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
- Tez No: 853528
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- 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: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Ulaşım sektöründe sürdürülebilirliği ve verimliliği arttırmak için karbon dioksit (CO2) emisyonlarını azaltma ve hafifletme stratejileri vazgeçilmezdir. Otomotiv endüstrisinde sürdürülebilirlik odak noktası olurken üretim yöntemlerinde geri dönüştürülmüş kaynakların kullanımı için talep de artmaktadır. Özellikle yapısal otomotiv parçalarında poliamidler (PAlar) kolay işlendikleri, iyi termal stabiliteye sahip oldukları, ve düşük maliyetleri sebebiyle bir çok farklı alanda, yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. PA bazlı kompound formülasyonlarında matrisi güçlendirmek amacıyla kısa cam fiberler daha çok tercih edilmektedir. Ancak cam fiberlerin yüksek yoğunluğu ve ekstrüzyon esnasındaki gevreklikleri problem yaratmaktadır. Bununla beraber cam fiber ve parça üretimi esnasında yüksek enerji gerekmesi de seri üretimde karşılaşılan problemlerdendir. Bu noktada, bu tez çalışması atık lastiklerden elde edilen grafen nanotabakalar (GNP), atık kahveden üretilen küresel grafenler (CWC) ve fabrika atıklarından elde edilen kısa karbon fiberler (CF) katkı malzemesi olarak kullanılıp PA bazlı kompound formülasyonları geliştirilerek cam fiberlerin yerine sürdürülebilir çözümler sunmayı hedeflemektedir. Bu katkı malzemeleri PA matris içerisine yüksek kayma kuvvetli termokinetik karıştırıcı ile dağıtılarak tabakaların ayrılmış ve konvansiyonel kompoundlar ile yarışabilecek mekanik performans elde edilmiştir. Optimize edilmiş yükleme oranlarıyla ağırlıkça %0.3 GNP katkılı kompozitler çekme ve eğme özelliklerinde sırasıyla %42 ve %43 iyileşme görülmüştür. Aynı GNP miktarıyla hazırlanan CF katkılı kompoundlar da başarı ile üretilmiş ve çekme ile eğme özelliklerinde katkısız polimere göre sırasıyla %95 ve %86 artış yakalanmıştır. GNP entegrasyonu sayesinde üçlü arayüz etkileşimleri pekiştirilmiş ve kompozitin darbe enerjisi emme özelliği de %7.7 artmıştır. Ulaşım endüstrisindeki sürdürülebilirlik yönünde gelişen trendleri de yakalayarak bu çalışma bünyesinde sentetik PA6,6'dan yarı sentetik PA6,10'a geçiş stratejik bir biçimde sağlanmış ve atık malzemelerden elde edilen katkıların kayda değer potansiyeli de kullanılmıştır. Burada, atık malzemelerden elde edilen katkıların en/boy oranı, boyutu ve yükleme miktarı kontrol edilerek arayüzeye etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Dolayısıyla bu tez, atık malzemelerden elde edilen katkıların dikkatli seçimi elde edilen sürdürülebilir kompoundların piyasadaki sentetik ürünlerin mekanik özellikler, hafiflik ve çevresel etki bakımından yerine geçebileceklerini göstermektedir. Ek olarak, hem atık malzemelerden elde edilen katkı malzemelerinin, hem de geliştirilen kompound formülasyonlarının CO2 emisyon değerleri yaşam döngüsü değerlendirme (LCA) ile analiz edilmiştir. PA6,10 bazlı kompozitler ile CO2 emisyonunun piyasadaki ağırlıkça %15 cam fiber katkılı PA6 bazlı kompozitlere oranla %55 azaltılmıştır. Böylece, bu çalışma malzeme geliştirmenin ötesine geçerek tamamlayıcı bir yaklaşımla döngüsel ekonomi ve otomotiv endüstrisi için çevre dostu yüksek performanslı kompozitler geliştirilmesine katkı sağlamış, bu sayede de atık malzemelerden elde edilen katkıların kompound formülasyonlarına entegre edilmesi ile atıkların sadece yönetilmesinden ziyade değerli kaynaklara dönüştürüldüğü bir gelecek oluşturma konusunda bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Reducing carbon dioxide (CO2) emissions and adopting lightweighting strategies are crucial aspects of enhancing the sustainability and efficiency of the transportation sector. As sustainability becomes a central focus in the automotive industry, there is a growing demand to use recycled sources in manufacturing processes for part production. Especially for structural parts in automotive part production, polyamides (PAs) are extensively employed as engineering thermoplastics across diverse fields, owing to their ease of processing, good thermal stability, and cost-effectiveness. In PA based compound formulations, short glass fibers are preferred to reinforce PA matrix. However, the higher density of glass fibers and its brittleness during extrusion process can be problematic and high energy demands to produce both fiber and parts are main drawbacks in serial production. At this point, the present thesis aims to replace glass fibers with sustainable solutions by developing new PA compound formulations by using additives coming from recycled sources which are graphene nanoplatelets (GNP) derived from waste tires, spherical graphenes from waste coffee (CWC) and short carbon fiber (CF) bundles coming from plant waste. These additives were successfully incorporated into PA matrix by using thermokinetic high-shear mixer resulting in high degree of exfoliation and thus high mechanical performance that can compete with conventional compounds. In the case of GNP reinforced PA composites, their tensile and flexural properties improved by 42% and 43%, respectively, by adding optimized loading ratio of 0.3 wt.% GNP in PA6,6. With this amount of GNP, CF based compounds were successfully produced by increasing tensile and flexural properties by 95% and 86%, respectively, in comparison of unfilled PA. Through GNP integration, the absorbed impact energy of this compound improved by 7.7% due to enhanced interfacial interactions between the ternary interfaces. By embracing the evolving trends towards sustainability in major transportation industries, this study strategically navigates the transition from synthetic PA6,6 to semi-synthetic PA6,10 matrix and leveraging the remarkable potential of waste-derived reinforcing materials. Herein, the effects of aspect ratio of waste driven reinforcements, reinforcement size, and loading ratios were investigated to generate a comprehensive interface characterization. Consequently, this thesis demonstrates that using tailored selection of waste-derived reinforcing material, sustainable compounds can replace several synthetic products in the market in terms of both tensile properties, lightweighting, and environmental impact. In addition, CO2 emission values of both the selected recycled sources and the developed compound formulations were calculated by using life cycle assessment (LCA) analysis. A significant reduction was achieved by reducing 55% CO2 emission with new recycled additive reinforced PA6,10 formulations over PA6 having 15 wt.% GF available in the market. Therefore, this study extends beyond the material enhancement to encompass a holistic approach that contributes to a circular economy and promotes eco-friendly, high-performance composites for the automotive industry, thereby laying the foundation for incorporation of waste-derived reinforcements into compound formulations to create a future where waste materials are not merely managed but transformed into valuable resources.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of ultra high performance cnts/pei nanocomposite filaments for additive manufacturing
Eklemeli imalat için ultra yüksek performanslı iletken nanokompozit filamanların üretimi ve karakterizasyonu
ÖZGE KAYNAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF ÖZDEN YENİGÜN
- PLA ve karbon kaplama kullanarak ve fonksiyonellik ve konforu artırmak için 3D baskı teknolojisi kullanarak protez uzuv tasarımı ve üretimi
Design and fabrication of prosthetic limb by using PLA and carbon coating and using 3D printing technology for enhancing functionality and comfort
ISLAM S M MURTAJA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyomühendislikFatih Sultan Mehmet Vakıf ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ÇİFTÇİ
- Sol–jel yöntemi ile hazırlanan TiO2–SiO2 nanokompozit ince filmlerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of physical and mechanical properties of TiO2–SiO2 nanocomposite thin films prepared by sol-gel method
EZGİ DENİZ BİÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
UZMAN REFİKA BUDAKOĞLU
- Fabrication and characterization of a carbon fiber/ epoxy composite reflector antenna
Karbon fiber/ epoksi kompozit reflektör anten imalatı ve karakterizasyonu
SÜMEYYA YAZAN ÖZCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
- Takviyeli panellerde burkulma sonrası perçin mukavemetinin incelenmesi
Investigation post-buckling strength of rivets in stiffened panels
MUSTAFA İNCE
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KIRCA