Investigation of mechanical properties of nanoparticle coated glass fiber/epoxy composites coated with dip coating and industrial production methods
Daldırma ve endüstriyel üretim yöntemleri ile üretilmiş nanoparçacık kaplı cam elyaf/epoksi kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 864133
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Kompozit malzemelerin insanlar tarafından kullanılması kaydedilmiş tarihin en eski zamanlarına kadar dayanmaktadır. Bu malzemeler basit bir kerpiç ev gibi geleneksel uygulamalardan, uzay sanayinde kullanılan araçların yapısal parçalarını oluşturmak gibi modern uygulamalara kadar oldukça geniş bir kullanım yelpazesine sahiptir. Geçtiğimiz 100 yıl denizcilik, inşaat ve yenilenebilir enerji endüstrilerinde kompozit malzemelerin tüketimi milyarlarca tonu bulması ve hava araçlarındaki birçok yapısal metal parçanın yerini düşük maliyet ve yüksek dayanım/ağırlık oranına sahip fiber destekli polimer matriksli kompozitlerin almasıyla birlikte kompozit malzemeler için en önemli çağ olmuştur. Plastiklerin gelişmesiyle birlikte kompozit malzemelerin modern dönem başlamıştır. Plastiklerin hafiflik avantajı, mükemmel yüzey kalitesi, korozyon direnci ve şekillendirilebilir yapısı, onları insanlığın sanayileşmesinde en çok kullanılan malzemelerden biri haline getirmiştir. Ancak plastiklerin metallere göre düşük sertliği ve mekanik özellikleri plastiklerin en büyük dezavantajıydı. 1900'lerin başındaki malzeme bilimciler, yeni tür bir kompozit konsepti geliştirmek için mukavemetlendirici malzemeler geliştirdiler. Bu yeni tip kompozitler, 20. yüzyılın başlarında havacılık endüstrisinin omurgası haline gelmiştir. Kompozit malzemelerin ortaya çıkışıyla birlikte malzeme bilimciler tarafından yeni takviye maddeleri geliştirilmeye başlanmıştır. 1935 yılında, mühendislik plastikleri ile birleştirildiğinde hafif ve çok güçlü yapısal parçalar oluşturabilen ilk cam elyafı Owens Corning tarafından icat edilmiştir. 20. yüzyılın sonlarında yeni mühendislik plastikleri, reçineler ve takviye elyafları geliştirilmiştir. Son derece yüksek mukavemete sahip Kevlar elyafları 1970'lerde DuPont tarafından icat edildi. Bu yeni malzeme zırh endüstrisinde kullanılan en yaygın takviye kumaşlarından biri haline gelmiştir ve günümüzde yerini korumaktadır. Karbon fiberler de Kevlar'la aynı yıllarda icat edilmiştir. Bu yeni malzeme, son derece yüksek mekanik özellikleri ve hafifliği nedeniyle metallerin yerini alabilecek bir alternatif olmuştur. Günümüzde cam elyaf, kevlar ve karbon elyaflar, farklı avantaj ve dezavantajlarıyla birlikte halen kompozit sektörünün en yaygın kullanılan üç takviye malzemesidir. Cam elyaf düşük maaliyeti ve deformasyona karşı gösterdiği yüksek mukavemet sayesinde endüstriyel olarak kullanılmaya başlanan en eski ve en yaygın mukavemetlendirme malzemelerinden birisidir. Üretildiği fırına besnenen farklı cam kompozisyonlarıyla birlikte birçok türde farklı cam elyaf üretmek mümkündür. İlk keşfedildiğinde düşük iletkenliği dolayısıyla elektrik uygulamalarında kullanılan E-camının yüksek mekanik özelliklerinin ve üretim maaliyetlerinin görece düşük olduğunun keşfedilmesiyle çoğu zaman fiber takviyeli kompozitler için en uygun cam elyaf türü olduğu düşünülmektedir. Cam elyafının üretim prosesi esnasında fiberlerin yüzeyine“sizing”adı verilen çoğunlukla organik bir emülsiyon olan ince bir kaplama yapılır. Elyaf üretiminin yapıldığı üretim fırınlarda genellikle sabit bir cam kompozisyonu kullanıldığından, üretimdeki en önemli adım sabit E-cam kimyasal bileşiminden çok farklı kullanım alanında ve matrixte kullanılabilecek cam elyaf ürünleri üretmemize olanak sağlayan“sizing”uygulaması ve“sizing”kompozisyonudur.“Sizing”kimyası, kompozitlerin nihai mekanik ve kimyasal özelliklerini doğrudan etkilediği için cam elyaf endüstrisinde çözülmesi gereken en büyük sorunlardan biri olmaya devam etmektedir. Her farklı polimer matriks için kullanılacağı kompozitin mekanik ve kimyasal özelliklerini güçlendiren ve daha uyumlu bir fiber-matrix arayüzü oluşturmasını sağlayan bir sizing formülasyonu geliştirilmelidir Bu kaplamanın yapılma amacı bir yandan liflerin birbirini aşındırmasını engellemek iken diğer bir amacı hedeflenen spesifik bir matriks ile elyafın arayüzey mukavemetini arttırmaktır. Sizing uygulaması nihai kompozitte fiber-sizing ve sizing-matriks olmak üzere 2 arayüzeyden oluşan bir arafaz oluşturacağından cam elyaf ürünün nihai özelliklerini belirleyen en önemli adımdır. Son yıllarda karbon bazlı nanomalzemeler, metal oksit bazlı nanomalzemeler, selüloz nanokristaller, aramid nanofiberler, silica nanopartiküller gibi nano boyutlu partiküllerin farklı methodlar ile matriks fazının içinde dağıtılması veya mukavemetlendirici fiberlerin yüzeyine kaplanmasıyla mekanik kenetlenme, arayüzün yüzey alanını arttırma, mikro-çatlak iyileştirme gibi mekanizmalardan faydalanılarak nihai kompozitte daha yüksek arayüzey mukavemetlerine ulaşılması amacıyla birçok çalışma yapılmış ve mekanik, arayüzey ve lameller arası mukavemet değerlerinde önemli artışlar literatürde raporlanmıştır. Bu tez çalışmasında Karbon nanotüpler, Aramid nanofiberler ve SiO2 nanopartiküller olmak üzere 3 farklı nanomalzemenin daldırma ve sizing emülsiyonu içerisinde disperse edilerek uygulanmasını içeren 2 farklı yöntem ile cam elyaf yüzeyine kaplanarak cam elyaf destekli epoksi matriksli kompozitlerin mekanik mukavemetlerindeki değişimler incelenmiştir. Kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi için DIN EN ISO 527-5, DIN EN ISO 178 ve ISO 179/180 standartları doğruluğunca T0 çekme testleri, 3-nokta-eğme testleri, ve mekanik darbe testleri uygulanmış ve kompozitlerin mekanik dayanımlarındaki değişimler analiz edilmiştir. Daldırma yöntemiyle %0,2 Aramid nanofiber emülsiyonu ile kaplanmış elyaflar kullanılarak üretilmiş epoksi kompozitlerin eğme dayanımında ciddi düşüşler meydana geldiği görülmüştür. Bunun sebebi nanomalzemelerin elyaf yüzeyinde film oluşturarak reçinenin liflerin arasına ulaşmasını engelleyici bir bariyer görevi görmesi dolayısıyla cam elyafın epoksi reçine tarafından ıslanabilirliğini dramatik ölçüde düşürerek fiber matriks arayüz yüzey alanını düşürmesinden kaynaklandığı ve buna bağlı olarak çok yüksek delaminasyonlar oluşturması olduğu düşünülmektedir. %0,1 Karbon nanotüp emülsiyonu ile kaplanmış elyaflarda ise çekme ve eğme mukavemetlerinde küçük artışlarla beraber mekanik darbe dayanımında %38,49'luk ciddi bir artış meydana geldiği görülmüştür. Poli(etilen imin) ile modifiye edilmiş Silika nanopartiküller ile kaplanmış elyaflar ile üretilen epoksi kompozitlerde ise eğme davranışında %24,67'lik ciddi bir artışla beraber mekanik darbe dayanımında da %52,66'lık bir artış olduğu görülmüştür. Öte yandan cam elyaf üretimi yüksek tonajlı seri bir üretim olduğundan, Daldırma kaplama yönteminin savunma, havacılık ve uzay sanayi gibi spesifik uygulamalar dışında pratik olarak uygulanması ticari olarak mümkün değildir. Bu sınırlamayı aşmak için, nanopartikül kaplı cam elyafları, bu nanomalzemeleri ticari epoksi uyumlu“sizing”emülsiyonları içerisinde homojen bir şekilde disperse ederek doğrudan endüstriyel prosesle üretilebilmesi ve nihai kompozitin mekanik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Katı ağırlığa göre %1 ve %0,6 SiO2 ilaveli“sizing”emülsiyonları, liflerin yüzeyinde nanopartikül dişlerden oluşan testere benzeri bir yapı oluşturarak yüzey pürüzlülüğünde büyük bir artış gösterdiği tespit edilmiştir ve bu dişlerin muhtemel olarak liflerin birbirine zarar vererek yüzeylerinde mikro çatlakların oluşmasına neden olduğundan dolayı elyafın işlenebilirliğini zorlaştırmıştır. Ancak katı ağırlığına göre SiO2 miktarının %1'den %0,6'ya düşürülmesiyle nihai epoksi kompozitlerin eğilme dayanımında %1,94 oranında bir iyileşme elde edilmiştir. Deprotonizasyon yöntemiyle üretilen aramid nanolifleri yalnızca bazik DMSO ortamında stabil olduğundan, ANF'leri doğrudan sulu emülsiyon içerisinde disperse etmek mümkün değildir. Bu çalışmada, aramid zincirleri arasındaki Hidrojen bağlarının miktarının azaltılması ve hidrofilik yüzey fonksiyonel gruplarının miktarının arttırılması için uzun ANF zincirlerinin kısaltılmasında literatürde kullanılan ANF'lerin asit destekli hidrolizi yöntemini uyguladık. Asit destekli hidroliz sonrasında suda kolayca disperse olabilen aramid nanolifler başarıyla sentezlendi ve epoksi uyumlu“sizing”emülsiyonu içerisinde herhangi bir çökelme olmadan karıştırıldı.“Sizing”işlemi ile aramid nanolifler ile doğrudan kaplanmış cam elyaf direkt sarım fitiller ilk kez başarıyla üretildi. Suda dağılabilen ANF'lerin cam elyafların yüzeyini kısa iğne benzeri yapılar oluşturarak homojen bir şekilde kapladığı görülmüştür. Epoksi kompozitlerin eğilme özelliklerinde henüz kayda değer bir artış ölçülememiştir. Cam elyaflar, hidrolize aramid nano elyaflar ve epoksi reçine arasındaki yapışma mekanizmasının anlaşılması için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir. Son olarak, bildiğimiz kadarıyla, karbon nanotüp kaplamalı cam elyaf direkt sarım fitiller, endüstriyel ölçüde prosesle ilk kez başarıyla üretilmiştir. Ancak cam elyafların %1 CNT'lerle kaplanmasından sonra üretilen nihai kompozitin eğme mukavemetinde herhangi bir iyileşme yoktur. Bu sonucun arkasındaki nedenler tam olarak anlaşılamamıştır ancak yüzeydeki CNT kaplama miktarının, mekanik özellikleri olumlu yönde etkilemek için yeterli mekanik kenetlenme oluşturmaya yetmemesi veya belki de CNT'lerin etkisinin, ticari“sizing”emülsiyonlarıyla karşılaştırıldığında çok önemli olmaması gibi sebepler olabilir. Nanopartiküllerin cam elyaf yüzeyindeki kaplama mekanizmasını anlamak, nanopartiküllerin fiber matris ara fazındaki mekanizmasını güçlendirmek için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
The use of composites by human kind dates back to earliest times of recorded history. It has very wide application areas from traditional applications like a simple hay clay house to modern applications like fiber reinforced composites as structural parts of aerospace products. Last 100 years became the most important age of the composites since large amount of composites started to be consumed by marine, construction and renewable energy industries and most of the metal parts of aircrafts replaced by fiber reinforced polymer matrix composites, with respect to their lower cost and higher strength/weight ratio. Glass fibers are the oldest and most widely used reinforcing material on the entire composite industry with respect to their high stiffness and low production cost. There is a very thin mostly organic coating called“sizing”applied on the surface of the glass fibers directly on the first manufacturing process which is protects glass fibers to harm each other and increase the interfacial compatibility of the fibers with specific target matrix. Sizing is the most critical step of the production defines the final properties of the glass fibers by creating an interphase built by fiber-sizing and sizing-matrix interfaces. In recent years, there is a new trending of deposition nano sized additives like carbon based nanomaterials, metal oxide based nanomaterials, cellulose nanocrystals etc. on the matrix or the surface of the fibers to achieve higher interfacial strength due to different mechanism like mechanical interlocking, increasing surface area of the interface, microcrack healing etc. and lots of studies reported dramatic increase on the mechanical, interfacial and interlaminar strength of the composites built by nanomaterial coated glass fibers or matrix filled with nanoparticles. In this M.Sc. study we have focused on the review and experimental application of the three types of nanomaterials, namely carbon nanotubes, silica nanoparticles and aramid nanofibers coatings applied on the surface of the glass fibers to investigate the effect on the mechanical properties of Glass fiber/Epoxy composites produced with coated glass fibers by two methods, first one is dip coating by immersing desized fibers to the nanomaterial emulsions to coat the surface of the glass fibers and the second one is directly dispersing nanomaterials on the commercial sizing emulsion and directly apply to the glass fiber surface on manufacturing process. Mechanical properties of the composites investigated with T0 Tensile Strength, 3-point-bending strength and Impact strength tests applied in accordance DIN EN ISO 527-5, DIN EN ISO 178 and ISO 179/180 standards and results have been analyzed. 0,2% Aramid nanofiber dip coated fibers decreased the flexural properties of the Glass Fiber/Epoxy composites since the wettability behavior dramatically decreased by film formation of the nanomaterials on the surface of the glass fibers which doesn't let epoxy resin penetrates through all fibers and created huge delaminations which decrease the interfacial surface area. Composites manufactured with 0,1% Carbon nanotubes coated fibers showed a dramatic increase on impact strength of the composite with 38,49% and slight improvements on tensile and flexural behavior. Poly(ethylene imine) modified Silica nanoparticles coated glass fibers increased the flexural performance of the epoxy composites by 24,67% and impact strength by 52,66%. On the other hand, nanomaterials dispersed on commercial epoxy compatible sizing emulsion coated on the surface of the glass fibers by industrial sizing application have been manufactured successfully but showed a slightly increase or similar flexural properties with commercial epoxy compatible glass fiber products.
Benzer Tezler
- Nanojelkot kaplamalı cam elyaf takviyeli polimer kompozitlerin yaşlandırma sonrası mekanik, termal ve fiziksel özelliklerinin incelenmesi ve istatistiksel analizi
Investigation and statistical analysis of the mechanical, thermal and physical properties of nanogelcoat coated glass fiber reinforced polymer composites after aging
GÖKHAN DEMİRCAN
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiHarran ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT KISA
- Tek katmanlı yansıma önleyici ince film kaplamaların üretimi ve optik/mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of single layer antireflective thin film coatings and investigation of optical&mechanical properties
GİZEM AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
DR. REFİKA BUDAKOĞLU
- Investigation of capacitive behaviour of emulsion polymerized pedot and its nanocomposites
Emülsiyon polimerizasyonu ile sentezlenen pedot ve nanokompozitlerinin kapasitif özelliklerinin incelenmesi
DENİZ GÜLERCAN
Doktora
İngilizce
2019
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Grafen nano plaka takviyeli alümina-zirkonya kompozitlerinin spark plazma sinterleme yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Investigation of microstructure, mechanical properties and cell viability of YSZ toughened alumina composites reinforced with graphene nano plates
DİLAN ALTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İPEK AKIN KARADAYI
- Grafen nano partikül ilavesinin akımsız nikel bor kaplamaya etkisi
Effect of graphene nanoplatelets addition on electroless nickel boron coating
ÇAĞDAŞ ÇAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TURGUT GÜLMEZ