Energy dissipation and rate-dependent deformation behavior of STF-integrated PU foam nanocomposites
STF entegre PU köpük nanokompozitlerin enerji emme ve hıza bağlı deformasyon davranışı
- Tez No: 807285
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BÜNYAMİN KARAGÖZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 77
Özet
Enerji emici yapıların tasarlanması emniyet ve güvenlik için oldukça önemlidir ve bu yapıların basma, eğilme ve darbe gibi çeşitli yüklere dayanması gerekmektedir. Sandviç yapılar için çekirdek (nüve) malzeme olarak bal peteklerinin yanı sıra, polimerik köpükler olağanüstü etkili yük transferi, viskoelastik özellikleri ve artan yüzey alanı ile yapısal bileşenler olarak büyük ilgi görmektedir. Çeşitli polimerik köpükler arasında, rijit poliüretan (PU) köpükler, yüksek mukavemet ve hafiflik özellikleri ve uyarlanabilirlik özellikleriyle iyi bir seçenek olarak değerlendirilebilir. PU köpükler, tipik olarak poliol ve izosiyanattan sentezlenen, mekanik, termal ve viskoelastik özelliklere göre kauçuklar ve plastikler arasındaki boşlukları doldurma potansiyeline sahip, benzersiz kimyası ile öne çıkan özel bir polimer grubudur. PU köpükler, geniş bir uygulama alanı ve özellik yelpazesi sağlayan 20 ila 3000 kg/m3 arasında değişen yoğunluk değerlerine sahip olabilir. PU köpüklerin fiziksel ve mekanik özellikleri, esas olarak köpüğün yoğunluğu, hücre yoğunluğu, hücre kenarı uzunluğu, duvar kalınlığı ve kalınlık/uzunluk oranı (t/l) gibi birkaç temel parametre tarafından belirlenen morfolojik özellikleriyle yakından ilişkilidir. PU köpükler, benzersiz işlevsellik ve özellikler elde etmek için nano ve/veya mikro boyutlu takviye maddeleri eklenerek geliştirilebilmektedir. PU köpüğe nano parçacık takviyesinin proses parametresi optimizasyonu ile birleştirilmesi, gelişmiş mekanik ve fonksiyonel özellikler kazandırmaktadır. Mekanik özelliklerdeki artış, köpüğün mikro yapısındaki değişiklikten kaynaklanmaktadır. Hücre oluşumunda nano parçacıklar çekirdeklenme noktaları olarak görev alarak kısa hücre kenar uzunluğuna, daha geniş hücre duvarı kalınlığına ve daha yüksek hücre yoğunluğuna yol açarak gelişmiş mekanik özellikler sağlayabilmektedir. Enerji emme kabiliyetleri gerilim-gerinim eğrilerinden hesaplanan histeresiz alan, kayıp faktörü ve enerji kayıp katsayısı gibi değerlerle ölçülebilir. Bu ölçümler, enerji emici malzemelerin kullanıldığı uygulamalarda oldukça önemlidir. Çünkü enerjiyi verimli bir şekilde dağıtma yeteneği, uygulanan kuvvetlerin yapılar ve bileşenler üzerindeki etkisini azaltmada kritik öneme sahiptir. Uygulanan kuvvetler sonucu oluşan enerji, hücrelerin elastik/plastik deformasyonu, sürtünme ve ısı olarak emilebilmektedir. Polimerik köpüklerin enerji emme kabiliyetlerini ve mukavemetlerini en üst düzeye çıkarmak için karbon nanotüpler ve grafen gibi karbon bazlı nano yapıların takviye edici maddeler olarak kullanılmasına yönelik önemli araştırmalar yapılmasına rağmen, olağanüstü enerji emme özellikleri sergileyen kesme altında katılaşan sıvılar (STF'ler) gibi diğer nano malzemelerin potansiyel rolünü araştırmak için daha fazla çaba sarf edilmesi gerekmektedir. STF'ler, sıvı ve katıların karışımından oluşan kolloid süspansiyonlar olup, yüksek kesme hızlarında, parçacık etkileşimleri nedeniyle hidrokümeler oluşturarak ciddi bir viskozite artışı sağlar. Böylece, hızlı viskozite değişimi mükemmel bir enerji absorbsiyonu özelliği ile sonuçlanır. PU köpükler üstün enerji emilimi ve ısı yalıtımı özelliklerine sahiptir, bu nedenle STF'lerin sert PU köpüğe entegrasyonu STF'lerin xxiv akış davranışını stabilize edebilir, ayrıca STF sızıntılarını önleyebilir ve daha yüksek enerji emilimi sağlayan malzemeler elde edilebilir. Bu çalışma, mikroyapı / mekanik özellik ilişkisini tartışırken, PU köpüklerin basma ve enerji emme özelliklerini STF entegrasyonu ile geliştirmeyi amaçlamaktadır. Başlangıçta, STF'ler ağırlıkça %30'a kadar füme ve küresel silika içeriği ile 300 rpm'de mekanik karıştırıcı ve %30 genlikli çalışan horn sonikatör kullanılarak üretilmiş, daha sonra parçacık geometrisi ve ağırlık oranının STF'nin akış özellikleri üzerindeki etkisini anlamak amacıyla reometreyle incelenmiştir. Sonuçlar, ağırlıkça %26 füme silika içeren STF'in 67.66 değerinde mükemmel kalınlaşma oranıyla PU köpüğe entegrasyon için optimum süspansiyon olduğunu, kesme hızının artmasıyla birlikte viskozite değerlerinin 0.74 Pa.s'den 50.07 Pa.s'ye arttığını ortaya koymuştur. Ek olarak üretim gününden 32 gün sonrasına kadar belirli zaman aralıklarıyla yapılan reolojik ölçümler ışığında, akış özelliklerinin üretim gününden 1 aydan fazla zaman geçmesine rağmen ilk günkü özelliklerini sergilediği gözlemlenmiştir. Ağırlıkça %26 füme silika içeren STF, poliüretan (köpükleşme) sentezinden önce mekanik karıştırıcı kullanılarak köpüğün ağırlığına göre ağırlıkça %0,5, %1 ve %3 oranlarında poliol ortamında disperse edilmiş daha sonrasında köpükleşme reaksiyonuyla birlikte STF katkılı sert PU köpükler elde edilmiştir. Elastik, plato ve densifikasyon gibi farklı deformasyon bölgeleri altında orana bağlı özellikleri anlamak için optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskopuyla morfolojik analiz, 0,2 s-1 'e kadar çeşitli gerinim hızlarında basma testleri ve %10, %40, %80 uygulanan gerinimlerde döngüsel basma testleri gerçekleştirilmiştir. Morfolojik incelemelere göre, ağırlıkça %1 STF takviyesine kadar hücre kenar uzunlukları azalmış ve hücre duvar kalınlığı artmıştır. Mekanik mukavemet tahmini için uygun bir gösterge olan t/l oranı, PU köpüğe ağırlıkça %1 STF entegrasyonuyla maksimum seviyeye ulaşmıştır. Basma testi sonuçlarının morfolojik incelemelerle uyumlu olduğu gözlemlenmiş STF katkısıyla birlikte artan t/l oranının yanı sıra basma dayanımının da arttığı görülmüştür. Sonuçlar ışığında, ağırlıkça %1 STF katkısının sırasıyla %33 ve %10,4'lük artışlarla en yüksek basma dayanımı ve özgül basma dayanımını sunduğunu göstermiştir. Densifikasyon bölgesinde hücrelerin kırılması sonucu gözlenen en yüksek gerilim değeri ağırlıkça %1 STF katkısıyla, katkılanmamış köpüğe göre %50'den fazla artmıştır. Enerji absorpsiyon özellikleri için, ağırlıkça %1 STF, döngüsel sıkıştırma testleri gerinim ve gerinim hızı parametrelerine göre %9,4'e kadar daha yüksek kayıp faktörü ve %46,9'a kadar daha fazla toplam absorbe edilen enerji göstermiştir. Mikroyapı-mekanik özellik ilişkisini geliştirmek ve viskoelastik özellikleri incelemek için eğilme yükü altında dinamik mekanik analiz testleri gerçekleştirilmiştir. Doğrusal viskoelastik bölge ile depolama ve kayıp modülleri ağırlıkça %1 STF entegrasyonu ile artmıştır. Sonuçlar, uygulanan kuvvetin yönü ve frekansındaki farklılıklara rağmen hem basma hem de döngüsel basma testleriyle tutarlı olduğu gözlemlenmiştir. Ağırlıkça %1 STF entegrasyonu hem enerji depolama hem de basma modülünde yaklaşık %50 civarında önemli bir artışa sebep olurken, kayıp faktöründe önemli bir değişiklik gözlenmemiştir. Depolama modülünü artırarak ve doğrusal elastik rejimi genişleterek, STF/PU köpükler kalıcı deformasyona uğramadan, daha şiddetli kuvvet ve uzun yer değiştirme seviyelerine etkili bir şekilde dayanım sağlayabilir. Ağırlıkça %1'in üzerindeki STF takviyeleri, köpük morfolojisinde ve hücresel yapıda bozulmaya neden olarak daha düşük mekanik özellikler ve mukavemetlerle sonuçlanmıştır, ancak ağırlıkça %3 STF katkılı köpük yine de katkısız köpükten daha yüksek basma dayanımı ve enerji absorbsiyonu sergilemiştir. Bu çalışma, STF'lerin akış özelliklerinin silika yüzey geometrisi ve ağırlık fraksiyonundan önemli ölçüde etkilendiğini göstermiştir. Ayrıca çalışma, optimize edilmiş miktarda STF ilavesinin PU köpüklerin basma dayanımını, xxv viskoelastik özelliklerini ve enerji emme kabiliyetlerini artırdığını göstermiştir. STF ilavesiyle, PU köpükler daha geniş bir uygulama alanında kullanılabilir ve üstün mekanik özellikleri sayesinde daha güvenli ve emniyetli yapılar inşa etmek için kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Designing energy absorptive structures is crucial for safety and these structures withstand several loads such as compression, bending, and impact. Beside to honeycombs as a core material for sandwich structures, polymeric foams receive great attention as structural components with their outstanding effective stress transfer, viscoelastic properties, and increased surface area. Among several polymeric foams, rigid polyurethane (PU) foams are good candidates presenting high strength and lightweight characteristics and tailorability. PU is a particular polymer group that stands out with its unique chemistry, typically synthesized from polyol and isocyanate, which also has a potential to fill the vacancies between rubbers and plastics based on their mechanical thermal and viscoelastic properties. PU foams can have densities that range from 20 to 3000 kg/m3 which provide a wide range of application areas and properties. The physical and mechanical properties of PU foams are closely correlated to their morphological characteristics, which are mainly determined by several key parameters such as foam density, cell density, cell edge length, wall thickness, and thickness to length ratio (t/l). PU foams could be customized by incorporating nano and/or micro-sized reinforcing agents to obtain unique functionality and properties. Combining nanoparticle inclusion with process parameter optimization can result in improved mechanical properties and multifunctionality. Nanoparticles can act as nucleation points and lead to narrow cell edge length, increased cell wall thickness, and higher cell density, yielding advanced mechanical properties. Despite the considerable research into carbon-based nanostructures such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene as reinforcing agents in polymeric foams to maximize their energy absorption capabilities and strength, further efforts are required to investigate the potential role of other nanomaterials, such as shear thickening fluids (STFs), which exhibit extraordinary energy absorption properties. STFs as colloid suspensions, at elevated shear rates, form hydroclusters due to particle interaction yielding a drastic viscosity increase. Thus, rapid viscosity change results in an excellent energy absorption characteristic. This study is aimed to improve the compressive and energy absorption properties of PU foams with STF integration while discussing the microstructure/mechanical property relationship. Initially, STFs were fabricated with up to 30 wt.% fumed and spherical silica content, using a mechanical stirrer at 300 rpm and horn sonicator with 30% amplitude, then investigated by a plate rheometer in order to understand the effect of particle geometry and weight fraction on the flow characteristics. The results revealed that 26 wt.% of fumed silica was the optimum suspension for integration to PU foam with the excellent thickening ratio, and viscosity values increased after critical shear rate up to 67.66 times. The 26 wt.% STFs were successfully integrated into rigid PU foams, using a mechanical stirrer prior to the foaming reaction, at 0.5, 1, and 3 wt.%, and the morphological analysis, compression, and cyclic compression tests at various strain rates up to 0.2 s-1 and 10, 40, 80% strains xxii in order to understand rate dependent properties under different deformation region such as plateau and densification, were performed. According to morphological characterizations, cell edge lengths decreased and cell wall thickness increased with increasing until 1 wt.% STF. The maximum t/l ratio, which is a favorable indicator for mechanical strength prediction, was observed with 1 wt.% STF integration into PU foam. The results showed that 1 wt.% STF presented the highest compressive strength and specific compressive strength with 33% and 10.4% increments, respectively. For the energy absorption properties, 1 wt.% STF demonstrated up to 9.4% higher loss factor and 46.9% total absorbed energy regarding cyclic compression tests strain and strain rate parameters. Dynamic mechanical analyses were also carried out, under bending loads with dual cantilever clamps, to develop the microstructure-mechanical property relationship and to examine the viscoelastic properties. Linear viscoelastic region and storage and loss moduli increased with 1 wt.% STF integration. The results were consistent with both the compression and cyclic compression tests, despite differences in the direction and frequency of the applied force. Integration of 1 wt.% STF resulted in a significant increase of approximately 50% in both storage and compression modulus, while no significant changes in loss factor were observed. By enhancing the storage modulus and broadening the linear elastic regime, STF/PU foams can effectively withstand higher levels of load and displacement without permanent deformation. Excessive STF integration, such as above 1 wt. %, caused deterioration in the foam morphology and cellular structure, resulting in lower mechanical properties and strengths, however the 3 wt.% STF integrated foam still exhibited better properties than neat foam. This study showed that the flow properties of STFs are significantly influenced by the silica surface geometry and weight fraction. Furthermore, the study demonstrated that the addition of an optimized amount of STF enhanced the compressive strength, viscoelastic properties, and energy absorption capabilities of PU foams. With the addition of STF, PU foams could be used in a wider range of application areas and their superior mechanical properties could be used to build safer and reliable structures.
Benzer Tezler
- Değişik yükleme durumlarında polipropilen gerilme gevşemesine bağlı olarak viskoelastik davranışının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
SEMİH ATAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA AKKURT
- Yolcu vagonu için çarpışma enerjisi sönümleyici tasarımı
Energy absorber design for passenger wagon
SELEN SAĞSÖZ KARAKULAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiRaylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
- Çelik kiriş-kolon birleşimlerinin düşük tekrarlı yorulma davranışına yükleme hızının etkisi
Effect of loading rate on low cycle fatigue behaviour of steel beam-to-column connections
ÖVÜNÇ TEZER
Doktora
Türkçe
2013
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ERDOGAN UZGİDER
- Hidrofobik etkileşimlerle oluşan tersinir hidrojellerin ayrışması ve karakterizasyonu
Dissociation and characterization of reversible hydrogels formed by hydrophobic interactions
MELAHAT ŞAHİN
- Yaş kemikler için elektromekanik bir model
An Electromechanical model for wet bones
M.TACETTİN ŞARIOĞLU