Doğal biyonanomalzemeler ile güçlendirilmiş akıllı kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of smart composites reinforced with natural bionanomaterials
Yazar: MERT YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. ZEKİ CANDAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Biyomimetik, nanoteknoloji ve malzeme bilimini bütünleştiren akıllı malzemeler, 21. yüzyılın en ilgi çekici ve en umut verici araştırma alanı olarak ön plana çıkmıştır. Bu tez çalışmasında ileri malzeme teknolojileri arasında yer alan akıllı kompozitler geliştirilmiştir. Epoksi reçinesi, %1, %3 ve %5 oranlarında selüloz nanofibril (CNF) ve %3 oranında nikel-titanyum alaşımı (NiTi) ile güçlendirilmiştir. Akıllı kompozitler döküm yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen akıllı kompozitlerin şekil hafıza, kendi kendini onarma ve elektrokimyasal korozyon özellikleri belirlenmiştir. Mekanik özellikler kapsamında akma mukavemeti, elastisite modülü, darbe direnci ve sertlik direnci yapılmıştır. Termal özellikler kapsamında Termogravimetrik Analiz (TGA), Türevsel Termogravimetri (DTG), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Dinamik Mekanik Termal Analiz (DMTA) yapılmıştır. Morfolojik özellikler kapsamında Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve X-Işını Kırınım (XRD) Analizi yapılırken, mikroyapılar ise optik mikroskop ile belirlenmiştir. Sonuçlar akıllı kompozitlerin şekil hafıza yeteneğine sahip olduğunu ve kendi kendini onarabildiğini göstermiştir. NiTi oranı sabit olmakla birlikte CNF oranı arttıkça mekanik ve termal özellikler artmış, bozunma hızı azalmış ve korozyon hızı düşmüştür. SEM analizinden elde edilen görüntülere göre güçlü arayüzey yapışması ve güçlü moleküler etkileşimler söz konusudur. Yapılan tüm analizler doğal ve sürdürülebilir bir lignoselülozik biyonanomalzeme olan selüloz nanofibril ve metalik bir akıllı biyomalzeme olan nikel-titanyum alaşımının sinerjik etkisi sonucu kullanım ömrü uzun, mekanik ve termal yönden kuvvetli, şekil hafızaya sahip, kendi kendini onarabilen, bulunduğu yer ve koşullarda en iyi performansı gösterebilecek akıllı kompozitler geliştirildiğini göstermiştir.

Abstract:
Smart materials, which integrate biomimetics, nanotechnology, and materials science, have emerged as the most interesting and promising research area of the 21st century. In this thesis, smart composites, which are among the most advanced material technologies, were developed. Epoxy resin was reinforced with 1%, 3%, and 5% cellulose nanofibrils (CNF) and 3% nickel-titanium alloy (NiTi). The smart composites were produced by casting. The shape memory, self-healing, and electrochemical corrosion properties of the smart composites were determined. Yield strength, modulus of elasticity, impact resistance, and hardness resistance were performed within the scope of mechanical properties. Thermogravimetric Analysis (TGA), Derivative Thermogravimetry (DTG), Differential Scanning Calorimetry (DSC), and Dynamic Mechanical Thermal Analysis (DMTA) were performed for thermal properties. Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD) Analysis were performed for morphological properties, while microstructures were determined by optical microscopy. The results showed that the smart composites are capable of shape memory and self-healing. The mechanical and thermal properties increased, the degradation rate decreased, and the corrosion rate decreased as the CNF ratio increased while the NiTi ratio remained constant. According to the images obtained from SEM analysis, there is strong interfacial adhesion and strong molecular interactions. All analyses showed that the synergistic effect of cellulose nanofibril, a natural and sustainable lignocellulosic bionanomaterial, and nickel-titanium alloy, a metallic smart biomaterial, resulted in the development of smart composites that have a long service life, are mechanically and thermally strong, have shape memory, are self-healing, and can show the best performance in the location and conditions.