Karbon türevi dolgulu ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (PE) kompozit ve hibrit kompozit kaplamaların sürtünme ve aşınma davranışları
Friction and wear behaviors of carbon derivative filled ultra high molecular weight polyethylene (PE) composite and hybrid composite coatings
Yazar: HİLAL DERE
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FERDA MİNDİVAN
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Aşınma davranışı = Wear behavior ; Karbon temelli materyaller = Carbon based materials ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Sürtünme katsayısı = Friction coefficient

Özet:
Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (PE) bileşenlerinin aşınması, kemik erimesine yol açan ve implantların ömrünü sınırlayan önemli bir dezavantaj olarak kabul edilmektedir. Bu nedenle PE'nin tribolojik ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar devam etmektedir. Bu amaçla, gelişmiş sürtünme ve aşınma özelliklerine sahip PE esaslı kompozit malzemeler üretmek için dolgu maddesi olarak çeşitli karbon türevi katkı maddeleri (GNP, GO, CNT ve GNP-GO) kullanılmıştır. Öncelikle GNP, GO, CNT ve GNP-GO dolgularının farklı miktarları (ağ. %0,7, 1,0, 2,0 ve 3,0) PE matrisine ilave edilerek PE/GNP, PE/GO, PE/CNT kompozit ve PE/GNP-GO hibrit kompozit tozları sıvı faz ultrasonik karıştırma yöntemiyle üretilmiştir. Daha sonra bu tozlar sıcak pres kalıplama ile toz PE üzerine kaplanmıştır. Kompozit ve hibrit kompozit kaplamaların aşınma ve sürtünme davranışları, kuru kayma ve Hanks dengeli tuz çözeltisi ortamlarında, ileri-geri aşınma test cihazı ile karşı malzeme olarak paslanmaz çelik (316L) kullanılarak incelenmiştir. Kaplamaların mikroyapısal analiz sonuçları, kullanılan tüm dolguların polimer ile etkileşimini doğrulamıştır. En yüksek mikrosertlik değerleri ağ. %0,7 CNT, %3,0 GNP ve %1,0 GO içeriğine sahip kompozit kaplamalarda tespit edilmiştir. Kuru ve Hanks çözeltisi ortamlarında kaplamaların büyük çoğunluğu dolguların yağlayıcı etkisinden dolayı PE'den daha kararlı ve daha düşük sürtünme katsayısı değişimi göstermişlerdir. Kuru kayma koşullarında ağ. %3,0 GNP ve %1,0 GO, Hanks çözeltisi ortamında ise ağ. %0,7 CNT ilavesi PE'ye göre aşınma direncini geliştiren dolgu miktarları olmuştur. PE/GNP-GO hibrit kompozit kaplamaların mikroyapısal ve tribolojik analiz sonuçları GNP ve GO dolgularının sinerjik etkisini göstermiştir, ancak kaplamaların mikrosertlik değerlerinde ve aşınma dirençlerinde herhangi bir iyileşme sağlanamamıştır. Bu çalışma, PE yerine biyomalzeme olarak yüksek mikrosertliğe ve en az aşınma kalıntısına sahip PE/0.7CNT kompozit kaplamanın kullanılmasını önermektedir.

Abstract:
The wear of ultra-high molecular weight polyethylene (PE) components is accepted as a major disadvantage leading to osteolysis and limiting the life of the implants. Therefore, the studies with regard to improve the tribological and mechanical properties of PE continues.  For this aim, various carbon derivative additives (GNP, GO, CNT and GNP-GO) were used as fillers to produce PE based composites possessing advanced friction and wear properties. The PE/GNP, PE/GO, PE/CNT composite and PE/GNP-GO hybrid composite powders filled with different contents (0,1, 0,3, 1,0 and 2,0 wt.%) of GNP, GO, CNT and GNP-GO were fabricated by firstly liquid phase ultrasonic mixing. Then, these powders were coated on powder PE by hot press molding. The wear and friction behavior of composite and hybrid composite coatings were investigated in sliding against a stainless steel counterface (316L) and experiments carried out in a reciprocating friction testing machine in dry sliding and Hanks balanced salt solution environments. The microstructural analysis results of coatings confirmed that there was interaction between the all fillers and PE. The highest microhardness values were detected at composite coatings with 0,7wt.% CNT, 3,0 wt% GNP and 1,0 wt.% GO contents. The many majorities of coatings showed more stable and lower friction coefficient variation than the PE due to the lubricating effect of the fillers in dry sliding and Hanks solution environments. The coatings with 3,0 wt.% GNP and 1,0 wt.% GO under dry sliding condition and the coating with 0,7 wt.% CNT in the Hanks solution environment were the best filler amounts that improve wear resistance compared to PE. The synergistic effect of GNP and GO fillers were observed at the microstructural and tribological analysis results of PE/GNP-GO hybrid composite coatings, but any improvement was not achieved in their microhardness values and wear resistances. This study suggests the use of PE/0.7CNT composite coating that had high microhardness and the least wear debris as biomaterial instead of PE.