Geri Dön

Development of natural fiber reinforced composites with flame retardant fillers

Alev geciktirici katkılar ile doğal lif takviyeli kompozitler geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 894343
  2. Yazar: MOHAMMAD SHOHAG ALAM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DEMİR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile 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: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yenilikçi Teknik Tekstiller Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 158

Özet

Kompozit malzemelerin/ürünlerin üretiminde kullanılan polimerlerin çoğunluğu petrol esaslıdır. Petrol kaynaklarının sonlu olması, depolama ve üretim sırasında çok fazla atık oluşturması büyük çevre problemlerine yol açmaktadır. Ayrıca, petrol esaslı polimerlerin geri dönüşüm seçeneklerinin çok sınırlı olması da sürdürülebilirlik konusunda endişeler oluşturmaktadır. Bu nedenle, petrol esaslı polimerlerin kullanımını mümkün olduğunca azaltmak, onların yerine biyolojik olarak parçalanabilir veya geri dönüştürülebilir kaynakların/çözümlerin araştırılması ön plana çıkmıştır. Geri dönüştürülebilme bakımından daha avantajlı olan termoplastik polimer matrisler ve doğal elyaf takviyeler ile oluşturulacak kompozit malzemeler sürdürülebilirlik konusunda birçok sektör için uygun bir çözüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu malzemeler, ayrıca, hem maliyet etkinliği hem de yüksek verimlilik sunmaktadırlar. Küresel otomotive endüstrisi de ticari uygulanabilirliği ve sürdürülebilirliği sebebiyle, doğal lif takviyeli termoplastik polimer matrisli kompozit malzemelere oldukça fazla ilgi göstermektedir. Geliştirilen bu doğal elyaf takviyeli termoplastik kompozitler pek çok marka araçların kapı panellerinde, gürültü izolasyon panellerinde, konsolda, tamponlarda, bagajda, koltuklarda vs. yaygın olarak kullanılmaktadır. Çevre dostu olması, hafifliği, ağırlığına oranla mukavemetinin yüksek olması ve iklim şartlarına dayanıklı olması gibi avantajları sebebiyle jüt lifi, polipropilen (PP) gibi termoplastik matrisli kompozit malzeme üretimi için çok uygun bir seçenek haline gelmiştir ve PP matrisi ile kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Ayrıca, alev geciktiricili malzemelerle katkılandırılmış jüt/PP kompozitler, oldukça güvenilir yeni ürünler olarak trend oluşturmaktadırlar. Fakat mekanik özelliklerden ödün vermeden alev geciktirici özellik elde etme konusu büyük önem taşımaktadır. Genel olarak, polimer matrisin liflerle takviye edilmesi, elde edilen kompozit malzemelerin mukavemetini büyük ölçüde artırmaktadır ama selüloz esaslı lifler kullanıldığında selülozun artışı polimerin alev dayanımında negatif etkiye yol açmaktadır. Lignin ise alev dayanımını artırma etkisi göstermektedir. Lignin özellikle yanma esnasında duman absorblama özelliği göstermektedir. Selüloz esaslı bir lif olan jütün maksimum yükleme seviyesi sağlandıktan sonra jüt/PP kompozitlerine uygun katkı maddelerinin eklenmesi ile malzemeye alev geciktirici özellikler sağlanabilir. Bu tezde matris olarak PP, takviye olarak jüt lifi ve alev geciktirici katkı olarak halojen içermeyen malzemeler (Alüminyum trihidrid (ATH) ve amonyum polifosfate (APP) ile sinerjik bir etki oluşturmak için çinko borat (ZB)) kullanılarak kompozit plakalar üretilmiş ve bu plakalar şu test ve karakterizasyon metotlarıyla incelenmişlerdir: Çekme Testi, Üç-Nokta-Eğilme Testi, Izod Darbe Testi, Aşınma Testi, Yoğunlık Ölçümü, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometresi (FTIR) Analizi, UL-94 (Düşey yanma ve Yatay yanma), LOI (Limit Oksijen İndeks) Testi, Koni Kalorimetre Testi ve TGA (termogravimetrik analiz). Bu tezde, ekstrüzyon ve müteakip sıcak-pres işlemleri ile 80:20 oranında (ağırlıkça) %30 ve %40 ATH/ZB ve APP/ZB içeren alev geciktiricili jüt/PP kompozitler üretilmiştir. Üretimde önce jüt lifleri uygun boyutlarda kesilmiş ve öte yandan PP matrisi öğütülmüştür. Arkasından, PP, jüt lifi ve alev geciktirici katkılar belli oranlarda karıştırılmış ve akabinde çift-vidalı ekstrüdere beslenmiştir. Ekstrüderden çıktı olarak elde edilen homojen karışım daha sonra granül hale getirilmiş ve en sonunda granüller 8.5 ton ile 200 C'de 20 dakika boyunca sıcak-pres ile basılarak kompozit plakalar elde edilmiştir. Beslenen jüt lifinin mukavemeti düşürmesine sebep olmadan hem alev geciktirici özelliğinin artırılması hem de homojen bir şekilde fiberlerin dağıtılmasına çalışılmıştır. Jüt/PP kompozitlerine alev geciktirici katkı maddeleri katmadan önce, farklı lif uzunluklarının jüt/PP kompozitin üzerine etkileri incelenmiştir. Bunun için %5 maleik anhidrit-aşılanmış polipropilen (PP) matrisi (MA-g-PP) içine ağırlıkça % 20 oranında uzun jüt lifi (LJF) ve kısa jüt lifi (SJF) eklenerek numuneler üretilmiş ve kısa lifli kompozitlerin mekanik özellikler (çekme ve eğilme mukavemetleri) bakımından uzun lifli kompozitlerden daha iyi bir performans gösterdiği tespit edilmiştir. Kısa lif numunelerinin maksimum çekme ve eğilme mukavemetleri, sırasıyla, 37,32±0,75 MPa ve 34,68±1,70 MPa olarak bulunmuştur. Çekme ve eğilme modülleri ise 1811±81 MPa ve 1181±95 MPa olarak ölçülmüştür. İlk mekanik özellik denemelerinde, ağırlıkça %20 lif içeren kısa lifli kompozitlerin uzun lifli olanlardan daha iyi performans gösterdiği sonucuna ulaşıldığı için sonraki denemeler %20 kısa lif içeren kompozitlerle ve lif yükleme oranlarını %60'a çıkararak yapılmıştır. Mekanik analiz sonuçlarına göre jüt oranı arttıkça çekme mukavemeti ve çekme geriniminin azaldığı gözlemlenmiştir. PP matrisine ağırlıkça % 60 kısa jüt lifi yüklendiğinde çekme mukavemetinde büyük ölçüde bir düşüş (19,50±2,04 MPa) kaydedilmiştir. Diğerleri ile kıyaslandığında, %40'lık kısa lif yüklemesine kadar olan yüklemelerde eğilme mukavemeti yüksek değerini hep korumuş (38,98±3,45 MPa) ancak %60'lık kısa lif yüklemesinde eğilme mukavemeti en düşük değeri (37,77±1,25 MPa) vermiş, çekme mukavemeti ise 19,50±2,04 MPa'ya ulaşmıştır. SEM cihazı ile yapılan morfolojik analiz sonuçlarına göre ağırlıkça %30'luk kısa lif yüklemesi durumunda en iyi matris-elyaf yapışması gerçekleştiği görülmüş ve bu numuneye ait elde edilen optimum mekanik özelliklerin (Çekme Mukavemeti: 29,5±2,74 MPa, Çekme Gerinimi: 4.97±0.84%, Young Modülü: 1517±198 MPa, Eğilme Mukavemeti: 38,17±1,9 MPa, Eğilme Gerinimi: 7,18±1,17% ve Eğilme Modülü: 1488±88 MPa) bu sayede elde edildiği kanaatine varılmıştır. Mekanik özelliklerden ödün vermeden alev geciktirici özellikler kazandırmak için, optimum olarak tespit edilen ağırlıkça %30 lif yükleme değerini sabit tutarak yine ağırlıkça %30 ve %40 oranlarında ATH/ZB ve APP/ZB alev geciktirici katkıları kullanılarak kompozit numuneler üretilmiştir. Mekanik analiz sonuçlarına göre alev geciktiriciler, maksimum gerilim ve gerinim değerlerinde düşüşe neden olurken Young Modulü değerlerinde iyileştirme sağlamıştır. Diğer taraftan alev geciktiricilik sonuçlarına göre APP/ZB katkısı daha olumlu etki göstermiştir. Yanma testlerinde APP/ZB'nin, jüt/PP kompoziti üzerindeki kömür oluşumunu önemli ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Jüt/PP kompoziti içine ağırlıkça %40'lık APP/ZB yüklemesi yapıldığında mükemmel alev geciktiricilik elde edilmiştir. V-0 sınıflandırmasında“hiç yanma etkisi yok”olarak tabir edilen seviyeye ulaşılmıştır ki bu kendini-söndüren (LOI: %28,8) alev geciktiricili özelliğe sahip bir jüt/PP kompozit malzemesi üretmiş olmak demektir. Modifiye edilmemiş jüt/PP kompoziti ile kıyaslandığında, %30'luk kısa lif yüklemesi yapıldığında LOI değerinde %76,61 gibi büyük bir artış sağlanmıştır. Maksimum ısı salımı (pHRR) 197,5 kW/m2, toplam duman üretimi (TSP) 10,5 m2, toplam ısı salımı (THR) 86,42 kW/m2 ve efektif yanma ısısı 23,47 MJ/kg olarak bulunmuştur. Kopma gerinimi 15,86%, eğilme gerinimi ise 81,21% olarak yükselmiştir. Ne var ki, darbe özellikleri yüksek orandaki APP/ZB yüklemesinden olumsuz olarak etkilenmiştir (35,68%'lik bir azalma meydana gelmiştir). Modifiye edilmemiş kısa lif ile kıyaslandığında, %30'luk sabit yüklemede yoğunluk 18,75% artmıştır. Alev geciktiricilerin eklenmesi ile aşınma oranı sürtünme katsayısı önemli ölçüde artmıştır. Kendini-söndüren APP/ZB esaslı jüt/PP kompozitte, yüksek pim sıcaklığı sebebiyle, 195,75%'lik maksimum bir artış gözlenmiştir. Ağırlıkça %40'lık yüklemedeki ATH/ZB ile kıyaslandığında sürtünme katsayısı (COF) değeri orta seviyelerde çıkmıştır. Termogravimetric Analiz TGA sonuçlarına göre, %40 APP/ZB içeren kompozitin maksimum bozulma oran sıcaklığı 481,62 Co olup, ağırlıkça %30 kısa lif yüklü modifiye edilmemiş jüt/PP kompozitininkinden yaklaşık 16 Co daha yüksektir. FTIR spektroskopi incelemelerinde, APP/ZB veya ATH/ZB'nin kimyasal yapılarında modifiye edilmemiş jüt/PP kompozitlerle kıyaslandığında kayda değer bir fark bulunmamıştır ki bu da alev geciktiricilerin, kompozitler üzerinde fazla bir değişiklik yapmaksızın sadece bir dolgu malzemesi görevi görerek alev geciktiricilik özelliğini iyileştirdiğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

The global automotive industry is highly focused on application natural fibers with thermoplastic polymers due to its commercial applicability. Due to being environmentally friendly and having better advantages such as lightweight behavior, good strength to weight ratio and weather resistance, jute fiber has become a very suitable option to make composite material with thermoplastic materials such as polypropylene (PP). Application of jute fiber with PP matrix is growing day by day. In addition to that, flame retardant jute/PP composites have become a new set of trends of reliability. However, to achieve flame retardancy without compromising mechanical properties is a key concern to be noticed. In this thesis, flame-retardant jute/PP composites based on ATH/ZB and APP/ZB at a ratio of 80:20 were produced via combination of extrusion process and hot press method. Zinc borate (ZB) was used for creating a synergetic effect with aluminium tryhydride (ATH) and ammonium polyphosphate (APP). Before infusing flame retardant fillers to jute/PP composites, fiber loading levels were optimized with PP matrix at 20 wt.% of loading level based on long jute fiber (LJF) and short jute fiber (SJF) by the presence of 5 wt.% of maleic anhydrate-grafted polypropylene (MA-g-PP). The results indicated that length of short jute fiber was having a positive impact over mechanical properties (tensile strength and flexural strength). A maximum tensile strength value of 37.32±0.75 MPa and flexural strength value of 34.68±1.70 MPa have been achieved. Tensile modulus was reached to 1811±81 MPa and flexural modulus was reached to 1181±95 MPa. Further investigations were carried out with 20 wt.% SJF by increasing fiber loading up to 60 wt.% since the 20 wt.% SJF had been found to performed better than the 20 wt.% of LJF one in the initial mechanical property experiments. It was evident that increasing jute fiber content decreases tensile strength as well as strain (%) value. A clear noticeable decrease of tensile strength value (19.50±2.04 MPa) was found when 60 wt.% of SJF was infused within PP matrix. Until 40 wt.% of loading of short jute fiber flexural strength remains high (38.98±3.45 MPa) and consistent compared to others. But, when 60 wt.% loading of SJF was infused flexural strength value was decreased to minimum of 37.77±1.25 MPa was reached a tensile strength value of 19.50±2.04 MPa. Morphological analysis was carried out via scanning electronic microscope (SEM). Better adhesion was noticed for 30 wt.% loading of SJF which ensured optimum mechanical properties (tensile properties: strength-29.5±2.74 MPa, strain- 4.97±0.84 % and young modulus-1517±198 MPa; flexural properties: strength: 38.17±1.9 MPa, strain-7.18±1.17 % and flexural modulus- 1488±88 MPa) that was achieved. By keeping SJF loading level constant at 30 wt.%, as flame-retardant additives ATH/ZB and APP/ZB were incorporated at a loading level of 30 wt.% and 40 wt.% to achieve better flame-retardant properties without compromising mechanical properties. Char formation were greatly influenced via APP/ZB on jute/PP composites. To analyze flame-retardant behavior and thermal properties, UL-94 (Vertical burning and Horizontal burning), LOI, Cone calorimetry and TGA were carried out to investigate. An excellent flame retardancy was achieved at 40 wt.% loading of APP/ZB into jute/PP composites. V-0 classification level was achieved and 'no burning effect' was found which ensured self-extinguished (LOI- 28.8%) manner of flame-retardant jute/PP composite. A clear increment of LOI value was achieved up to 76.61% compared to unmodified jute/PP composite at a loading level of 30 wt.% of short jute fiber. Peak heat release rate (pHRR) was reached to 197.5 kW/m2 with total smoke production (TSP) value of 10.5 m2. Total heat release (THR) was 86.42 kW/m2. Effective hear of combustion value was 23.47 MJ/kg. Tensile strength and flexural strength increased by 15.86% and 81.21%, respectively. However, impact properties were negatively affected due to the high loading of APP/ZB. 35.68% decrease was noticed. Density was increased 18.75% compared to unmodified short jute fiber at a constant loading level of 30 wt.%. Inclusion of flame-retardant additives increased wear rate as well as value of co-efficient of friction (COF) significantly. A maximum increase of 195.75% was observed due to high pin temperature with self-extinguished APP/ZB based jute/PP composites. COF value was moderate compared to ATH/ZB at a loading level of 40 wt.%. Thermogravimetric analysis (TGA) results showed the maximum degradation rate temperature of the composite structures containing 40 wt.% of APP/ZB to be 481.62 oC, which was approximately 16 °C higher than that of the unmodified jute/PP composite at a short jute fiber loading of 30 wt.%. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy results was showed no significant differences within chemical structures of APP/ZB or ATH/ZB compared to unmodified jute/PP composites which signifies flame retardants were acted just as a filler to improve flame retardancy without any sorts of drastic changes into produced composites.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    730617

    Epoksi esaslı kenevir lif ile güçlendirilmiş kompozitlerin özelliklerinin incelenmesi

    Examination of properties of composites strenghtened with epoxy-based hemp fibers

    GÖKHAN UĞURER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimya MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİME ÇITAK

  2. Tez No

    350528

    Bor ve mineral katkılı selülozik yalıtım malzemesi üretimi ve karakterizasyonu

    Production of boron and mineral reinforced cellulosic insulation material and its characterization

    İBRAHİM ETHEM KARAAĞAÇLIOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK

  3. Tez No

    601090

    Uçak koltuğu kompozit sırtlık sisteminin modellenmesi ve sonlu elemanlar analizi

    Modeling and finite element analysis of aircraft seat composite backrest system

    GÜNEY GÖRGÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN

    DR. MURAT BÜYÜK

  4. Tez No

    637735

    Akustik yalıtım için dokuma kumaş takviyeli katmanlı hibrid kompozit malzemelerin geliştirilmesi

    Development of fabric reinforced layered hybrid composite materials for acoustic insulation

    MUSTAFA ÇAĞATAY YARADANAKUL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NAZAN OKUR

  5. Tez No

    677437

    Biyo-reçine esaslı tekstil kompozitlerinin performans özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of performance characteristics of bio-resin based textile composites

    SEMİH ÖZKÜR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İPEK YALÇIN ENİŞ

Geri Dön