Polipropilenin eklemeli üretimdeki performansına ve yanmazlığına çinko borat etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of zinc borate on the performance and flammability of polypropylene in additive manufacturing
Yazar: FATMANUR KARDAŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER YUNUS GÜMÜŞ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Eklemeli üretim, sağladığı birçok avantajdan dolayı kullanımı son yıllarda artan bir 
üretim yöntemidir. Polimerler, metaller ve seramikler gibi birçok malzeme bu üretim 
yönteminin farklı teknikleriyle üretilebilmektedir. Polimerlerin kullanımı hafiflik, 
tasarım esnekliği, kimyasal direnç, kolay işlenebilme vb. özelliklerinden dolayı gün 
geçtikçe artmaktadır. Ancak düşük ısıl ve mekanik özellikler polimerlerin başlıca zayıf 
yönleridir. Polimerlerin özelliklerini iyileştirmek için çeşitli katkılar ile 
kompozitlerinin hazırlanması oldukça yaygın bir yöntemdir. Polipropilen (PP) küresel 
olarak en yaygın kullanılan ikinci polimerdir. Ancak çekme kuvvetine karşı düşük 
mukavemet ve uzama sergilemesi zayıf yönlerinden biridir. Günümüzde alev 
geciktirici katkı maddeleri, polimerlerin aleve dayanımının arttırılmasında önemli bir 
rol oynamaktadır. Çinko borat (ÇB), polimer malzemelerde yangın geciktirici görevi 
gören bir katkı maddesidir. Bu çalışmada polipropilene farklı oranlarda (kütlece %5, 
10, 15 ve 20) ÇB katkılanarak kompozitler hazırlanmıştır. Kompozitlerin 
hazırlanmasında çift vidalı ekstrüder ile eriyik karıştırma yöntemi kullanılmıştır. Prusa 
3D model tipinde açık kaynak bir 3B yazıcı kullanılarak test numuneleri üretilmiştir.
Alev geciktirici özelliğe sahip olan ÇB'nin PP üzerindeki etkisini görmek için 
mekanik, termal, darbe ve yanmazlık testleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca saf PP ve %10 
ÇB katkılı PP kompozitlerle farklı dolgu oranlarında (%50, %75, %100) çalışmalar 
yapılmıştır. Artan ÇB oranıyla numunelerin yoğunluklarının ve eriyik akış indeksi 
(MFI) sonuçlarının arttığı görülmüştür. Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) cihazı 
kullanılarak numunelerin erime sıcaklıkları (Te), erime entalpileri (ΔHe) ve kristalinite 
dereceleri (Xk) belirlenmiştir. Te benzer sonuç gösterirken katkı oranındaki artış ile 
ΔHe ve Xk sonuçları azalmıştır. 
ISO 527-2 standardına göre çekme test numuneleri üretilmiş ve bir üniversal çekme
test cihazı ile çekme testi uygulanarak çekme mukavemeti, kopma uzaması ve elastik 
modül değerleri belirlenmiştir. Deneysel sonuçlardan artan ÇB oranları ile çekme 
mukavemeti değerlerinin azaldığı ve kopma uzaması değerlerinin arttığı görülmüştür. 
Farklı dolgu oranlarında, azalan dolgu oranı ile saf PP ve %10 ÇB katkılı PP 
kompozitlerde çekme mukavemeti ve kopma uzaması azalmıştır. Elastik modül 
değerlerinde büyük bir fark görülmemiştir. Yapılan 3 nokta eğme testlerine göre, eğme 
mukavemetleri çekme mukavemeti değerleriyle benzer sonuç göstermiş ve artan ÇB 
ile mukavemetler azalmıştır. Dolgu oranlarındaki sonuca göre azalan dolgu oranı eğme 
mukavemetini azaltmıştır. %10 ÇB katkılı PP kompozitler en yüksek yer değiştirme 
sonucuna sahip olmuştur. ÇB ilave edildikçe eğme modülünde azalma görülmüştür. 
Farklı dolgu oranları için bu durum eğme mukavemetleriyle benzerdir ve azalan dolgu 
oranıyla azalmıştır. Darbe testlerindeki sonuçlar incelendiğinde, ÇB katkısının 
numunelerin darbe enerjisini azalttığı tespit edilmiştir. Azalan dolgu oranları için de 
darbe enerjileri azalmıştır.
ÇB'nin PP matrisine eklenmesi, kompozitin ısı altında eğilme sıcaklığını (HDT) belli 
bir orana kadar azaltmış, belli bir orandan sonra artmasına neden olmuştur. Yanmazlık 
testleri bir yatay yanmazlık test cihazı ile yanma hızı belirlenerek test edilmiştir. Saf 
PP 66,60 mm/dk yanma hızına sahipken, %20 ÇB katkılı PP kompozitlerin yanma hızı 
49,18 mm/dk olarak belirlenmiştir. Artan ÇB oranı ile yanma hızında azalma 
görülmüştür. Farklı dolgu oranlarındaki sonuçlara göre, tüm dolgu oranları için %10 
ÇB katkılı PP kompozitlerin yanma hızları saf PP'ye kıyasla daha düşüktür. Azalan 
dolgu oranları ile, numunenin içindeki boşluklardan dolayı yanma hızının arttığı 
belirlenmiştir. Numunelerin boyutsal kararlılığı çarpılma açılarının ölçülmesiyle elde 
edilmiş ve artan CB katkısı ile %68,6 oranında iyileşmiştir. Farklı dolgu oranları 
incelendiğinde %10 ÇB katkılı PP kompozitin tüm dolgu oranları saf PP'ye kıyasla en 
iyi sonucu vermiştir.

Abstract:
Additive manufacturing is a production method that use has increased in recent years 
due to the many advantages it provides. Many materials such as polymers, metals and 
ceramics can be produced with different techniques of this production method. The 
use of polymers is increasing due to lightness, design flexibility, chemical resistance, 
easy processing, etc. day by day. However, low thermal and mechanical properties are 
the main weaknesses of polymers. It is a very common method to prepare composites 
with various additives to improve the properties of polymers. Polypropylene (PP) is 
the second most widely used polymer globally. Although, its low strength and 
elongation against tensile force is one of its weaknesses. Nowadays, flame retardant 
additives play an important role for improving the flame resistance of polymers. Zinc 
borate (ZB) is an additive that acts as a fire retardant in polymer materials. In this 
study, composites have been prepared by adding ZB to polypropylene at different rates 
(5, 10, 15 and 20 wt.%). In the preparation of the composites, the melt mixing method 
with a twin-screw extruder was used. Test samples were produced using an opensource 3D printer of the Prusa 3D model type. Mechanical, thermal, impact and nonflammability tests were carried out to see the effect of ÇB which has flame retardant 
properties on PP. In addition, studies have been carried out with different infill ratios 
(50%, 75%, 100%) for pure PP and 10% ZB filled PP composites. It was observed that 
the densities and the melt flow index (MFI) results of the samples increased with 
increasing ZB ratio. The melting temperatures (Te), melting enthalpies (ΔHe) and 
crystallinity degrees (Xk) of the samples were determined using a differential scanning 
calorimetry (DSC) device. While Te showed similar results, ΔHe and Xk results 
decreased with the increase in the contribution ratio.
Tensile test specimens were produced according to ISO 527-2 standard and tensile 
strength, elongation at break and elastic modulus values were determined by applying 
a tensile test with a universal tensile test machine. From the experimental results, it 
was observed that the tensile strength values decreased and the elongation at break 
values increased with increasing ZB ratios. The tensile strength and elongation at break 
decreased in pure PP and 10% ZB added PP composites with decreasing infill ratio at 
different infill ratios. There was no significant difference in elastic modulus values.
According to the 3-point bending tests, the bending strengths showed similar results 
with the tensile strength values, and the strengths decreased with increasing ZB.
According to the result in the infill ratios, the decreasing infill ratio decreased the 
bending strength. 10% ZB added PP composites had the highest displacement result.
The bending modulus decreased with the addition of ZB. For different infill ratios, this 
situation is similar with flexural strengths and decreased with decreasing infill ratio.
When the results of the impact tests were examined, it was determined that the ZB
additive reduced the impact energy of the samples. Impact energies also decreased for 
decreasing infill ratios.
The addition of ZB to the PP matrix decreased the heat deflection temperature (HDT) 
of the composite up to a certain rate and increased it after a certain rate. The 
flammability tests were tested by determining the burning rate with a horizontal 
flammability tester. While pure PP has a burning rate of 66,60 mm/min, the burning 
rate of 20% ZB added PP composites is 49,18 mm/min. With increasing ZB ratio, a 
decrease in burning rate was observed. According to the results at different infill ratios, 
the burning rate of 10% ZB added PP composites for all infill ratios is lower than that 
of pure PP. It was determined that with decreasing infill ratios, the burning rate 
increased due to the voids in the sample. The dimensional stability of the samples was 
obtained by measuring the warpage angles and improved by 68,6% with increasing 
ZB ratios. When the different infill ratios are examined, all infill ratios of 10% ZB 
added PP composite gave the best results compared to pure PP.