Development and optimization of natural fiber–reinforced thermoplastic compounds for sustainable lightweight automotive components
Sürdürülebilir hafif otomotiv bileşenleri için doğal elyaf takviyeli termoplastik bileşiklerin geliştirilmesi ve optimizasyonu
- Tez No: 1007869
- Danışmanlar: PROF. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sürdürülebilir ve düşük karbonlu otomotiv üretimine geçiş, cam elyaf takviyeli polipropilenin (PP) yerini alabilecek geri dönüştürülebilir ve hafif termoplastik kompozitlere olan talebi artırmıştır. Bu araştırma, çevresel etkisi azaltılmış yüksek performanslı PP bileşikleri geliştirmek amacıyla doğal lifleri, tarımsal atık dolguları ve sürdürülebilir nano karbon katkılarını entegre eden çok ölçekli bir malzeme tasarım stratejisi sunmaktadır. Yarı yapısal parçalarda kullanılan uzun cam elyaf (GF)/PP'ye alternatif olarak gövde (bast) lifi takviyeli PP formülasyonları geliştirilmiştir. Kenevir ve keten lifleri için optimize edilen ön işlemler koku oluşumunu azaltmış ve arayüz yapışmasını iyileştirmiştir. Gövde lifleri, uyumlaştırıcı ve ileri dönüştürülmüş grafen nanoplateletler (GNP) içeren hibrit sistem ile birlikte kullanıldığında, LGF/PP ile karşılaştırılabilir mekanik özellikler daha düşük yoğunlukta elde edilmiştir. Biyo-bazlı tek yönlü şeritlerle üzerine kalıplama (overmolding) uygulanarak ilave rijitlik ve mukavemet sağlanmıştır. Kısa GF/PP'ye dayalı uygulamalar için ceviz kabuğu, hindistan cevizi kabuğu, pirinç kabuğu, jüt, kenaf ve talaş gibi geniş bir tarımsal atık grubu değerlendirilmiştir. Keten/talk hibrit sistemleri ayarlanabilir mekanik performans sunarken, talk daha yüksek erime akışı ve daha kararlı kalıplama davranışına katkıda bulunmuştur. Atık lastikler, zeytin pirinası ve benzeri biyokütle kaynaklarından elde edilen sürdürülebilir nano karbon katkıları da çalışmaya dahil edilmiştir. Bu grafen benzeri nano tabakalar, PP'yi düşük yüklemelerde etkili şekilde takviye etmiş ve geleneksel grafene kıyasla daha düşük çevresel etki göstermiştir. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi sonuçları, keten, GNP ve MAPP içeren sistemlerde beşikten kapıya CO₂ emisyonlarında yaklaşık %24; geri dönüştürülmüş PP kullanıldığında ise %50'ye varan azalmalar olduğunu doğrulamıştır. Elde edilen bulgular, otomotiv uygulamaları için hafif ve çevreye duyarlı PP kompozitlerinin geliştirilmesine yönelik ölçeklenebilir bir yaklaşım sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
The transition toward sustainable and low-carbon automotive manufacturing has increased the demand for recyclable and lightweight thermoplastic composites that can replace glass fiber reinforced polypropylene (PP). This research presents a multi-scale materials design strategy that integrates natural fibers, agricultural waste fillers, and sustainable nano-carbon additives to develop high-performance PP compounds with reduced environmental impact. Bast fiber reinforced PP formulations were developed as an alternative to long glass fiber (LGF)/PP used in semi-structural components. Optimized pre-treatments for hemp and flax fibers reduced odor formation and improved interfacial adhesion, while a hybrid system containing bast fibers, compatibilizer, and upcycled graphene nanoplatelets (GNP) achieved mechanical properties comparable to LGF/PP at lower density. Additional stiffness and strength were obtained through overmolding with bio-based unidirectional tapes. A broader set of agricultural residues, including walnut shell, coconut shell, rice husk, jute, kenaf, and sawdust, was evaluated for applications relying on short GF/PP. Flax/talc hybrid systems provided tunable mechanical performance, and talc contributed to higher melt flow and stable molding behavior. Sustainable nano-carbon additives derived from waste tires, olive pomace, and similar biomass sources were also incorporated. These graphene-like nanosheets effectively reinforced PP at low loadings and demonstrated lower environmental impact than conventional graphene. Life Cycle Assessment confirmed cradle-to-gate CO₂ reductions of approximately 24% for flax, GNP, and MAPP systems and up to 50% when recycled PP was used. The outcomes highlight a scalable route toward lightweight and environmentally responsible PP composites for automotive applications.
Benzer Tezler
- Elektrikli otobüslerde kullanılan metal karkas yapıların topoloji optimizasyonu ile mühendislik plastikleri kullanılarak hafifleştirilmesi
Lightweighting of metal frame structures used in electric buses by topology optimization using engineering plastics
MURAT KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Otomotiv MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİL KUŞ
- Çamaşır makinesi tambur grubunun dinamik yükler etkisindeki deformasyonlarının analizi ve optimizasyon ile iyileştirilmesi
Analysis of deformations in washing machine tubs under the influence of dynamic loads and their improvement using optimization methods
NUR BALÇIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- Polimer matrisli kompozit özelliklerine muz bitkisi lifi kullanımının etkisi
Impact of banana plant fiber incorporation on the properties of polymer matrix composites
YUNUS YİĞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiMersin ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN AÇIKBAŞ
- Kauçuk hamurunun mekaniksel özelliklerinin kenevir lifi ile iyileştirilmesi
Enhancement of mechanical properties of rubber compounds with hemp fibers
CEMAL GÜNER
- Development of vibration performances of hybrid laminated composite materials by using stochastic methods
Tabakalı hibrit kompozit malzemelerin titreşim performanslarının stokastik optimizasyon yöntemleri kullanılarak geliştirilmesi
MELİH SAVRAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT AYDIN