Elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin fotopolimerizasyon ile üretimi
Production of fiber reinforced epoxy matrix composites via photopolymerization
Yazar: CENK KURTULUŞ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Epoksi reçine = Epoxy resin ; Fotopolimerleşme = Photopolymerization ; Kompozitler = Composites ; Kürleme = Curing ; Prototip = Prototype

Özet:
Yüksek performanslı mühendislik malzemelerinden olan elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitler, uzun kür süreleri ve yüksek enerji ihtiyacı gibi dezavantajlarından dolayı sınırlı kullanıma sahiptir. Fotopolimerizasyon, sıvı reçine sistemlerinin çapraz bağlı katı polimerlere dönüşümünü oda sıcaklığında düşük enerji tüketimi ile sağlayan hızlı, ekonomik ve çevreci bir polimerizasyon tekniğidir. Bu noktadan hareketle elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin hazırlanmasında fotopolimerizasyon tekniğinden yararlanılabileceği düşünülmüştür.
Bu çalışmada, görünür bölge ışınları ile oda sıcaklığında kısa sürede kürlenen endüstriyel tip epoksi reçine (diglisidil eter bisfenol A ve diglisidil eter bisfenol F (DGEBA/F)) geliştirilmiş ve elyaf takviyeli kompozitlerin üretiminde kullanılmıştır. Bu amaçla, endüstriyel tip epoksi reçinenin derin kürlenmesi için fotopolimerizasyon sırasında üretilen ısının kullanımına dayanan radikal başlatılmış katyonik ön polimerizasyon (RICFP) tekniği seçilmiştir. Bu teknikte, yüzeyde gerçekleşen fotopolimerizasyon reaksiyonu sonucu açığa çıkan ısı enerjisi, formülasyondaki radikal başlatıcıyı aktive eder ve parça kalınlığı boyunca kürlenme sağlanır. Geliştirilen formülasyonda DGEBA/F esaslı bir epoksi reçine ile birlikte fotobaşlatıcı olarak iyodonyum tuzu, uyarıcı olarak tiyoksanton, hızlandırıcı olarak oksetan ve radikal başlatıcı olarak 1,1,2,2-tetrafenil-1,2-etandiol kullanılmıştır. Öncelikle hazırlanan formülasyonlara kalınlık, sertlik, kürlenme hızı ve mekanik özellikler açısından optimizasyon çalışması yapılmış ve görünür ışıkla en etkili kürlenen formülasyon seçilmiştir. Bu formülasyon FT-IR, DSC, TGA ve üç nokta eğme testleri ile karakterize edilerek özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra farklı elyaf formlarında (keçe, çok yönlü, dokuma) cam ve karbon elyaflar ile optimize edilmiş epoksi reçine formülasyonu kullanılarak el yatırması, vakum torbalama ve vakum infüzyon yöntemleriyle elyaf takviyeli kompozitler hazırlanmıştır. Bu kompozitler görünür bölge ışınları ile oda sıcaklığında 15 dakika gibi oldukça kısa sürede elde edilmiştir. El yatırması yöntemiyle hazırlanan cam elyaf takviyeli kompozitler diğer kompozitlere göre daha iyi kürlenme performansı göstermiştir. Bu kompozitlerin eğme, çekme ve kayma testleri gibi mekanik karakterizasyonları ilgili uluslararası standartlara göre yapılmış ve konvansiyonel yöntemle amin esaslı sertleştirici ile termal olarak kürlenen referans kompozitler ile karşılaştırılmıştır. Fotopolimerizasyon ile kürlenen kompozitler, referans kompozitler ile benzer mekanik özellikler göstermiştir. Kompozitlerin kırılma yüzeylerinin morfolojik analizi sonucu iyi bir elyaf-matris yapışmasının oluştuğu ve kırılmaların arayüzden meydana geldiği tespit edilmiştir. Ayrıca geliştirilen sistem ile bir prototip imalatı gerçekleştirilmiş ve geleneksel yöntem ile proses karşılaştırması yapılmıştır.
Böylece endüstriyel tip epoksi reçinelerin fotopolimerizasyonla kürlenmesi ile elyaf takviyeli kompozitlerin performans kaybı yaşamadan, daha az enerji tüketimi, rekabetçi maliyet ve yatırımla kısa sürede üretilebileceği kanıtlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Fotopolimerizasyon, Epoksi reçine, Kompozitler, Hızlı kürlenme, Prototip

Abstract:
Fiber reinforced epoxy matrix composites, which are high performance engineering materials, have limited use due to long curing times and high energy needs. Photopolymerization is a fast, economic and environmentally friendly polymerization technique that transforms liquid resin systems into crosslinked solid polymers with lower energy requirement at room temperature. From this point of view, the idea has emerged that the photopolymerization technique can be used in the production of fiber reinforced epoxy matrix composites.
In this study, industrial type epoxy resin (diglycidyl ether of bisphenol A and diglycidyl ether of bisphenol F (DGEBA/F)) cured in a short time at room temperature with visible lights was developed and used in the production of fiber reinforced composites. For this purpose, the radical induced cationic frontal polymerization (RICFP) technique based on the use of heat produced during the photopolymerization was chosen for the deep curing of industrial type epoxy resin. In this technique, the heat released as a result of the photopolymerization reaction on the surface activates the radical initiator in the formulation and curing occurs throughout the thickness. The developed formulation contained DGEBA/F epoxy as base resin, iodonium salt as photoinitiator, thioxantone as sensitizer, oxethane as accelerator and 1,1,2,2-tetraphenyl-1,2-ethanediol as radical initiator. Firstly, the optimization study was done for the curing formulations in terms of thickness, hardness, curing speed and mechanical properties, and the most effective cured one via visible lights was selected. This formulation was characterized by FT-IR, DSC, TGA and three-point bending tests and its properties were determined. Then, the fiber reinforced composites were prepared by hand lay-up, vacuum bagging and vacuum infusion methods using glass and carbon fibers in different forms (mat, multiaxial, woven) and optimized epoxy resin formulation. These composites were obtained in a very short time, such as 15 minutes, at room temperature upon visible light irradiation. It was determined that the glass fiber reinforced composites prepared by hand lay-up method showed better curing performance than the other composites. Mechanical characterizations of these composites such as bending, tensile, and shear tests were made according to the relevant international standards and compared with the reference composites that were thermally cured with amine based hardener via conventional route. The photocured composites showed similar mechanical properties with the reference composites. Morphological analyzes of the fracture surfaces of the composites showed that a good fiber-matrix adhesion was formed and that the fractures occurred from the interface. In addition, a prototype was produced with the developed system and a process comparison was made with the traditional method.
Thus, it has been proven that fiber reinforced composites can be produced in a short time with less energy consumption, competitive cost, and investment without losing performance by curing industrial type epoxy resins via photopolymerization.

Keywords: Photopolymerization, Epoxy resin, Composites, Fast curing, Prototype