Sustainable manufacturing of graphene-reinforced polypropylene composites by tailoring compound properties and process techniques
Grafen takviyeli polipropilen kompozitlerin polimer işleme süreçlerine ve tekniklerine uygun olarak sürdürülebilir üretimi
- Tez No: 823900
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Grafen, bilim insanları, akademisyenler ve endüstri tarafından dikkat çeken bir konudur ve birçok bilimsel çalışmanın konusu olmuştur. Grafenin olağanüstü özelliklerine dayanarak, polimer kompozitler alanında uygulamaları oldukça ilgi çekicidir. Ancak, grafen tabanlı malzemelerin yüksek maliyet, sürdürülebilirlik, işlenebilirlik, ölçeklenebilirlik, seri üretim ve arayüz sorunları gibi engelleri, polimer bileşikleme süreçlerine uyum sağlamak için optimize edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, grafenin üretim türüne bağlı olarak tek tabaka grafen, grafen oksit (GO), çok tabakalı GO, indirgenmiş grafen oksit (rGO) ve grafen nanoparçacığı (GNP) gibi çeşitli grafen türevleri mevcuttur ve bu türevler hem grafen kalitesi hem de nihai ürün üzerinde farklı özelliklere sahiptir. Grafen/polimer kompozitlerine yönelik çalışmalar hem akademide hem de endüstride hızla artmaktadır, ancak bu kompozitlerin bileşenleri arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasında literatürde eksiklikler bulunmakta ve bu etkileşimler, sentez yöntemlerinin, modifikasyon yöntemlerinin, üretim tekniklerinin ve formülasyonların uyarlanmasıyla değişebilmektedir. Bu tezin temel amacı, grafenin genel olarak ticari polimer kompozit uygulamalarına ve özellikle polipropilen (PP) kompozitlere adaptasyonunu, döngüsel ekonomi ve sürdürülebilirlik konularını göz önünde bulundurarak kolaylaştırmaktır. Bu amaçla, elektrokimyasal olarak sentezlenmiş GO, atık lastik kaynaklı ve geri dönüştürülmüş GNP, modifiye GNP ve GNP ile kaplanmış cam elyaf (GFs) gibi çeşitli grafen tabanlı malzemeler, PP bazlı kompozitler, blendler ve hibrit kompozitlerde kullanılmış ve grafenin etkileşimleri ile uyumluluğunu anlamak ve polimer işleme koşullarını uyarlamak amaçlanmıştır. Bu çalışmada, geliştirilmiş ve çevre dostu bir elektrokimyasal eksfolasyon yöntemiyle üretilen %1 ağırlıkça GO eklenerek PP'nin eritme işlemesinin ölçeklenebilir bir yöntemini geliştirmek için verimli bir arayüz modeli gösterilmiş ve PP kompozitlerinin mekanik performansında önemli bir iyileşme elde edilmiştir. Çalışmanın diğer bir bölümünde, aşılanmış ve geri dönüştürülmüş GNP'nin %0,1 ağırlıkça yükleme oranıyla PP kompozitlerinin enjeksiyon kalıplama sırasındaki viskoelastikiyet performansını artıran bir uyumlaştırma etkisi incelenmiştir. Ayrıca, GNP'nin lokalize bölgelerini PP/HDPE blendlerinde kapsamlı mikroskopik tekniklerle ayarlayarak arayüz etkisi incelenmiştir. Çalışmanın son bölümünde, cam elyafı ve talkın geleneksel özelliklerini geri dönüştürülmüş GNP'nin üstün özellikleriyle birleştirerek hedeflenen bileşimlerde %10 ağırlık azaltma ile hafifleme sağlanan bir bileşim çalışması gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, döngüsel ekonomi prensiplerine uygun, sürdürülebilir ve çevre dostu çözümlerle daha güçlü, daha hafif ve yenilikçi grafen tabanlı polimer kompozit malzemelerin tasarımını ve üretimini sağlamak için farklı çözümler sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Graphene, which attracts the attention of scientists, academia, and industry, is the subject of numerous scientific studies, and in light of graphene's remarkable properties, the field of polymer composites is one of its most highly anticipated applications. However, obstacles such as high cost, sustainability, processability, scaling, serial production, and interphase problems with graphene-based materials need to be optimized to adapt them into polymer compounding processes. Furthermore, according to the production type of graphene, a variety of graphene derivatives exist, such as single-layer graphene, graphene oxide (GO), multilayer GO, reduced graphene oxide (rGO), and graphene nanoplatelet (GNP), which lead to distinctive peculiarities in both graphene quality and the final product. Even though the studies of graphene/polymer composites are escalating in academia and industry, there are deficiencies in the literature on understanding their interactions through the composite constituents, which could be altered by tailoring synthesis routes, modification methods, production techniques, and formulations. Therefore, the main objective of this thesis is to facilitate the adaptation of graphene into commodity polymer composite applications in general and in Polypropylene (PP) composites in particular, based on the circular economy and sustainability issues, by exploring and developing their mechanical, rheological, thermal, and morphological properties. Within this framework, a variety of graphene-based materials, such as electrochemically synthesized GO, waste tire-derived and upcycled GNP, modified GNP, and GNP-coated glass fibers (GFs), were integrated into PP-based composites, blends, and hybrid composites to understand the interactions and compatibility of graphene as well as to tailor polymer processing conditions. This study demonstrated an efficient interface model to develop a scalable methodology of melt-processing of PP with the addition of 1 wt.% GO produced by an improved and eco-friendly electrochemical exfoliation, resulting in a significant enhancement in the mechanical performance of PP composites. In another part of the work, the compatibilizer effect of grafted and recycled GNP with a loading ratio of 0.1 wt.% led to the enhancement of the viscoelasticity performance of PP composites during injection molding. In addition, the interface effect was examined by adjusting the localized regions of GNP within the PP/HDPE blends using comprehensive microscopic techniques. In the last part of the work, a compounding study combined the conventional properties of glass fibers and talc with the superior properties of upcycled GNP to provide lightweight with a 10% weight reduction in the targeted compound formulations. To conclude, several routes were discussed and offered to design and produce stronger, lighter, and novel graphene-based polymer composite materials by enhancing the compatibility and dispersion of fillers in thermoplastic composite systems and integrating them into commercial products with sustainability in mind and environmentally friendly solutions.
Benzer Tezler
- Fabrication of lightweight and durable thermoplastic composites for injection molding with the integration of waste-driven reinforcing materials
Atıklardan elde edilen katkı malzemelerinin entegrasyonu ile hafif ve dayanıklı termoplastik kompozitlerin enjeksiyon kalıplama için üretimi
KURAY DERİCİLER
Doktora
İngilizce
2023
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Nanopartiküllü minimum miktarda yağlama yönteminin cw511l alaşımının sürdürülebilir imalatına etkisi
The effect of the minimum quantity lubrication method with nanoparticles on the sustainable manufacturing of cw511l alloy
MERT SAPAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiDüzce Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FUAT KARA
ÖĞR. GÖR. ONUR ÖZBEK
- Sustainable automotive part production by assessing the performance of waste-derived graphenes and talc adopting life cycle assessment
Atık kaynaklı grafenlerin ve talkın performansını yaşam döngüsü analizi ile birlikte değerlendirerek sürdürülebilir otomotiv parça üretimi
RAMISA YAHYAPOUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Lityum iyon piller için baskı teknolojilerine uygun LFP/RGO katotların geliştirilmesi
Development of LFP/RGO cathodes suitable for print technologies for lithium ion batteries
MUSTAFA FURKAN SÖKMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR