Selüloz esaslı lif takviyeli kompozit otomotiv parçası tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of cellulose based fiber reinforced composite automotive parts
Yazar: SABİH OVALI
Danışman: DOÇ. DR. ERHAN SANCAK
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology ; Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Lifli kompozitler = Fiber composites ; Plastik kompozitler = Plastic composites ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Tez çalışmasında, kompozit üretiminde kullanılan cam ve karbon gibi liflere alternatif olabilecek selülozik esaslı lif takviyeli kompozit yapıların üretilmesi ve özelliklerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, selülozik esaslı lif takviyesi kullanılarak üretilen biyo kompozit yapıların diğer liflere kıyasla otomotiv sektöründe parçaların ağırlıklarını büyük oranda hafifletmekle beraber çevre ile uyumlu atıklar oluşturarak sağladığı avantajlar incelenmiştir. Aynı zamanda, üretilen kompozit yapılarda çevresel şartlar altında meydana gelebilecek değişimlerin etkisi de belirlenmiştir. Lif yapısında bulunan selüloz oranı, düşük maliyeti, işlenebilme kolaylığı, sürdürülebilirliği vb. avantajlarından dolayı kompozit yapı içerisinde takviye elemanı olarak jüt dokuma kumaş tercih edilmiştir. Kompozit yapıların ana bileşenlerinden birini oluşturan matris malzeme olarak ise düşük maliyeti, düşük sıcaklıkta işlem kolaylığı, kolay şekil verilebilme ve sürdürülebilme özelliklerinden dolayı düşük yoğunluklu polietilen (DYPE) kullanılmıştır. Çalışma kapsamında üretilen yapıların fiziksel özelliklerini belirlemek amacıyla bazı testler ve analizler gerçekleştirilmiştir. Çekme dayanımı, eğme dayanımı ve darbe dayanımı gibi mekanik testlerin yanı sıra kimyasal özelliklerini belirlemek amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrofotometresi (FTIR) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) testleri uygulanmıştır. Odaklanmış bir elektron demeti ile numune yüzeyini tarayarak görüntü elde eden tarayıcı elektron mikroskobu (SEM) ve optik mikroskop ile kompozit yapıların içyapı görüntüleri elde edilerek analizi yapılmıştır.
Kompozit yapı üretimi, polimer matris malzemeye ve selülozik esaslı lif takviyesi olarak kullanılan jüt liflerine modifikasyonlar uygulanarak gerçekleştirilmiştir.
Matris malzemesi DYPE, ekstrüder de ara yüzey yapısını geliştirmek amacıyla maleikanhidrit ile karıştırılarak granül formunda üretilmiştir. Ultraviyole koruyucu katkı malzemeleri de matris malzemesi DYPE'ye aynı şekilde ilave edilerek granül formunda üretilmiştir. Toz formundaki saf DYPE ve granül formunda bulunan modifiye edilmiş DYPE sıcak press makinasında film haline getirilmiştir. Buradaki amaç, kompozit yapı üretimde polimerin yapı içeresinde liflerle birlikte homojen olarak dağılması ve yapı içerisinde hava boşluklarının meydana gelmemesidir.
Kompozit yapı ana bileşeni ve takviye malzemesi olan jüt kumaşa ise lif/matris yüzey uyumunu artırmak amacıyla silan ve alkalin (NaOH) işlemleri uygulanmıştır. Önce silan ve alkalin yüzey işlemleri jüt kumaşa ayrı ayrı uygulanarak ideal uygulama şartları belirlenmiş ve sonra alkalin ve silan işlemleri jüt kumaşa beraber uygulanmıştır.
Ara yüzey iyileştirme işlemlerinden sonra sıcak pres makinasında kompozit yapı üretimleri gerçekleştirilmiştir. Üretilen yapılardan elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, yüzey iyileştirme işlemlerinin kompozit yapının mekanik özelliklerini artırdığı belirlenmiştir.
Üretilen kompozit yapıların çevresel koşullara dayanımını ölçmek amacıyla hızlandırılmış yaşlandırma işlemi uygulanmıştır. Ultraviyole koruyucu katkı malzemesi ilavesi öncesinde ve sonrasında meydana gelen değişimler incelenmiştir. Söz konusu inceleme ile ultraviyole ışınlarının kompozit yapıların çekme, eğilme, darbe dayanımı ile birlikte kimyasal ve mikro yapısı üzerinde meydana getirdiği etkiler tespit edilmiştir. Kompozit yapılara yapılan testler sonucunda polimer matris malzemeye uygulanan modifiye işlemleri ile takviye lifine uygulanan yüzey iyileştirme işlemlerinin lif/matris arsındaki yüzey uyumunu artırdığı tespit edilmiştir. Bu şekilde kompozit yapıların mekanik özelliklerinin geliştiği belirlenmiştir. Aynı şekilde, UV koruyucu katkı malzemelerinin ideal oranlarda kullanılması ile kompozit yapıların dış olumsuzluklara karşı koruyucu özelliğinin arttığı sonucuna ulaşılmıştır.
Tez çalışması kapsamında elde edilen veriler ışığında, selülozik esaslı lif takviyeli yenilikçi kompozit yapıların otomotiv vb. alanlarda kullanımı ile daha ekonomik, uzun ömürlü ve çevre ile uyumlu ürünlerin elde edilmesinin yanı sıra yeni iş olanakları da sağlayabileceği öngörülmüştür.

Abstract:
In this thesis study, it is aimed to produce cellulosic-based fiber reinforced composite structures that can be alternative to glass and carbon fibers used in composite production and to examine their properties. In this context, the advantages of bio composite structures produced by using cellulosic fiber reinforcement compared to other fibers have been investigated, which were creating environmentally friendly wastes while reducing the weight of the parts in the automotive industry. At the same time, the effects of changes that may occur under the environmental conditions in the produced composite structures were also determined. Due to its advantages, such as the rate of cellulose in the fiber structure, low cost, ease of processing, sustainability etc., jute woven fabric is preferred as a reinforcing element in the composite structure. Low density polyethylene (DYPE) was used as the matrix material, which constitutes one of the main components of the composite structure, due to its low cost, ease of operation at low temperature, easy forming and sustainability. Several tests and analyses were carried out to determine the physical properties of the structures produced within the scope of the study. In addition to mechanical tests such as tensile strength, flexural strength and impact strength, Fourier Transform Infrared Spectrophotometer (FTIR) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) tests were also applied to determine the chemical properties of the composites. were obtained by analysing the internal structures of composite structures. The internal structure images of composite structures were obtained with a Scanning Electron Microscope (SEM) and optical microscope, which acquired images by scanning the surface of the sample with a focused electron beam, and then these images were analysed.
Composite structure production was realized by applying modifications to the polymer matrix material and jute fibers used as cellulosic fiber reinforcement.
The matrix material DYPE was produced in the form of granules by mixing with maleic anhydride in the extruder to improve the interface structure. The polymer matrix with ultraviolet protective additives were also produced in the form of granules by adding the ultraviolet protective additives to the matrix material DYPE in the same way.
Pure DYPE in powder form and modified DYPE in granule form were produced in film form on hot press machine.
The aim here was to homogeneously distribute the polymer together with the reinforcement fibers and to prevent air gaps in the composite structure during the production.
Silane and alkaline (NaOH) processes were applied to the jute fabric, which was a reinforcing material and one of the main materials in the composite, in order to increase fiber/matrix surface compatibility. First, the ideal application conditions were determined by applying silane and alkaline surface treatments separately to the jute fabric, and then alkaline and silane treatments were applied together to the jute fabric.
After the surface treatment applications, composite structure productions were carried out on the hot press machine. When the results obtained from the produced structures are evaluated, the surface improvement processes have been found to increase the mechanical properties of the composite.
Accelerated aging process was applied to measure the resistance of the produced composite materials to environmental conditions. Changes that occurred before and after the addition of ultraviolet protective additives were examined. With this examination, the effects of ultraviolet rays on the chemical structure and microstructure of the composites along with their tensile, flexural and impact resistances were measured. As a result of the tests made on composite structures, it has been determined that the modification processes applied to the polymer matrix material and the surface treatment processes applied to the reinforcement fiber increased the surface compatibility between the fiber and matrix. In this way, it was determined that the mechanical properties of the composite structures improved. Likewise, it was concluded that the protective feature of the composite structure against external negative conditions increased with the use of UV protective additives in ideal ratios.
Based on the data obtained within the scope of the thesis study, it is predicted that the use of cellulosic-based fiber-reinforced innovative composite structures in automotive etc. areas can help to obtain more economical, long-lasting and environmentally compatible products as well as providing new business opportunities.