Selüloz esaslı lif takviyeli kompozit otomotiv parçası tasarımı ve geliştirilmesi

Abstract

Tez çalışmasında, kompozit üretiminde kullanılan cam ve karbon gibi liflere alternatifolabilecek selülozik esaslı lif takviyeli kompozit yapıların üretilmesi ve özelliklerininincelenmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, selülozik esaslı lif takviyesi kullanılarak üretilenbiyo kompozit yapıların diğer liflere kıyasla otomotiv sektöründe parçaların ağırlıklarını büyükoranda hafifletmekle beraber çevre ile uyumlu atıklar oluşturarak sağladığı avantajlarincelenmiştir. Aynı zamanda, üretilen kompozit yapılarda çevresel şartlar altında meydanagelebilecek değişimlerin etkisi de belirlenmiştir. Lif yapısında bulunan selüloz oranı, düşükmaliyeti, işlenebilme kolaylığı, sürdürülebilirliği vb. avantajlarından dolayı kompozit yapıiçerisinde takviye elemanı olarak jüt dokuma kumaş tercih edilmiştir. Kompozit yapıların anabileşenlerinden birini oluşturan matris malzeme olarak ise düşük maliyeti, düşük sıcaklıktaişlem kolaylığı, kolay şekil verilebilme ve sürdürülebilme özelliklerinden dolayı düşükyoğunluklu polietilen (DYPE) kullanılmıştır. Çalışma kapsamında üretilen yapıların fizikselözelliklerini belirlemek amacıyla bazı testler ve analizler gerçekleştirilmiştir. Çekme dayanımı,eğme dayanımı ve darbe dayanımı gibi mekanik testlerin yanı sıra kimyasal özelliklerinibelirlemek amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrofotometresi (FTIR) ve DiferansiyelTaramalı Kalorimetri (DSC) testleri uygulanmıştır. Odaklanmış bir elektron demeti ile numuneyüzeyini tarayarak görüntü elde eden tarayıcı elektron mikroskobu (SEM) ve optik mikroskopile kompozit yapıların içyapı görüntüleri elde edilerek analizi yapılmıştır.Kompozit yapı üretimi, polimer matris malzemeye ve selülozik esaslı lif takviyesi olarakkullanılan jüt liflerine modifikasyonlar uygulanarak gerçekleştirilmiştir.Matris malzemesi DYPE, ekstrüder de ara yüzey yapısını geliştirmek amacıyla maleikanhidritile karıştırılarak granül formunda üretilmiştir. Ultraviyole koruyucu katkı malzemeleri dematris malzemesi DYPE’ye aynı şekilde ilave edilerek granül formunda üretilmiştir. Tozformundaki saf DYPE ve granül formunda bulunan modifiye edilmiş DYPE sıcak pressmakinasında film haline getirilmiştir. Buradaki amaç, kompozit yapı üretimde polimerin yapıiçeresinde liflerle birlikte homojen olarak dağılması ve yapı içerisinde hava boşluklarınınmeydana gelmemesidir.Kompozit yapı ana bileşeni ve takviye malzemesi olan jüt kumaşa ise lif/ matris yüzey uyumunuartırmak amacıyla silan ve alkalin (NaOH) işlemleri uygulanmıştır. Önce silan ve alkalin yüzeyişlemleri jüt kumaşa ayrı ayrı uygulanarak ideal uygulama şartları belirlenmiş ve sonra alkalinve silan işlemleri jüt kumaşa beraber uygulanmıştır.Ara yüzey iyileştirme işlemlerinden sonra sıcak pres makinasında kompozit yapı üretimlerigerçekleştirilmiştir. Üretilen yapılardan elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, yüzeyiyileştirme işlemlerinin kompozit yapının mekanik özelliklerini artırdığı belirlenmiştir.Üretilen kompozit yapıların çevresel koşullara dayanımını ölçmek amacıyla hızlandırılmışyaşlandırma işlemi uygulanmıştır. Ultraviyole koruyucu katkı malzemesi ilavesi öncesinde vesonrasında meydana gelen değişimler incelenmiştir. Söz konusu inceleme ile ultraviyoleışınlarının kompozit yapıların çekme, eğilme, darbe dayanımı ile birlikte kimyasal ve mikroyapısı üzerinde meydana getirdiği etkiler tespit edilmiştir. Kompozit yapılara yapılan testlersonucunda polimer matris malzemeye uygulanan modifiye işlemleri ile takviye lifineuygulanan yüzey iyileştirme işlemlerinin lif/ matris arsındaki yüzey uyumunu artırdığı tespitedilmiştir. Bu şekilde kompozit yapıların mekanik özelliklerinin geliştiği belirlenmiştir. Aynışekilde, UV koruyucu katkı malzemelerinin ideal oranlarda kullanılması ile kompozit yapılarındış olumsuzluklara karşı koruyucu özelliğinin arttığı sonucuna ulaşılmıştır.Tez çalışması kapsamında elde edilen veriler ışığında, selülozik esaslı lif takviyeli yenilikçikompozit yapıların otomotiv vb. alanlarda kullanımı ile daha ekonomik, uzun ömürlü ve çevreile uyumlu ürünlerin elde edilmesinin yanı sıra yeni iş olanakları da sağlayabileceğiöngörülmüştür.Eylül, 2020 Sabih OVALI

In this thesis study, it is aimed to produce cellulosic-based fiber reinforced composite structuresthat can be alternative to glass and carbon fibers used in composite production and to examinetheir properties. In this context, the advantages of bio composite structures produced by usingcellulosic fiber reinforcement compared to other fibers have been investigated, which werecreating environmentally friendly wastes while reducing the weight of the parts in theautomotive industry. At the same time, the effects of changes that may occur under theenvironmental conditions in the produced composite structures were also determined. Due toits 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 compositestructure. Low density polyethylene (DYPE) was used as the matrix material, which constitutesone of the main components of the composite structure, due to its low cost, ease of operation atlow temperature, easy forming and sustainability. Several tests and analyses were carried outto determine the physical properties of the structures produced within the scope of the study. Inaddition 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. wereobtained by analysing the internal structures of composite structures. The internal structureimages of composite structures were obtained with a Scanning Electron Microscope (SEM) andoptical microscope, which acquired images by scanning the surface of the sample with afocused electron beam, and then these images were analysed.Composite structure production was realized by applying modifications to the polymer matrixmaterial and jute fibers used as cellulosic fiber reinforcement.The matrix material DYPE was produced in the form of granules by mixing with maleicanhydride in the extruder to improve the interface structure. The polymer matrix with ultravioletprotective additives were also produced in the form of granules by adding the ultravioletprotective 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 formon hot press machine.The aim here was to homogeneously distribute the polymer together with the reinforcementfibers 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 reinforcingmaterial and one of the main materials in the composite, in order to increase fiber/ matrix surfacecompatibility. First, the ideal application conditions were determined by applying silane andalkaline surface treatments separately to the jute fabric, and then alkaline and silane treatmentswere applied together to the jute fabric.After the surface treatment applications, composite structure productions were carried out onthe 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 ofthe composite.Accelerated aging process was applied to measure the resistance of the produced compositematerials to environmental conditions. Changes that occurred before and after the addition ofultraviolet protective additives were examined. With this examination, the effects of ultravioletrays 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 compositestructures, it has been determined that the modification processes applied to the polymer matrixmaterial and the surface treatment processes applied to the reinforcement fiber increased thesurface compatibility between the fiber and matrix. In this way, it was determined that themechanical properties of the composite structures improved. Likewise, it was concluded thatthe protective feature of the composite structure against external negative conditions increasedwith 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 ofcellulosic-based fiber-reinforced innovative composite structures in automotive etc. areas canhelp to obtain more economical, long-lasting and environmentally compatible products as wellas providing new business opportunities.September, 2020 Sabih OVALI