratmamıştır.  Bu yüzden analiz sayısı ve maliyetini kısıtlayabilmek için FTIR, SEM, DSC ve TGA analizleri yalnız %3 ve %5 oranında dolgu içeren epoksi matrisli karbon kumaş takviyeli kompozit örnekleri üzerinde gerçekleştirilmiştir.  
Analiz ücreti gerektirmeyen su emme ve temas açısı ölçümleri için %3 ve %5 oranında dolgu içeren bütün örnekler plastik bir kap içinde su içinde daldırılmış ve her ayın sonunda test edilecek numunelerin ağılık değişimleri ve temas açıları ölçülmüştür.  Benzeri deneyler, su içinde bekletilmemiş ve dolgu malzemesi içermeyen karbon ve cam fiber destekli 4 farklı malzeme için de tekrar edilmiştir ve böylece nano silika katkısının su emme davranışı üzerine etkisi anlaşılmaya çalışılmıştır.
Sonuçlar su emme sonucu matris yapısının bozulduğunu ve hem dolgu maddesinin hem de kumaş liflerinin matristen koparak kompozitten ayrıldığını göstermektedir. Nano dolgu katkısının karbon kumaş takviyeli epoksi matris kompozitler dışında yapı içine konulması mekanik özellikleri olumsuz etkilemektedir. Dolgu oranının %5'in üzerinde çıkmasıyla benzeri etki karbon kumaş takviyeli epoksi kompozitlerde de görülmekte ve mekanik dayanım değerlerinde ciddi düşüşler meydana gelmektedir. Yüzeyden önemli ölçüde dolgu ve lif ayrılmalarının olması su emme ve temas açısı sonuçlarının değerlendirilmesini imkânsızlaştırmaktadır. Yalnız 11 ay sonundaki mekanik dayanım değerlerine bakıldığında %3'lük Aerosil R972 katkısının su hasarının engellenmesinde karbon kumaş takviyeli epoksi kompozitlerde en iyi sonucu verdiğini söylemek mümkündür.

Abstract:
In this research, affect of hydrophobic nano silica fillers on water absorption properties of epoxy and poliester based FRPCs were investigated by following chemical, physical, mechanical and thermal properties of the samples during 11 months. The changes in water uptake profile of samples are followed by changing nano silica ratio in glass and carbon fiber renforced composite materials. 
The main difference which distinguishes the this study form the previous ones is that this study evaluates the affect of hydrophobic nano fillers on long term water absorption behavior of composite materials by considering chemical, physical, mechanical and termal aspects at the same time. As far as we know, there isn't much study in the literature focusing on the contribution of hydrophobic nano fillers on long term water absorption properties of composite material in the sense of chemical, physical, mechanical and thermal aspects. With this study, affect of particle size distribution, filler amount, types of resin and fiber on water absoption behavior of composite materials are studied by placing the samples into distilled water for 11 months. Data that was obtained in the course of this project would make it possible to lower the water damage in composite materials and to develop new materials with extraordinary properties. 
In this study, two nano silicas (Aerosil R 812 and Aerosil R972) with different particle size distribution were combined with epoxy and poliester resins in different ratios and tiles in 15x15 cm dimensions are manufactured. Glass and carbon fiber reinforced composited are prepared by using compression molding technique and 20 different tiles were molded.  Production was carried out in a 20x20 cm stainless steel mold by placing one layer of release film, one layer of fiber fabric and filler/resin mixture in the mold cavity. After putting one layer of fiber fabric and release film onto filler/resin mixture, a second 20x20 cm steel plate was placed over the mold cavity. Both glass and carbon fibre supported samples were moulded at 80 °C for 1 hour and two tiles from each sample were prepared. By cutting each tile in 1x7 cm dimensions, total of 48 pieces from each set of sample were obtained. Filler / resin weight ratio is increased starting from 3% up to 12% and 3-point bending strength values of the samples containing filler were compared with the filler-free sample's 3-point bending strength values.
It was observed that, fillers reduce three point bending strength of poliester matrix composite materials in the presence of the carbon cloth and glass, while this effect vary with the type of fabric for epoxy matrix composites. In the glass fabric reinforced epoxy matrix composites, adding filler into the structure reduce three-point bending strength values, while 3% and 5%  nanosilica addition does not have a negative effect on the mechanical properties of carbon fabric reinforced composites. Therefore, the number of analysis was limited with 3% and 5% filler containing carbon fabric reinforced epoxy matrix composite and FTIR, SEM, DSC and TGA analyzes were performed on these samples to reduce analysis cost.
Since water absorption and contanct angle measurements do not require analysis fee, all samples containing 3% and 5% filler is immersed in water in a plastic container and at the end of each month mass changes and contant angles of the samples to be tested were measured. Similar experiments were repeated on 4 different filler-free carbon and glass fiber reinforced samples that were not immersed in water and affect of nano silica addition on the water absorption behavior of composite materials have tried to be understood.
As a result of water absorption, the matrix structure is deteriorated and both the filler and the fibers of fabric is removed from the composite by detaching the matrix. Nano fillers to be put into the structure of carbon fabric reinforced epoxy matrix composites outside of the contribution adversely affect the mechanical properties. With the advent of the filling rate of over 5% in the carbon fabric reinforced epoxy composite, similar effect is seen and substantial reductions occur in mechanical strength values. The absence of filler and fiber separating surface is substantially the door on the evaluation of water absorption and the contact angle results. Only when we look at the mechanical strength values at the end of 11 months contribution of 3% Aerosil R972 carbon fabric reinforced epoxy composites in preventing water damage it is possible to say that for the best results.