Sürekli kenevir lif takviyeli poliüretan kompozitlerin morfolojik, fiziksel ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Investigation of morphological, physical and mechanical properties of continuous hemp fiber reinforced polyurethane composites
Yazar: SERHAT GÜÇLÜ
Danışman: DOÇ. DR. ÖMER YUNUS GÜMÜŞ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Polimerik malzemelerin düşük yoğunluk, kimyasal direnç, kolay şekillendirilebilme, tekrar kullanılabilirlik, iyi ısı yalıtımı, korozyon direnci ve suya karşı dayanıma sahip olması gibi özellikleri sayesinde kullanımları gün geçtikçe artmaktadır. Artan bu talep ile, hammadde eldesinden nihai ürüne kadar olan süreçlerde CO2 salınımının artması, küresel ısınma gibi çok ciddi çevresel sorunlara yol açmasına bütün dünya şahitlik etmektedir. Bu sorunun büyümesini önlemek amacıyla polimerlerin karbon ayak izlerini azaltmak için doğal kaynaklardan elde edilen malzemeler ile birleştirilerek kompozitlerin hazırlanması son zamanlarda ön plana çıkan stratejilerden birisidir. Biyomalzeme takviyeli polimerler arasında mekanik özellikleri iyileştirdiği için doğal lif takviyeli polimer kompozitler oldukça ilgi görmektedir. 
Poliüretanlar (PUR) otomotivden uzay ve havacılık sanayisine, beyaz eşyadan mobilya sanayisine kadar çok geniş bir yelpazede kullanılan en yaygın polimerlerden bir tanesidir. Poliüretan küresel yıllık üretim miktarı polietilen (PE), polipropilen (PP) ve polivinil klorürden (PVC) sonra dördüncü sırada yer almaktadır. Poliüretanlar, poliol ve diizosiyanatlar olmak üzere iki ayrı endüstriyel kimyasaldan elde edilmesinden dolayı kilogram başına yüksek oranda CO2 salınımına sahiptir. Bu nedenle PUR karbon ayak izinin azaltılması daha çevreci malzemelerin geliştirilmesi açısından önemlidir. 
Doğal lifler arasında kenevir yüksek mukavemet, hafif, korozyona karşı dayanıklı, iyi ses yalıtımı ve nem emilimine sahip olması, yüksek sıcaklıklara dayanım, pilling (boncuklanma) ve statik elektriklenme sorunu olmaması gibi üstün özelliklerinden dolayı ilgi çekmektedir. Bunun yanı sıra kenevirin endüstrileştirilmesi için devlet kurumları yeni stratejilerle hem katma değeri yüksek hem de çevre dostu malzemelerin geliştirilmesini teşvik etmektedir. 
Bu tez çalışmasında, sert (rijit) poliüretan (RPU) matrisine sürekli kenevir lif takviyesi ile biyokompozitler hazırlanmıştır. Kompozitteki lif ile RPU arayüzey etkileşimlerini iyileştirmek için lif yüzeyleri termoplastik poliüretan (TPU) ile kaplanmıştır. Ayrıca mekanik özelliklerinin arttırılması amacıyla kaplamaya çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) katkılanmıştır. Böylece takviyesiz RPU yanı sıra kenevir, TPU-kenevir ve TPU/MWCNT-kenevir lif takviyeli kompozitler hazırlanmıştır. Kompozitlerin iç yapıları ve polimer-lif etkileşimleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ile incelenmiştir. SEM görüntülerinden takviyesiz poliüretan iç yapısında herhangi bir boşluk oluşumu gözlenmezken, kenevir takviyeli kompozitte büyük hacimli kapalı hücre oluşumları köpük yapısı oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu hücre yapılarının oluşumu lif bünyesindeki kalan hava moleküllerinin RPU matrisin kürleşmesi esnasında açığa çıkan ısı ile genleşmesiyle şişirme ajanı gibi davranmasından ileri geldiği düşünülmüştür. TPU-kenevir takviyeli kompozitte hücre sayısının ve boyutlarının azaldığı görülmüştür. Bu sonuç kaplanan TPU katmanının bariyer özelliği göstererek hava moleküllerinin matris içine geçişini engellemesinden kaynaklanmaktadır. TPU/MWCNT-kenevir takviyeli kompozitte ise hücre oluşumunun daha da azaldığı tespit edilmiştir. Bunun nedeni olarak ise kaplamadaki TPU zincirler arasındaki serbest hacmin MWCNT dolgusu ile azaldığı, bu nedenle hava moleküllerinin TPU kaplamasından geçişlerinin daha da azalmasına yorumlanmıştır. RPU yoğunluğu 0,92 gcm-3 olarak ölçülürken, kenevir, TPU-kenevir ve TPU/MWCNT-kenevir kompozitlerin yoğunlukları hücre oluşum oranlarına bağlı olarak sırasıyla 0,58, 0,72 ve 0,82 gcm-3 olarak belirlenmiştir. Çekme testlerinden en düşük değer RPU ile belirlenirken, lif takviyesi ile bu değerlerin arttığı ve en yüksek değer TPU/MWCNT-kenevir takviyeli kompozitte elde edilmiştir. Akma mukavemeti değerleri de benzer bir değişim gösterek RPU için 9,9 MPa iken, TPU/MWCNT-kenevir takviyeli kompozit için 13,9 MPa olarak ölçülmüştür. RPU için çekme mukavemeti 12,8 MPa olarak belirlenirken, en yüsek değer TPU/MWCNT-kenevir takviyeli kompozitte 16,7 MPa olarak tespit edilmiştir. 3-nokta eğme testlerinden maksimum gerilme değeri RPU için 25,3 MPa olarak belirlenirken, bu değerin TPU/MWCNT-kenevir takviyeli kompozit için 27,4 MPa olduğu tespit edilmiştir. Charpy darbe sonuçlarından RPU tokluğu 6,23 kJ/m2 iken, TPU/MWCNT-kenevir takviyeli kompozit tokluğunun 10,2 kJ/m2 değerine ulaştığı belirlenmiştir.
Bu sonuçlardan TPU/MWCNT kaplı sürekli kenevir lifler ile RPU takviye edilerek karbon ayak izi daha düşük, yoğunluk azalmasıyla daha hafif ve mekanik özellikleri iyileştirilmiş bir biyokompozit geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kompozitin yanmazlık özelliklerinin de iyileştirilmesi ile havacılık ve otomotiv başta olmak üzere inşaat, beyaz eşya, mobilya gibi sektörlerde yapısal malzeme olarak kullanılabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
Polyurethanes (PUR) are one of the most common polymers used in a wide range of industries, from the automotive to the aerospace industry, from white goods to the furniture industry. The global annual production amount of polyurethane ranks fourth after polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polyvinyl chloride (PVC). Polyurethanes have high CO2 emissions per kilogram because they are obtained from two separate industrial chemicals: polyols and diisocyanates. Therefore, reducing the PUR carbon footprint is important for the development of more environmentally friendly materials.
Among natural fibers, hemp attracts attention due to its superior properties such as high strength, light weight, corrosion resistance, good sound insulation and moisture absorption, resistance to high temperatures, pilling and static electricity problems. In addition, for the industrialization of hemp, government institutions encourage the development of both high value-added and environmentally friendly materials with new strategies.
In this thesis study, biocomposites were prepared by continuous hemp fiber reinforcement into a rigid polyurethane (RPU) matrix. To improve the interfacial interactions between the fiber and RPU in the composite, the fiber surfaces are coated with thermoplastic polyurethane (TPU). Additionally, multi-walled carbon nanotube (MWCNT) was added to the coating to increase its mechanical properties. Thus, in addition to unreinforced RPU, hemp, TPU-hemp and TPU/MWCNT-hemp fiber reinforced composites were prepared. The internal structures and polymer-fiber interactions of the composites were examined with scanning electron microscope (SEM) images. While void formation was not observed in the internal structure of unreinforced polyurethane from the SEM images, it was observed that large volume closed cell foam structure was formed in the hemp reinforced composites. It is thought that the formation of these cell structures is due to the remaining air molecules in the fiber expanding with the heat released during the curing of the RPU matrix and acting as a swelling agent. It was observed that the cell number and size decreased in the TPU-hemp reinforced composite. This result is due to the fact that the coated TPU layer has barrier properties and cannot prevent air molecules from passing into the matrix. It was determined that cell formation was further reduced in the TPU/MWCNT-hemp reinforced composite. The reason of this is interpreted as the fact that the free volume between the TPU chains in the coating decreases with the MWCNT filling, which further reduces the passage of air molecules through the TPU coating. While the RPU density was measured as 0.92 gcm3, the densities of hemp, TPU-hemp and TPU/MWCNT-hemp composites were determined as 0.58, 0.72 and 0.82 gcm3, respectively, depending on the cell formation rates. While the lowest value in the tensile tests was determined by RPU, these values increased with fiber reinforcement and the highest value was obtained in TPU/MWCNT-hemp reinforced composite. Yield strength values showed a similar change and were measured as 9.9 MPa for RPU and 13.9 MPa for TPU/MWCNT-hemp reinforced composite. While the tensile strength for RPU was determined as 12.8 MPa, the highest value was determined as 16.7 MPa in the TPU/MWCNT-hemp reinforced composite. While the maximum stress value from 3-point bending tests was determined as 25.3 MPa for RPU, this value was determined to be 27.4 MPa for TPU/MWCNT-hemp reinforced composite. From the Charpy impact results, it was determined that while the RPU toughness was 6.23 kJ/m2, the TPU/MWCNT-hemp reinforced composite toughness reached 10.2 kJ/m2.
From these results, a biocomposite with a lower carbon footprint, lighter weight due to density reduction, and improved mechanical properties was developed by reinforcing RPU with TPU/MWCNT-coated continuous hemp fibers. It has been understood that by improving the fireproof properties of this developed composite, it can be used as a structural material in sectors such as aviation and automotive, construction, white goods and furniture.