Geri Dön

Particle reinforced polypropylene biocomposites based on lignocellulosic biomass from organic wastes

Organik atıklardan elde edilen lignoselülozik biyokütle esaslı partikül takviyeli polipropilen biokompozitler

PDF İndir

  1. Tez No: 1010424
  2. Yazar: ELİZ GÜRPINAR
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT HÜSEYİN ÜNLÜ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Bitkisel atıklar, Plant wastes
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu çalışmanın amacı, lignoselülozik biyokütlenin polipropilen (PP) biyokompozitlerin özellikleri üzerindeki etkilerini incelemektir. Bu deneyde kullanılan biyokütle kayısı çekirdeği kabuğu (AKS), fındık kabuğu (HS), ceviz kabuğu (WS) ve mısır koçanıydı (CC). Tezin birinci bölümünde biyokütlelerin karakterizasyonu incelenmiştir. Her bir biyokütlenin karakterizasyonu için kimyasal ve termal olarak kimyasal analizler yapılmıştır. Biyokütlelerin spektral analizini belirlemek için FTIR analizi uygulandı. Lignin, yüzeyden bağlanabilen daha hidrofobik, daha yüksek kullanılabilir bölgelere ve daha reaktif gruplara sahiptir. Kimyasal analiz sonuçlarından AKS, hepsi arasında en yüksek lignin içeriğine sahip olduğunu gösterdi. Buna zıt olarak, CC en yüksek selüloz oranına sahip biyokütle olarak sonuçlandı. Bu sebeple, en düşük mekanik ve termal değerler CC ile yapılan biyokompozitlerden bekleniyor. Bunun sebebi, CC deki selüloz miktarının yüksek olmasıyla biyokütleyi daha hidrofilik yapıda olmasını sağlar. Bu da hidrofobik yapıdaki polimer matriksiyle uyumsuzluğunu arttırır. Biyokütle seçimi, seri üretim için kritikti. Biyokütle, ikincil tüketiciler tarafından kullanımına göre seçilmiştir. Fındık kabukları ve mısır koçanları ikinci tüketiciden önce toplanabiliyordu. Arçelik'in daha önceki çalışmasında kullanılmış kahve atıkları ikinci tüketiciden sonra toplanıyordu. Kahve atıkları toplandıktan sonra temizlenmiyor veya ayrıştırılamıyordu. Bazı durumlarda istenmeyen maddeler görüldü. İstenmeyen dış maddeler temizlenmezse daha önce gerçekleşen işlemler sırasında kalıba zarar verebilir. AKS, HS, WS ve CC atıkları seri üretimde rahatlıkla kullanılabilir. Malzemenin hidroksil bağlarının tespiti yapıldı. Yapılan anhirit ve piridin karışımıyla titrasyon yapıldıktan sonra OH miktarı ve OH eşitliği ölçüldü. Sonuclara göre, OH miktarının en fazla çıktığı WS ve CC olarak görüldü. Bu ikisinin fazla çıkmasının sebebi ise selülozün içerisindeki serbest OH miktarlarının fazla olmasıyla miktarlarının fazla çıktığı öngörülmüştür. Ligninin içindeki OH miktarlarına yapı gerekeği ulaşılmadığından dolayı selüloz kısımlarından gelen hidroksil bağlarının miktarlarının fazla çıktığı görülmüştür. WS ve CC selüloz içeriğinden dolayı daha hidrofilik biyokütlelerdir.Biyokütlelerin TGA analizine bakıldığı zaman, AKS ve HS nin dekompozisyon sıcaklığı daha geç başlamıştır. Bunun sebebi içerisindeki kompleks yapılı lignin miktarının fazla olmasıyla termal dayanımı diğer HS ve CC biyokütlelerine göre daha xxvi yüksek çıkmıştır. Ligninin dekompozisyonu hemiselüloz ve selüloza göre daha yavaştır. Ayrıca, TGA grafiğinden çıkartılan sonuca göre en çok kütle kaybı AKS de görülmüştür. Literatür araştırmasına göre AKS nin içerisindeki ağır metal oranının fazla olmasıyla bu kütle kaybının yüksek olması ilişkilendirildi. Biyokompozit prosesinde iki farklı PP kullanıldı. İkisiyle yapılan mekanik sonuçlar birbirinden farklı çıktığı için FTIR analizi yapılıp arasındaki farklar incelenmiştir. FTIR analizi sonucunda isotaktik oranı belirlenmiştir. Isotaktisite oranlarıyla kristalizasyon yüzdesinin orantısına bakılmıştır. Sonuç olarak, Borealis PP daha ataktik çıkarken, Sumitomo PP daha izotaktik çıkmıştır. Yapılan mekanik testlerle de Sumitomo PP nin eğme modulusu ve elastik modulusu daha yüksek iken darbe değeri daha düşük çıkmıştır Borealis PP ye göre. Izotaktik oranları farkına göre kristalizasyon yüzdesi sonuçları doğrulamıştır. Sumitomo PP nin kristalizasyon yüzdesi 36% çıkarken Borealis PP ni kristalizasyonu 15% çıkmıştır. AKS ile biokompozit eldesinden sonra AKS yüzdesine göre isotaktisite oranları belirlenmiştir. Borealis ile yapılan PP/AKS biokompozitlerde yüzde miktarı arttıkça izotaktisite de artmıştır. Sumitomo ile yapılan PP/AKS biokompozitlerde en ataktik PP/10AKS de çıkmıştır. Isotaktisite ise 10% dan sonraki biyokompozitlerde biyokütle oranın artmasıyla beraber artmıştır. Biyokütle yüzeylerinin, biyokütle ve PP matrisinin mekanik olarak birbirine kenetlenmesi daha zor olacağından, bileşikleştirmeden sonra biyokompozit özelliklerini bozabilecek safsızlıklar ve düzensizlikler sergilediği ortaya çıktı. Bu safsızlıkların biyokütle yüzeyinden uzaklaştırılması için AKS, etanol ile yıkandı ve yüzey özelliklerini değiştirmek için bir esterleşme reaksiyonuna maruz bırakıldı. Modifikasyon daha sonra FTIR spektrumları ile analiz edilir. Yüzey modifikasyonu gereksinimi, zayıf ara yüzey yapışmasına ve PP matrisi ile uyumsuzluğa neden olan biyokütlenin doğal hidrofilik doğasından geliyordu. Esterleştirme reaksiyonu, AKS'nin hidroksil bölgelerini azalttı. AKS'nin modifikasyonu için, stearik asit (SA) değiştiricinin süresi, sıcaklığı ve içeriği değiştirilerek altı farklı durum denendi. Modifiye edilmiş AKS'nin karakterizasyonundan, sıcaklığın oda sıcaklığından 50 C'ye değiştirilmesiyle modifikasyonun öne çıktığı ortaya çıktı.Biyokütle, malzemenin biyokompozit formunu elde etmek için PP matrisi ile birleştirildi. Birleştirme işlemi, çift vidalı ekstrüzyon ve ardından enjeksiyon kalıplama ile eriyik karıştırmayı içeriyordu. Biyokompozitlerin mekanik ve termal özellikleri incelenmiştir. Biyokütle içeriğinin, tipinin ve arayüz uyumluluğunun etkisi incelenmiştir. AKS için, artan biyokütle içeriği, SEM görüntülerine göre biyokütle parçacıklarının topaklaşmasına neden oldu. Bu olay, matris uyumlaştırmasının kırılmasına ve AKS parçacıklarının ayrılmasına yol açarak fiberin çekilmesine neden oldu. Tüm biyokompozit tipleri için genel eğilim, genel olarak modülleri arttırırken, kırılmada uzamayı ve darbe dayanımını azaltan orantısal bir artış olmuştur. TGA analizi, eğrinin xxvii ilk %25'inde saf PP'nin biyokompozitlere kıyasla daha yüksek termal stabiliteye sahip olduğunu ortaya çıkardı. Yine de, grafiğin son çeyreğinde biyokompozitler saf PP'ye kıyasla daha yüksek ayrışma sıcaklığına sahipti. Bu, yüksek sıcaklık uygulamalarında biyokütle dolgulu biyokompozitlerin kullanılmasının daha iyi olacağının bir göstergesidir. Biyokompozitlerin ilk ısıtma çevrimi DSC analizi ile incelenmiştir. Biyokütle içeriği arttıkça, yüksek derecede kristalleşme olması beklenirken, kristalleşme %10 AKS biyokütlesine kadar artmış ve daha sonra azalmıştır. Bu, daha yüksek biyokütle içeriklerinde, aglomerasyonun kristalleşme davranışını bozduğu gerçeğine atfedilebilir. Biyokütlenin hidrofilik doğası, zayıf arayüz uyumluluğuna neden olabilecek PP matrisi ile tutarsızdı. Bu nedenle biyokompozitlerin özelliklerini iyileştirmek için uyumlaştırıcı olarak maleik anhidrit aşılı PP (MAPP) eklenmiştir. MAPP'nin biyokompozitler üzerindeki etkisi, bağdaştırıcının etkisinin malzemenin mekanik ve termal özelliklerini geliştirip geliştirmediğini görmek için test edildi. Biyokompozitin ağırlıkça %2 MAPP ilavesiyle iyileşen özellikleri, yüzey pürüzlülüğünü azaltan ve biyokütle partiküllerinin PP matrisi içinde üniform bir dağılımını sağlayan SEM görüntüleme ile de doğrulandı. DSC eğrisi, MAPP uyumlu biyokompozittekristalleşme derecesinin en yüksek olduğunu ortaya koydu. TGA sonuçları, biyokompozitlerin termal kararlılığının da MAPP ilavesiyle iyileştirildiğini göstermektedir. Bağdaştırıcı olmadan, düşük moleküler ağırlıklı bileşikler daha önce termal olarak ayrışmıştır ve MAPP ilavesi bu bileşikleri tutar ve PP matrisinden ayrılmayı engeller. Son olarak, biyokompozitlerin reolojik davranışı bir kılcal reometre ile incelenmiştir. Malzemeler, kesme hızı uygulandığında kayma incelmesinin meydana geldiği psödoplastik sıvı davranışı sergilemiştir. Biyokütle içeriği arttıkça, güç kanunu indeksi azaldı ve güç kanunu indeksi ile kayma incelmesi davranışının ters orantılılığı, yüksek biyokütle içeriklerinde kayma incelmesinin daha belirgin olduğunu gösterdi. Biyokompozitlerin viskozitesi, kesme hızı arttıkça azalmıştır. Çeşitli biyokütle içerikli biyokompozitlerin viskoziteleri arasında davranışta gözle görülür bir fark yoktu.

Özet (Çeviri)

The aim of this study was to examine the effects of lignocellulosic biomass on the properties of polypropylene (PP) biocomposites. The biomass used in this experiment was apricot kernel shell (AKS), hazelnut shell (HS), walnut shell (WS), and corn cob (CC). In the first section of the thesis, the characterization of biomasses was analyzed. For the characterization of each biomass, chemical analysis was done chemically and thermally. FTIR analysis was applied to determine the spectral analysis of biomasses. Lignin has more hydrophobic, higher available sites and more reactive groups that can bind from the surface. From the results of chemical analysis, AKS showed that it had the highest lignin content among all. Biomass selection was critical for mass production. The biomass was selected based on its use by secondary consumers. Nut shells and corncobs could be harvested before the second consumer. In Arçelik's previous study, used coffee waste was collected after the second consumer. Coffee waste could not be cleaned or separated after collection. In some cases, undesirable substances were seen. If the unwanted external materials are not cleaned, they may damage the mold during the previous processes. AKS, HS, WS and CC wastes can be used easily in mass production. The hydroxyl bonds of the material were determined. After titration with anhydrite and pyridine mixture, the amount of OH and the OH equation were measured. According to the results, it was seen that the OH amount was highest in WS and CC. The reason for the excess of these two is that the amount of free OH in the cellulose is high, and it is predicted that their amount is excessive. It was observed that the amount of hydroxyl bonds coming from the cellulose parts was excessive because the OH amounts in the lignin were not reached due to the structure requirement. WS and CC are more hydrophilic biomass due to their cellulose content. When looking at the TGA analysis of biomass, the decomposition temperature of AKS and HS started later. The reason for this is that the amount of complex structured lignin is higher, and its thermal resistance is higher than other HS and CC biomass. Lignin decomposition is slower than hemicellulose and cellulose. In addition, according to the result obtained from the TGA graph, the most mass loss was seen in AKS. According to the literature research, the high amount of heavy metal in the ACS was associated with this high mass loss.Two different PPs were used in the biocomposite process. Since the mechanical results with the two were different from each other, FTIR analysis was performed and the differences between them were examined. The isotactic ratio was determined as a result of the FTIR analysis. The ratio of isotacticity ratios to the percentage of crystallization was examined. As a result, Borealis PP was more atactic, while Sumitomo PP was more isotactic. With the mechanical tests, the bending modulus and elastic modulus of Sumitomo PP were higher, while the impact value was lower compared to Borealis PP. The percentage of crystallization according to the difference in isotactic ratios confirmed the results. While the crystallization percentage of Sumitomo PP increased to 36%, the crystallization of Borealis PP increased to 15%. After obtaining biocomposite with AKS, isotacticity ratios were determined according to the percentage of ACS. In PP/AKS biocomposites made with Borealis, isotacticity increased as the percentage increased. The most atactic PP/10AKS was found in PP/AKS biocomposites made with Sumitomo. On the other hand, isotacticity increased with the increase of biomass ratio in biocomposites after 10%. It was revealed that the biomass surfaces exhibit impurities and irregularities, which could degrade the biocomposite properties after compounding, because it would be harder to mechanically interlock of the biomass and PP matrix. For the removal of those impurities from the biomass surface, AKS was washed with ethanol, and it was exposed to an esterification reaction to modify its surface properties. Modification is then analyzed with FTIR spectra. The requirement for the surface modification came from the inherent hydrophilic nature of the biomass, which caused poor interfacial adhesion and incompatibility with the PP matrix. The esterification reaction reduced the hydroxyl sites of the AKS. For the modification of AKS, six different cases were experimented by changing the time, temperature, and content of the stearic acid (SA) modifier. From the characterization of modified AKS, it was revealed that just by changing the temperature from room temperature to 50 C, the modification became prominent. The biomass was compounded with PP matrix to obtain a biocomposite form of the material. The compounding process involved melt mixing by twin screw extrusion and then injection molding. The mechanical and thermal properties of biocomposites were investigated. The effect of biomass content, type and the interfacial compatibility were examined.For AKS, increasing biomass content resulted in agglomeration of the biomass particles according to the SEM images. This occurrence caused the matrix compatibilization to break and AKS particles detached leading to the fiber pull-out. The general trend for all type of biocomposites was an increase in proportion resulted in decreased the elongation at break and impact strength while increasing the moduli in general. TGA analysis revealed that, in the first 25% of the curve, neat PP had a higher thermal stability compared to biocomposites. Yet, in the last quartile of the graph the biocomposites had a higher decomposition temperature in comparison with the neat PP. This is an indication of in high temperature applications it would be better to use biomass-filled biocomposites. The first heating cycle of the biocomposites was studied with DSC analysis. As the biomass content increased, it was expected to have a high degree of crystallization, yet the crystallization increased up to 10% AKS biomass and then decreased afterward. This could be attributed to the fact that at higher biomass contents, the agglomeration deteriorated the crystallization behavior. The hydrophilic nature of biomass was inconsistent with the PP matrix which could result in poor interfacial compatibility. Therefore, to improve the properties of biocomposites, maleic anhydride- grafted PP (MAPP) was added as a compatibilizer. The impact of MAPP on biocomposites was tested to see if the effect of the compatibilizer xxiii enhanced the mechanical and thermal properties of the material. The improved properties of the biocomposite with the addition of 2 wt% MAPP were also confirmed with the SEM imaging, which decreased the surface roughness and provided a uniform distribution of the biomass particles inside the PP matrix. DSC curve revealed that the degree of crystallization was highest in the MAPPcompatible biocomposite. TGA results that the thermal stability of biocomposites was also improved with the addition of MAPP. Without compatibilizer, low molecular weight compounds were thermally decomposed earlier, and MAPP addition holds these compounds and inhibits the detachment from the PP matrix. Finally, the rheological behavior of the biocomposites was studied with a capillary rheometer. The materials exhibited pseudoplastic fluid behavior, in which shear thinning occurs when the shear rate is applied. As the biomass content increased, the power law index decreased, and the inverse proportionality of the power law index and shear thinning behavior showed that shear thinning was more distinct at high biomass contents. The viscosity of biocomposites decreased as the shear rate increased. There was no discernible difference in behavior between the viscosities of various biomass content biocomposites.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1017186

    Jüt lifi takviyeli polipropilen kompozitlerde maleopimarik asidin uyumlaştırıcı etkisi

    The effect of maleopimaric acid as a compatibilizer on jute fiber reinforced polypropylene composites

    MESUT TOZAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2026

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL

  2. Tez No

    325619

    Ahşap plastik kompozitlerin kullanım performansları üzerine araştırmalar

    Investigations on usage performance of wood plastic composites

    ERKAN AVCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TURGAY AKBULUT

  3. Tez No

    595742

    Hibrit organik-inorganik dolgulu polimer matrisli kompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of hybrid organic-inorganic filled polymer matrix composites

    MUHAMMED YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)

    DOÇ. DR. KUTLAY SEVER

  4. Tez No

    975910

    Kenevir atık tozu içeren polipropilen matriksli termoplastik kompozitlerin mekanik özelliklerinin araştırılması

    Investigation of mechanical properties of polypropylene matrix thermoplastic composites containing hemp waste powder

    BORA MERT ÖZDARENDELİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Kenevir Araştırmaları Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR DEMİRCAN

  5. Tez No

    468124

    Cam bilya ve silisyum partikül ile takviye edilmiş polipropilen kompozit malzemenin işlenebilirliğinin araştırılması

    Invesgatigating machinability of glass sphere and silicon particle reinforced polypropylene composite material

    MUSTAFA DÜNDAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Mühendislik BilimleriSakarya Üniversitesi

    İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ASLANLAR

Geri Dön