Otomotiv endüstrileri için doğal lifler ile güçlendirilmiş polimer matrisli kompozitlerin geliştirilmesi
Development of polymer matrix composites reinforced with natural fibers for automotive industries
Yazar: AYŞE NUR ERYILMAZ
Danışman: PROF. DR. HASAN FERDİ GERÇEL
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Doğal kaynaklara erişiminin kolay ve maliyetinin düşük olması nedeniyle, son yıllarda kompozit malzeme geliştirme üzerine yapılan araştırmalar, sentetik malzemeler yerine alternatif doğal katkı malzemelerin geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmıştır. Lif takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretiminde bitki liflerinin kullanımı çevre dostu ve sürdürülebilir bir süreçtir. Düşük ağırlık, düşük maliyet, üretim ekipmanlarına zarar vermeme ve iyi mekanik dayanım gibi özelliklerinden dolayı, doğal bitkilerden elde edilen selüloz liflerinin, sentetik liflere alternatif olarak polimer matrisli kompozit malzemelerin üretiminde takviye elemanı olarak kullanımı birçok endüstriyel alanda artmıştır. Bu çalışmanın amacı, otomotiv endüstrisinde birçok otomobil bileşeninin yapısında yer alan polistiren (PS) ve polivinil klorür (PVC) gibi polimerleri ve doğal bitki liflerini kullanarak, mekanik özellikleri iyileştirilmiş yeni bir kompozit malzeme geliştirmektir. 
Bu çalışmada doğal selüloz liflerinin eldesi için atık enginar sapları kullanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında enginar sapının yapısal bileşimi tayin edilmiş ve mikrokristalin selüloz (MCC) elde edilmiştir. Elde edilen MCC'nin Fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi (FTIR) ile kimyasal yapısı, X ışını kırınım (XRD) yöntemi ile kristal yapısı ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile morfolojik yapısı incelenmiştir. Mikrografikler incelendiğinde, MCC'nin bir eksen boyunca yönlenmiş, mikro düzeyde çapa sahip liflerden oluşan düzenli bir yapı sergilendiği belirlenmiştir. Daha sonra çözelti döküm yöntemi ile MCC katkılı polimer matrisli kompozitler üretilmiştir. Kompozit malzemeleri oluşturan bileşenler arasındaki kimyasal etkileşimler FTIR ile analiz edilmiştir. PS ana matrisine; PVC, gliserol ve MCC katkılarının ve katkı oranlarının, kompozit malzemelerin, mekanik özellikleri, termal bozunma davranışları, morfolojik yapıları ve dielektrik özellikleri üzerindeki etkileri sırasıyla çekme testleri, termogravimetrik analiz (TGA), SEM ve dielektrik sabiti ölçümleri ile incelenmiştir. Yapılan çekme testleri sonucuna göre PS:PVC kütle oranı 5:3 olan ve %3 MCC katkısı içeren kompozit filmin en iyi çekme dayanımına (20,32 MPa) sahip olduğu ve saf PS filmine göre çekme dayınımının %55 arttığı belirlenmiştir.

Abstract:
Recently, researchs on the development of the composite materials have focused on the development of alternative natural additives, instead of the synthetic materials due to easy access and low cost of natural resources. The use of plant fibers in the production of fiber reinforced polymer matrix composite materials is an environmentally friendly and sustainable process. The use of cellulose fibers from natural plants as an alternative to synthetic fibers as an additive in the production of polymer matrix composite materials has increased in many industrial fields due to their low weight, low cost, 	non-destructive properties for production equipments and good mechanical strength. 
The aim of the present study is to develop a new composite material with improved mechanical properties by using polymers such as polystyrene (PS) and polyvinyl chloride (PVC) which are used in the structure of many automobile components in the automotive industry with natural plant fibers. In this study, waste artichoke stalks were used to obtain natural cellulose fibers. In the first stage of the study, the structural composition of the artichoke stalks was determined and microcrystalline cellulose (MCC) was obtained. The chemical structure, crystal structure and morphological structure of the obtained MCC were examined by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) method and scanning electron microscopy (SEM), respectively. Based on the SEM micrographs, MCC exhibits an ordered structure consisting of fibers with diameter in micro level and oriented along an axis. Then, MCC reinforced polymer matrix composites were produced by solution casting method. The chemical interactions between the constituents of the composite materials were analyzed by FTIR. The effects of PVC, glycerol and MCC additives and also the additive ratios on the mechanical properties, thermal decomposition behavior, morphological structures and dielectric properties of the PS matrix were investigated by tensile tests, thermogravimetric analysis (TGA), SEM and dielectric constant measurements, respectively. According to the tensile tests, it was determined that the composite film having a PS:PVC mass ratio of 5: 3 and containing 3% MCC exhibits the highest tensile strength (20,32 MPa) and the tensile strength increased by 55% compared to the neat PS film.