Effects of glass fiber content, 3D-printing and weathering on the performance of polylactide
Cam elyaf miktarının, 3D-yazıcı ile şekillendirmenin ve atmosferik yaşlandırmanın polilaktitin performansına etkileri
- Tez No: 475039
- Danışmanlar: PROF. DR. CEVDET KAYNAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Metallurgical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Bu tez çalışmasının birinci bölümünün amacı, özünde çok kırılgan bir malzeme olan polilaktitin (PLA) E-cam elyafları (GF) ile takviye edilerek ve termoplastik poliüretan elastomer (TPU) ile harmanlanarak optimum mekanik özelliklerinin (mukavemet-modül-tokluk) nasıl elde edilebileceğini araştırmaktır. Kompozitler ve harmanlar, çift vidalı ekstrüder kullanılarak eriyik karıştırma yöntemi ile üretilmiş, numuneler ise enjeksiyon kalıplama yöntemi ile şekillendirilmiştir. SEM analizleri ağırlıkça %15 GF takviyelerinin ve ağırlıkça %10 TPU fazlarının ayrı ayrı veya bir arada PLA matrisinde homojen olarak dağılabildiklerini, dolayısıyla özelliklerde önemli iyileşmelere neden olduklarını ortaya çıkarmıştır. Mekanik testler, tek başına TPU harmanlamanın süneklik ve kırılma tokluğu değerlerinde muazzam artışlarla sonuçlandığını, GF takviyelerinin ise mukavemet ve elastik modül değerlerinde önemli artışlara neden olduğunu göstermiştir. GF ve TPU birlikte eklendiğinde, GF takviyelerinin çatlak sapması (crack deflection), matris-elyaf ayrışması (debonding) ve elyaf çıkması (pull-out) toklaştırma mekanizmalarının en az TPU harmanlamanın elastomerik toklaştırma (rubber toughening) mekanizması kadar etkili olduğu gözlenmiştir. Ek olarak, DSC termogramları, özellikle GF takviyelerinin ve mikron boyutlu TPU fazlarının heterojen çekirdeklendirici gibi davranarak PLA'nın kristallenme miktarını yaklaşık iki kat arttırdığını ortaya koymuştur. Bu tezin ikinci bölümünün hedefi ise, geleneksel enjeksiyon kalıplama tekniği ile şekillendirilmiş PLA bazlı malzemelerin 3D-yazıcı / eklemeli üretim tekniğine karşı performansını karşılaştırmaktır. Karşılaştırmalar yalnızca saf PLA için değil aynı zamanda TPU harmanı ve GF takviyeli kompozitler için de yapılmıştır. Enjeksiyon kalıplama ve 3D yazıcı teknikleri ile şekillendirilmiş numunelerin performans karşılaştırmaları çekme, eğme ve kırılma tokluğu testleri ile özellikle mekanik özellikleri (mukavemet-modül-tokluk) için yapılmıştır. Diğer karşılaştırmalar, örneğin makro görünüm, kırılma yüzeyi morfolojisi ve ısıl davranış; fotografik görüntüleme, SEM, DSC ve TGA analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak; saf PLA ve PLA/TPU harmanları için 3D-yazıcı tekniği ile şekillendirmenin genel olarak oldukça iyi sonuçlar verdiği; GF takviyelerinin oryantasyonundaki farklılıklardan dolayı ise PLA/GF ve PLA/TPU/GF kompozit numunelerin mekanik performanslarında belirli düşüşlerin olabildiği gözlemlenmiştir. Bu tezin son bölümünün amacı ise ağırlıkça %15 GF ile takviye edilmiş biyo-bozunur bir polimer olan PLA'nın yapısının atmosferik yaşlanmaya karşı dayanıklılığındaki gelişme derecesini araştırmaktır. Bu amaç için saf PLA ve PLA/GF kompozit numuneleri, ISO 4892-3 standartlarına uygun olarak hem UV irradyasyonu hem de nem döngülerini içeren hızlandırılmış yaşlandırma koşullarına 400 saate kadar maruz bırakılmıştır. Kullanılan birçok karakterizasyon tekniği, numunelerin yapısında ve özelliklerinde oluşan değişikliklerin, zincir kesilme reaksiyonları nedeniyle PLA matrisinin molekül ağırlığındaki önemli düşülerden kaynaklandığını ortaya koymuştur. PLA/GF kompozindeki düşüşlere kıyasla saf PLA'nın mekanik özelliklerindeki (mukavemet-modül-tokluk) düşüşlerin çok daha kritik olduğu gözlenmiştir. Örneğin, saf PLA numunesinin çekme mukavemetindeki azalma %92'ye kadar çıkmışken; PLA/GF numunesi için bu azalma sadece %34'tür. Çünkü, inorganik güçlü cam yapıları nedeniyle GF takviyeleri atmosferik yaşlandırma döngüleri sırasında neredeyse hiç kimyasal bozunmaya uğramadıkları için, kompozit güçlendirme ve toklaştırma mekanizmalarındaki etkinliklerini koruyabilmişlerdir.
Özet (Çeviri)
The purpose of the first part of this thesis was to investigate how optimum mechanical properties (strength-modulus-toughness) of inherently very brittle polylactide (PLA) could be obtained by reinforcing with E-glass fibers (GF) and blending with thermoplastic polyurethane elastomer (TPU). Composites and blends were compounded by twin-screw extruder melt mixing, while specimens were shaped by injection molding. SEM analyses revealed that 15 wt% GF reinforcements and 10 wt% TPU domains, alone or together, could be uniformly distributed in the PLA matrix leading to significant improvements in properties. Mechanical tests indicated that use of TPU blending alone resulted in enormous increases in the ductility and fracture toughness values, while GF reinforcements led to significant increases in strength and elastic modulus values. When GF and TPU were added together, it was observed that crack deflection, debonding and fiber pull-out toughening mechanisms of GF reinforcements were as effective as the rubber toughening mechanism of TPU blending. Additionally, DSC thermograms revealed that crystallinity amount of PLA would be increased almost two times due to especially heterogeneous nucleation site actions of GF reinforcements and fine sized TPU domains. In the second part of the thesis, the purpose was to compare performance of PLA based materials shaped by the traditional injection molding technique versus 3D-printing additive manufacturing. Comparisons were performed not only for neat PLA but also for its TPU blend and GF reinforced composites. Performance comparison of the injection molded and 3D-printed specimens were especially conducted to compare their mechanical properties (strength-modulus-toughness) by tensile, flexural and fracture toughness tests. Other comparisons such as their macro-level appearances, fracture surface morphology and thermal behavior were also performed by photographic images, SEM, DSC and TGA analysis. It can be concluded that use of 3D-printing in the shaping of neat PLA and PLA/TPU blend was generally very beneficial; on the other hand, due to the differences in the orientation of the GF reinforcements, there could be certain reductions in the mechanical performance of PLA/GF and PLA/TPU/GF composite specimens. The objective of the last part of this thesis was to explore the degree of improvement in the resistance of biodegradable PLA structure against atmospheric weathering (outdoor) conditions when reinforced with only 15 wt% GF. For this purpose, both neat PLA and PLA/GF composite specimens were exposed to accelerated weathering conditions of both UV-irradiation and moisture cycles in accordance with ISO 4892-3 standards for various periods till 400 hours. Many characterization techniques revealed that the alterations in the structure and properties of the specimens were due to the drastic decrease in the molecular weight of the PLA matrices via chain scission reactions. It was observed that reductions in the mechanical properties (strength-modulus-toughness) of the neat PLA were much more critical compared to the reductions in the PLA/GF composite. For instance, the reduction in the tensile strength of the neat PLA specimen was as much as 92%; while that reduction for the PLA/GF specimen was only 34%. Because, inorganic strong glass structure of the GF reinforcements having almost no chemical degradation during weathering periods kept their actions in the composite strengthening-stiffening-toughening mechanisms.
Benzer Tezler
- Creep behavior investigation of 3d printed polyetherimide parts with carbon black reinforcement via experimental analysis and modeling
3b basılmış karbon siyahı takviyeli polieterimid parçaların deneysel analiz ve modelleme ile sürünme davranışının incelenmesi
MERVE KARABAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPTEKİN YILDIZ
- Development of high density polyethylene based composites for additive manufacturing used in shipbuilding industry
Gemi inşaati endüstrisindeki eklemeli imalatta kullanılmak üzere yüksek yoğunluklu polietilen esaslı kompozit malzeme geliştirilmesi
AYBERK SÖZEN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiDeniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKDENİZ NEŞER
- Hybrid 3D bioprinting of functionalized structures for tissue engineering
Başlık çevirisi yok
SEYEDEH FERDOWS AFGHAH
Doktora
İngilizce
2020
BiyomühendislikSabancı ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHATTİN KOÇ
- Development and characterization of ceramic nanofiber membranes for dye removal from textile wastewater
Tekstil atıksularından boya giderimi için seramik nanofiber membranların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
NURAY YERLİ SOYLU
Doktora
İngilizce
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Performance of composites from 3d orthogonal woven preforms in terms of architecture and sample location during resin infusion
Üç boyutlu dikey dokunmuş öncül formlardan müteşekkil kompozitlerin mimari ve reçine emilimi esnasındaki numune konumu açısından performansının incelenmesi
MEHMET ERDEM İNCE
Doktora
İngilizce
2013
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiNorth Carolina State UniversityLif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDEL-FATTAH MOHAMED SEYAM