Geri Dön

Synergetic effects of hybrid nanoparticles on the mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy nanocomposites

Karbon elyaf takviyeli kompozitlerde hibrit nanopartikül katkısının mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 843946
  2. Yazar: ESRANUR YÜKSEL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HANZADE AÇMA, DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN EKSİK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 73

Özet

Grafen ve karbon nanotüpler, üstün mekanik, elektriksel ve termal özelliklerinden dolayı geniş bir uygulama alanına sahiptir. Polimer matrisine az miktarda nanoparçacık eklenmesi bile kompozitin bu özelliklerinde önemli iyileştirmeler sağlar. Fakat bu nanopartiküllerin polimer matriste kümelenmesi gibi, geliştirilmesi gereken bazı olumsuz özellikleri bulunmaktadır. Nanopartiküller arasında oluşan Van der Waals kuvvetleri ve güçlü π-π etkileşimleri polimer matrisinde dispersiyon problemlerine ve dolayısıyla topaklanmalara yol açmaktadır. Bu problemler kompozit malzemenin mekanik özelliklerini zayıflatmaktadır. Nanopartiküllerin çeşitli oranlarda hibrit olarak kullanılması ile bu problemin çözülebileceği öngörülmektedir. Bu çalışmanın ilk bölümünde, literatürde bu konuda yer almış farklı çalışmalara yer verilmiştir. Matrise nanopartikül ilavesi, mekanik özelliklerde belli bir noktaya kadar iyileşme sağlamaktadır. Bu noktadan sonra, matristeki nanoparçacık miktarı arttıkça mekanik özellikler bozulmaktadır. Bu yüzden optimum nanopartikül oranını tespit etmek önemlidir. Tezin ikinci bölümünde bu amaçla kullanılan malzeme ve üretim yöntemleri ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Grafen ve karbon nanotüp 1:1, 1:3 ve 3:1 oranlarında karıştırılmış ve epoksi reçineye toplam nanopartikül oranı kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 oranlarında eklenmiştir. En iyi konfigürasyon MWCNT:GNP oranının 1:3 ve nanopartikül miktarının epoksi reçineye kütlece %0.3 oranında eklendiği nanokompozitte elde edilmiştir. Bu oran kullanılarak nanopartikül takviyeli epoksi/karbon fiber nanokompozit plakalar üretilmiştir. Saf epoksi ile üretilen kompozit plakalar ile mekanik testleri karşılaştırılmıştır. Mekanik testlere ek olarak termogravimetrik analiz, diferansiyel taramalı kalorimetre, taramalı elektron mikroskobu ile karakterizasyon ve yüzey analizleri gerçekleştirilmiştir. Üçüncü bölümde mekanik test sonuçları değerlendirilmiştir. Çekme mukavemetindeki artış, nanopartikül oranının kütlece %0.3 oranında eklendiği kompozitlerde en yüksek seviyededir. Bu noktadan sonra nanopartikül oranı arttıkça mekanik özelliklerde sert bir düşüş gözlenmiştir. Hibrit nanopartikülün kütlece %0.3 oranında ilavesi ile epoksi nanokompozit malzemenin çekme mukavemetinde %12'lik, epoksi/karbon fiber kompozit plakaların çekme mukavemetinde ise %8'lik bir artış sağlamıştır. Ağırlıkça %0.4 nanoparçacık içeriğine sahip tüm numuneler, saf epoksi ile karşılaştırıldığında bir düşüş göstermiştir. Bu durum nanopartiküllerin agregasyonundan kaynaklanmaktadır. En iyi konfigurasyona sahip olan hibrit malzeme çok duvarlı karbon nanotüp:grafen (MWCNT:GNP) oranının 1:3 olduğu numunedir. Bu numunenin çekme dayanımı 75.1 MPa olarak ölçülmüştür. Fiber takviyeli hibrit nanokompozit plaka üretimi için en iyi çekme dayanımına sahip oran tercih edildiğinden fiber takviyeli hibrit nanokompozit plaka bu oran baz alınarak üretilmiştir. Bu üretilen plakanın mekanik özellikleri, fiber takviyeli epoksi kompozit plakanın mekanik özellikleri ile karşılaştırılmıştır. Hibrit nanopartikül katkısı içermeyen fiber katkılı epoksi kompozitin çekme dayanımı 673.6 MPa ölçülmüşken, fiber takviyeli hibrit nanopartikül katkılı nanokompozit plakanın çekme dayanımı %8'lik bir artış ile 728.5 MPa olarak ölçülmüştür. Nanopartikül katkılı numunelerin elastik modül değerleri, saf epoksiye göre %7'lik bir artış göstermiş fakat aynı artış fiber katkılı plakalarda görülememiştir. Ayrıca kopma noktasındaki birim uzama yüzdeleri karşılaştırılmıştır. MWCNT:GNP 1:1 oranı ve kütlece %0.1 nanopartikül oranına sahip numuneler ve MWCNT:GNP 1:3 oranı ve kütlece %0.3 nanopartikül oranına sahip numuneler en iyi sonuçlara sahiptir. Bu numunelerin kopma noktasındaki birim uzama yüzdeleri sırasıyla %4.72 ve % 4.07 olarak ölçülmüştür. Hibrit nanopartikül katkısı içermeyen fiber katkılı epoksi kompozit plakanın kopma noktasındaki birim uzama yüzdesi %1.1 olarak ölçülmüşken, fiber takviyeli hibrit nanopartikül katkılı nanokompozit plakanın kopma noktasındaki birim uzama yüzdesi %1.3 olarak ölçülmüştür. Tüm bu sonuçlar hibrit nanopartikül katkısının malzemenin çekme dayanımı ve kopma noktasındaki birim uzama yüzdesini artırdığını ve malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirdiğini göstermektedir. Numunelerin karakterizasyonu amacıyla diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) analizi yapılmıştır. Analiz 25 °C-200 °C sıcaklık aralığında ve 5 °C/dakika ısıtma hızı ile gerçekleştirilmiştir. Her bir numunenin camsı geçiş sıcaklıkları tespit edilmiştir. Saf epoksi numune 87.25 °C camsı geçiş sıcaklığına sahiptir. MWCNT:GNP 1:1 oranına sahip, kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 hibrit nanopartikül içeren numunelerinin camsı geçiş sıcaklıkları sırasıyla 89.77 °C, 92.83 °C, 114.67 °C ve 89.86 °C olarak ölçülmüştür. Mekanik test sonuçları gibi, camsı geçiş sıcaklığı değerleri de kütlece %0.3 oranına kadar artıp sonra keskin bir düşüş göstermiştir. Fakat MWCNT:GNP 1:3 ve 3:1 oranına sahip numunelerin camsı geçiş sıcaklıkları bu düzende bir artış göstermemiştir. Bu numunelerin camsı geçiş sıcaklıkları birbirine çok yakın değerlerde ölçülmüştür. MWCNT:GNP 1:3 oranına sahip numunelerin kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 hibrit nanopartikül içeren numunelerinin camsı geçiş sıcaklıkları sırasıyla 84.44 °C, 88.19 °C, 88.10 °C ve 83.14 °C olarak ölçülmüştür. MWCNT:GNP 3:1 oranına sahip numunelerin kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 hibrit nanopartikül içeren numunelerinin camsı geçiş sıcaklıkları ise sırasıyla 84.61 °C, 89.81 °C, 88.55 °C ve 85.68 °C olarak ölçülmüştür. Hem MWCNT:GNP 1:3 hem MWCNT:GNP 3:1 oranına sahip numunelerde hibrit nanopartikül oranının kütlece %0.3 olduğu noktadan sonra düşüş gözlenmiştir. Termogravimetrik analiz (TGA) 20 °C-800 °C sıcaklık aralığında ve 10 °C/dakika ısıtma hızı ile gerçekleştirilmiştir. Saf epoksi numunenin kütle kaybı 331.16 °C'de başlamıştır. MWCNT:GNP 1:1 oranına sahip, kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 hibrit nanopartikül içeren numunelerinin kütle kayıplarının başladığı sıcaklık sırasıyla 327.57 °C, 323.93 °C, 330.02 °C ve 325.75 °C olarak kaydedilmiştir. Kütlece %0.3 oranında nanopartikül içeren numune termal olarak en stabil numunedir. MWCNT:GNP 1:3 oranına sahip, kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 hibrit nanopartikül içeren numunelerinin kütle kayıplarının başladığı sıcaklık sırasıyla 327.39 °C, 326.35 °C, 329.48 °C ve 333.26 °C olarak kaydedilmiştir. Nanopartikül oranı arttıkça, kütle kaybının daha geç başladığı görülmektedir. Kütlece %0.4 oranında nanopartikül içeren numune termal olarak en stabil numunedir. MWCNT:GNP 3:1 oranına sahip, kütlece %0.1, %0.2, %0.3 ve %0.4 hibrit nanopartikül içeren numunelerinin kütle kayıplarının başladığı sıcaklık sırasıyla 330.69 °C, 326.26 °C, 320.56 °C ve 325.16 °C olarak kaydedilmiştir. Kütlece %0.1 oranında nanopartikül içeren numune termal olarak en stabil numunedir. Üretilen malzemelerin kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile kırılan incelenmiştir. SEM görüntülerinde epoksi matris içinde nanopartiküllerin homojen olmayan şekilde dağıldığı ve topaklandıkları görülmüştür. MWCNT:GNP 1:3 oranına sahip numuneler nispeten daha iyi bir dispersiyon göstermiştir. Çalışmanın son bölümünde tüm sonuçlar özetlenmiştir. Bu çalışmada, grafen ve karbon nanotüp katkılı, karbon fiber takviyeli epoksi nanokompozitler üretilmiş ve hibrit nanokompozitlerin mekanik ve termal özellikleri araştırılmıştır. Grafen ve çok duvarlı karbon nanotüp çeşitli oranlarda epoksi matrise eklenerek kompozitin mekanik ve termal özellikleri iyileştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Graphene and carbon nanotubes have a wide range of applications because of their superior mechanical, electrical, and thermal properties. Even a very small amount of nanofiller addition to the polymer matrix provides a significant improvement of such properties of the composite. However, the nanoparticles have some features that need to develop, like aggregations in the matrix. The strong van der Waals forces and π- π interactions between the nanofillers cause dispersion problems in the polymer. This problem can be solved by hybrid applications of the nanoparticles. In the first part of this thesis, the various hybrid nanocomposite studies in the literature were given. Nanofiller addition provides the improvement of the properties to a certain point. Then, the properties deteriorate with the increase in nanofiller content. It is important to find the optimum nanofiller content. In this study, combinations of different amounts of nanoparticles were investigated for this purpose. In the second part of the thesis, the materials and production methods were explained in detail. Graphene nanoplatelets and multi-walled carbon nanotubes were combined in the ratios of 1:1, 1:3, and 3:1. The epoxy resin was modified with the nanoparticles at weight percentages of 0.1%, 0.2%, 0.3%, and 0.4%. In addition to the mechanical test, characterization tests were performed, such as Thermogravimetric analysis (TGA), Differential scanning Calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD), and Scanning electron microscopy (SEM). In the third part, the results of the analysis were discussed. According to the tensile test results, the improvement of the mechanical properties was observed in the nanofiller weight percentage of 0.3%. After that point, a sharp decline was observed in the mechanical properties of the hybrid nanocomposites. All specimens with a nanoparticle content of 0.4% by weight showed a decrease compared to the neat epoxy. It is caused by the increased aggregation of the nanoparticles. The best configuration of the hybrids was determined to be an MWCNT:GNP ratio of 1:3 (0.3%) with a tensile strength of 75.1 MPa, and the MWCNT/GNP/epoxy/carbon fiber laminates were fabricated on this basis. The mechanical test was performed for nanocomposite laminate and compared with the neat composite laminate. The nanoparticle-added composite laminate outperformed the other with a tensile strength of 728.5 MPa. Also, the strain percentages of the specimens were evaluated. MWCNT:GNP ratio of 1:1 (0.1%) and MWCNT:GNP ratio of 1:3 (0.3%) specimens have the highest values of elongation at break with 4.72% and 4.07%, respectively. The nanoparticle-added composite laminate showed an increase in the fracture strain percentage of 1.3%. Elastic modulus showed an increase of 7% comparing to the neat epoxy specimen. However, 11% decrease was seen in elastic modulus comparing to the neat epoxy laminate. The glass transition temperatures (Tg) of all specimens were determined with the analysis of differential scanning calorimetry (DSC). It is observed that this temperature increased up to a nanofiller weight percentage of 0.2% and 0.3% with the increasing nanoparticle content and decreased after that point. The glass transition temperature was determined at 87.25 °C, while MWCNT:GNP ratio of 1:1 (0.3 wt.%) has the highest glass transition temperature at 114.67 °C. The investigation into the thermal decomposition behavior of the specimens was carried out through the use of thermogravimetric analysis (TGA). The initial decomposition temperature of the neat epoxy was determined at 331.15 °C. MWCNT:GNP ratio of 1:3 (0.4 wt.%) showed a little increase compared to the neat epoxy, and its initial decomposition temperature was determined at 333.26 °C. Also, the weight percentages of the residue were determined with TGA. The residual weight percentage of neat epoxy is 9.52%. MG13-0.3 has the lowest weight loss value with 14.12%. Fracture can be initiated by surface defects, agglomerates, and particles with weak bonds. According to the SEM images, GNPs are non-uniformly dispersed and aggregated, while MG13/Epoxy has morphologies without any aggregations and is difficult to be distinguished. This suggests good dispersion and compatibility of MG13 in epoxy matrix. In the last part, all results were concluded. This study investigated the synergetic effect of nanoparticles on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced epoxy nanocomposites. Graphene nanoplatelets and multi-walled carbon nanotubes were combined in various ratios and added to the epoxy matrix, resulting in improved mechanical and thermal properties.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    695278

    Fabrication and characterization of hybrid nanofiller reinforced polyurethane nanocomposites

    Hibrit nanodolgu takviyeli poliüretan nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    AMIR NAVIDFAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  2. Tez No

    825921

    Heteroatom katkili grafen içeren nanokompozitlerin enerji depolama performanslarının incelenmesi

    Investigation of the energy storage performances of heteroatom doped graphene containing nanocomposites

    HASAN ALTINIŞIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    EnerjiAnkara Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURAY YILDIZ

  3. Tez No

    612241

    Grafen temelli nanokompozitlerin süperkapasitör uygulamalari i̇çin performanslarinin i̇ncelenmesi

    Investigation of performance of graphene based nanocomposites for supercapacitor applications

    ZAFER ÇIPLAK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Kimya MühendisliğiAnkara Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURAY YILDIZ

  4. Tez No

    877757

    UV ışığıyla sertleşebilen fonksiyonel polimer-nanokompozit malzemelerin geliştirilmesi

    Development of UV-curable functional polymer nanocomposite materials

    MERT ÇINAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEVİM KARATAŞ

    DOÇ. DR. GÖKHAN ÇAYLI

  5. Tez No

    694028

    Synergistic effect of nanoparticles in three-dimensional network of carbon-based quantum dots on mechanical properties of polyurethane hybrid nanocomposite foams

    Üç boyutlu karbon kaynaklı kuantum nokta ağında nanoparçacıkların poliüretan hibrit nanokompozitlerin mekanik özellikleri üzerinde sinerjik etkisi

    MAKBULE IRMAK PEKER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

Geri Dön