Investigation and comparison of dynamic and mechanical properties of poly-lactic acid and glass fiber reinforced poly-lactic acid
Poli-laktik asit ve cam elyaf katkılı poli-laktik asit'in dinamik ve mekanik özelliklerinin incelenmesi ve karşılaştırılması
- Tez No: 672921
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Polimerler günümüz çağında en çok kullanılan malzeme türlerinden biridir. Genel olarak polimerler sentetik polimerler ve biyopolimerler olarak iki gruba ayrılmaktadır. Sentetik polimerler; petrol bazlı polimerler olup, polimerin yapısına göre mühendislik uygulamalarında en çok kullanılan polimerlerdir. Termoplastik, termoset ve elastomer olmak üzere üç sınıf altında sentetik polimerler incelenmektedir. Petrol bazlı polimerlerin üretiminde çevre kirliliği, CO2 salınımı ve enerji tüketimi artmaktadır. Ayrıca bozulmaları da güçtür. Sürdürülebilirlik kavramının son zamanlarda popüler hale gelmesi bilim dünyasını yeni polimerler arayışına sevk etmiştir ve biyopolimerlere olan ilgi bu noktada ortaya çıkmıştır. Biyopolimerler de biyobozunur ve biyobozunmaz olarak ya da biyo-türevli ve petrol-türevli olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Petrol türevli biyopolimerleri üretmek de çevre kirliliğini arttırmaktadır. Biyo-türevli biyopolimerler mikroorganizmalardan, bitkilerden ve hayvanlardan üretilebilir. Fakat buradaki diğer önemli bir konu bütün biyopolimerlerin biyolojik olarak parçalanabilir olmamasıdır. Bu yüzden hem biyo-bazlı yenilebilir kaynaklardan üretildiğinden hem de biyolojik olarak parçalanabilir olduğundan poli-laktik asit günümüzün en çok kullanılan ve araştırılması yapılan biyopolimerlerinden biri olmuştur. Poli-laktik asit (PLA) mısır nişastası, şeker kamışı ve buğday gibi yenilebilir doğal kaynaklardan fermantasyonundan elde edilen laktitlerden ve laktik asit monomerlerinden üretilen, biyolojik olarak parçalanabilen doğrusal termoplastik alifatik bir polyesterdir. Ticari PLA genellikle laktitin halka açılma polimerizasyonu ile üretilir. Biyo-türevli, biyo-uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir özellikleri ile fiziksel olarak da şeffaf olması PLA'nın biyomedikal ve gıda ambalajı sektöründe yaygın olarak kullanılmasını sağlamaktadır. Ayrıca PLA, mukavemetinin ve sertliğinin yüksek olması gibi üstün mekanik özelliklerine sahip olması sebebiyle inşaat ve otomotiv endüstrisinde de kullanılmaktadır. Fakat PLA düşük tokluğa sahip kırılgan bir polimer olduğundan, yüksek gerilmeler altında plastik deformasyona ihtiyaç duyulan uygulama alanlarında kullanımı sınırlanmaktadır. Yavaş kristalleşmesinden dolayı etkilenen kırılganlığının ve termal dayanımının PLA'nın geliştirilmesi gereken özellikleri olarak ortaya çıkmaktadır. Bu olumsuz özelliklerinin üstesinden gelebilmek için PLA'nın kristalleşmesinin arttırılması yönünde birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalardan bazıları polimer karışımın oluşturulması, plastikleştiricilerin eklenmesi, kopolimerizasyon yapılması, nanokompozitlerin geliştirilmesi ya da PLA'ya takviye edici malzemelerin eklenmesidir. PLA'ya takviye edici malzemelerin eklenmesi, bu tez kapsamında incelenmiştir. Takviye gruplarını sentetik ve doğal olmak üzere iki gruba ayırmak mümkündür. Literatürde birçok çalışma çevreye katkısı olması amacıyla PLA'ya doğal takviye edici malzemelerin katılması üzerine yapılmıştır, fakat çoğu çalışma doğal takviyelerin PLA ile uyumluluğunun güç ve yetersiz olması nedeniyle kompozit malzemelerin mekanik ve termal özelliklerinin gelişmediğini ortaya koymuştur. Bu noktada, sentetik katkı malzemelerinin istenilen performans özelliklerini ortaya çıkarması için çalışmalar yapılmıştır. Bu tez kapsamında PLA'ya cam elyaf katılarak PLA'nın ve cam elyaf katkılı PLA'nın termal, mekanik ve viskoelastik özellikleri incelenmiştir. Kompozit malzemeyi oluşturabilmek için PLA matrisine, %20 oranında cam elyaf eklenmiştir ve numuneler enjeksiyon kalıplamayla basılmıştır. Hazırlanmış olan numunelerin termal özelliklerini incelemek ve malzemedeki geçiş sıcaklıklarını saptamak için Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DTK), termal bozunmalarını gözlemlemek için Termogravimetrik Analiz (TGA), mekanik özelliklerini test etmek için çekme testi, eğme testi, darbe testi ve viskoelastik özelliklerini incelemek için ise Dinamik Mekanik Analiz (DMA) yöntemi kullanılmıştır ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. DMA testi için gerinim, sıcaklık ve frekans taramaları ile sürünme ve gerilme gevşemesi testleri yapılmıştır. DTK testi ısıtma-soğutma ve tekrar ısıtma olmak üzere iki çevrimde yapılmıştır. Cam elyaf katkısının, PLA'nın camsı geçiş sıcaklığını ileri sıcaklıklara ötelediği ancak kristalleşmesine katkı sağlamadığı ortaya çıkmıştır. Ayrıca cam elyaf katkılı PLA'ın erime sıcaklığı saf PLA'ya göre daha yüksek bulunmuştur. İki malzemede de hem ilk ısıtma hem de ikinci ısıtma çevrimde, camsı geçiş sıcaklığından sonra PLA'nın yavaş kristalizasyon kinetiğinden dolayı için soğuk kristalleşme gözlemlenmiştir. TGA sonuçları incelendiğinde her iki malzemenin de termal bozunmaları 300 °C civarında başlayıp, 600 °C'ye kadar işlem devam etmiştir. Cam elyaf katkısının PLA'nın bozunma sıcaklığında önemli ölçüde etki etmediği ve bozunması tamamlandıktan sonra cam elyafın beklenildiği üzere bozunmadan %20 oranında kompozit malzemede kaldığı gözlemlenmiştir. PLA ise organik bir malzeme olduğundan dolayı tamamıyla bozunduğu gözlemlenmiştir. DMA analizi ile de malzemenin viskoelastik özellikleri incelenmiştir. İlk önce gerinim taraması yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntem ile malzemelerin lineer viskoelastik bölgesi belirlenerek, diğer testlerin bu belirlenen bölge içerisinde yapılması sağlanmıştır. Cam elyaf katkılı malzemenin lineer viskoelastik bölgesinin, saf PLA'ya kıyasla daha az olduğu saptanmıştır. İkinci test olarak sıcaklık taraması testi ile malzemelerin geçiş sıcaklıkları ve modül değerleri belirlenmiştir. Cam elyaf katkısının depolama modülünü (E') arttırdığı ve kayıp faktörü (tanδ) değerini düşürdüğü görülmüştür. Depolama modülü malzemenin sertliğinin bir ölçüsüdür ve depolama modülündeki artış, cam elyafın PLA'nın sertliğini arttırdığını belirtmektedir. Kayıp faktöründeki azalma ise cam elyaf ile PLA matrisinin ara yüzey artışın PLA'nın zincir hareketlerini kısıtladığından dolayı azaldığı yönünde yorumlanmaktadır. Sıcaklıkla depolama modülünün ilişkisi incelendiğinde de her iki malzemenin depolama modülünün camsı geçiş sıcaklığına kadar en yüksek değerlerinde olduğu gözlemlenmiştir, fakat camsı geçiş sıcaklığında depolama modülü sert bir düşüşle azalmıştır ve belli bir sıcaklığa kadar bu düşük değerde kalmıştır. Bu sıcaklıktan sonra her iki malzemenin depolama modüllerinde soğuk kristalizasyondan dolayı artış gözlemlenmiştir. Viskoelastik malzemelerin sıcaklık ve frekanstan etkilendiği bilinmektedir. Bundan dolayı sıcaklık taraması farklı frekanslarda da incelenmiştir. Frekansın artmasıyla geçiş sıcaklığının daha yüksek sıcaklıklarda tespit edilmiştir ve kayıp faktörünün tepe noktalarının ise daha da genişlediği gözlemlenmiştir. Numunelerin zamana bağlı davranışlarını tanımlamak için de frekans tarama testi de uygulanmıştır. Bu test, polimerlerin davranışları ve iç yapıları ile uzun dönem kararlılıkları hakkında bilgi vermektedir. Gerilme frekanslarının değiştirilmesi genellikle malzemenin modülünde değişikliklere yol açmaktadır. Frekansın artmasıyla, depolama modülünde artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, numunelerin sabit yük ve deformasyon altındaki davranışı incelenerek sürünme ve gerilme gevşemesi grafikleri oluşturulmuştur. Sürünme grafiğinde saf PLA, sabit yük altında daha fazla deforme olmuştur ve yük kaldırıldıktan sonra saf PLA kendisini daha çok toplayabilmiştir. Saf PLA'nın gerilme gevşemesi modülü cam elyaf katkılı PLA'dan daha azdır. Bu nedenle, saf PLA'yı aynı deformasyon altında tutmak için daha az kuvvet gereklidir. Ayrıca, cam elyaf katkısının PLA'nın mekanik özelliklerini iyileştirdiği de çekme, eğme ve darbe testleriyle gözlemlenmiştir. Cam elyafın PLA'yı daha sert bir malzeme yaptığı çekme ve eğme modüllerindeki artışından, kopmadaki uzamanın azalmasından anlaşılmaktadır. Ayrıca çekme, eğme ve darbe dayanımında da cam elyaf katkısıyla artış gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Polymers are one of the most used material types in the last century. Generally, the polymers are divided into two groups as synthetic polymers and natural polymers. Synthetic polymers called also as petroleum-based polymers are derived from petroleum oil and are the most used polymers in some engineering applications according to the structure of the polymer. Synthetic polymers can also be examined under three classes: thermoplastic, thermoset, and elastomer. However, environmental pollution, CO2 emission and energy consumptions increase through producing these polymers in industrial facilities. Also, their degradability is hard. Sustainability has become a popular issue recently. It prompted the scientific world to search for new polymers, and the interest in biopolymers has emerged at this point. Biopolymers can also be divided into two groups such as biodegradable and non-biodegradable or bio-based and petroleum-based polymers. Producing petroleum-derived biopolymers also increases the environment pollution but bio-based biopolymers can be produced from microorganisms, plants, and animals. However, another important issue here is that not all biopolymers are biodegradable. For this reason, Poly-lactic acid (PLA) has become one of the most widely used and researched biopolymers of today, as they are produced from bio-based sources and they are biodegradable. PLA is a biodegradable linear thermoplastic aliphatic polyester produced from renewable sources such as corn starch, sugar cane and wheat. Its biocompatibility is comparably high. Therefore, it is widely used in the biomedical and food packaging industry. Its superior properties are higher mechanical strength and stiffness, and higher transparency. However, due to the slow crystallization of PLA, its brittleness and thermal resistance are not good, so these properties of PLA need to be improved. In order to overcome these properties, many studies have been made to increase the crystallization of PLA. One of these is to reinforce PLA with fibers. Fibers are divided into two groups as synthetic and natural fibers. Many studies in the literature have been carried out in addition to natural fiber reinforced materials to PLA in order to contribute to the environment, but many studies have revealed that the mechanical and thermal properties of natural fiber reinforced PLA have not improved enough since the compatibility of natural fibers with PLA is difficult and not sufficient. At this point, synthetic fibers are considered, and studies about synthetic fibers reinforced PLA have been carried out to reveal the desired performance of PLA. The aim of the study to investigate the effect of glass fiber on thermal, mechanical, and viscoelastic properties of PLA. In order to create the composite material, 20 wt.% glass fiber was added to the PLA matrix and the samples were prepared by means of injection molding. Differential Scanning Calorimetry (DSC) was used to examine the thermal properties and to determine the transition temperatures of the prepared samples and Thermogravimetric Analysis (TGA) was used to observe the degradation of the samples by heat. Tensile, flexural, and Izod impact tests were applied to examine the mechanical properties of the samples. Additionally, Dynamic Mechanical Analysis (DMA) was conducted to investigate the viscoelastic properties of the samples and the results obtained from the analysis were compared. It has been revealed that the presence of glass fiber shifted the glass transition temperature and the melting temperature of PLA to higher temperatures but did not contribute to the PLA's crystallization. Additionally, it has been observed in the TGA analysis that the glass fiber could not affect the thermal stability of PLA, and also the glass fiber remained as residue in the composite when the degradation was completed. The viscoelastic properties of the material and the effect of the parameters on the viscoelastic properties were investigated by DMA analysis. It has been shown that the glass fiber additive increased the storage modulus (E') and decreased the damping factor (tanδ) value while shifting the glass transition temperature to a higher temperature. The effect of frequency was also examined, it has been found that the storage modulus increased with the increase in frequency, and the glass transition temperature shifted to higher temperatures. Creep and stress relaxation curves were examined to interpret the behavior of the samples under constant load and deformation. Neat PLA was more deformed under constant load and the loss in stress relaxation modulus was greater in glass fiber reinforced PLA. It has also been detected that the glass fiber additive improved the mechanical properties of PLA.
Benzer Tezler
- İyonlaştırıcı radyasyonun farklı ajanlarla kürlenmiş poli(epiklorohidrin-ko-etilen oksit-ko-allil glisidil eter) (GECO) bazlı elastomerlerın enerji sönümleme özellikleri üzerindeki etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of ionizing radiation on the energy-damping properties of poly(epichlorohydrin-co-ethylene oxide-co-allyl glycidyl ether) (GECO) based elastomers cured with different agents
PELİN TONKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ŞEN
DOÇ. DR. BAĞDAGÜL KARAAĞAÇ
- Charged functionalized semi-ipn nanocomposite materials with enhanced physico-chemical properties
Gelişmiş fizikokimyasal özelliklere sahip fonksiyonel yarı-ıpn nanokompozit malzemeler
KÜBRA KARA ERSOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- Lipit bazlı organik nanoyapıların hidrojellerin adezyonunda kullanılma potansiyelinin incelenmesi
Investigation of the potential use of lipid-based organic nanostructures in hydrogel adhesion
MERVE ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAL AYDOĞAN
- İlaç içeren NIPAAM hidrojellerinin salınım kinetiğinin incelenmesi
Investigation of the in vitro drug release kinetics of PNIPAAM hydrogels
CEYDA ŞİMŞEK
- Synthesis and characterization of cross-linked poly(Dimethyl Siloxane)nanocomposites
Çapraz bağlı poli(Dimetil Siloksan) nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu
YAĞMUR ÇAVUŞOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSELİ UYANIK
DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ