Geri Dön

A sustainable approach for thermoplastic composites withtailorable characteristics by thermokinetic hybridization of waste cellulose and vermiculite

Atık selüloz ve vermı̇külı̇tı̇n termokı̇netı̇k hı̇brı̇dizasyonu ı̇leözelleştı̇rı̇lebı̇lı̇r nı̇telı̇klere sahı̇p termoplastı̇k kompozı̇tlerı̇çı̇n sürdürülebı̇lı̇r yaklaşım

PDF İndir

  1. Tez No: 899640
  2. Yazar: GİZEM SEMRA ARITÜRK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Çevresel etkisi azaltılmış polimer bazlı yüksek performanslı malzemelere yönelik sürekli artan talep, araştırmaları daha sürdürülebilir ve daha yeşil kompozit malzeme tasarımlarına yönlendirmiştir. Bu tür tasarımlardaki temel yaklaşım, yeşil olmayan alternatiflerine göre eşdeğer malzeme tepkisi sağlarken daha sürdürülebilir bir ürün yaşam döngüsü sağlayan doğal veya geri dönüştürülebilir malzeme türlerinin kullanılmasıdır. Bu tür bir talep ancak gelişmiş bileşen etkileşimlerini ve etkili üretim stratejilerini hedefleyen doğru bir malzeme seçim süreci ile elde edilebilir. Bu süreçlerin uygulanması, geleneksel termoplastik polimerlere uyarlanabilen yeni takviye maddelerinin keşfedilmesine olanak sağlayacaktır. Bu tezin temel amacı, biyolojik olarak parçalanabilen (PLA) ve geri dönüştürülebilir (PP) bir polimer matrise birden fazla takviye fazının eklendiği kompozit hibridizasyon çalışmasının sonuçlarını sunmaktır. Dikkate alınan takviye türleri, bir tekstil endüstrisi atığı olan selüloz lifleri (WC) ve doğal olarak bol miktarda bulunan bir kil olan genişletilmiş vermikülittir (VC). Takviye seçiminin ardındaki mantık, WC'nin lifli morfolojisine ve VC'nin plaka benzeri morfolojisine dayanmaktadır. Önemli ölçüde farklı özelliklere sahip her iki takviye türünün sinerjik etkisi, yüksek kesmeli termo-kinetik karıştırma ve ardından enjeksiyon kalıplama ile üretildiğinde araştırılmaktadır. Tez, WC/VC ve ana matrisler arasındaki, işleme kolaylığının yanı sıra gelişmiş mekanik tepkiye yol açan yapısal etkileşimleri ortaya koymaktadır. PLA bazlı hibridin temel sonucu, yüksek kesme karıştırması altında VC'nin yerinde pul pul dökülmesidir, bu da VC'yi hem lifli WC olan ana takviye fazı arasında etkili stres transferi hem de kırılgan PLA matrisinde mikro çatlak sapması sağlayan nano-metrik trombositlere dönüştürür. Bulgular, WC ve VC'nin PLA'ya entegrasyonunun Young modülünü %127'ye kadar ve eğilme modülünü %137'ye kadar artırabileceğini ve çekme mukavemetini optimum seviyede tutabileceğini göstermiştir. Bundan sonra tez, benzer hibridizasyon çabası önemli ölçüde farklı mekanik tepkiye sahip sünek PP polimerine uygulandığında elde edilen sonuçlara odaklanmaktadır. Sunulan sonuçlar, genel mekanik tepkiyi ve VC'nin WC varlığında PP/VC fibrillerini oluşturma kabiliyetini yöneten ciddi bir WC dolanmasının varlığını ortaya koymuştur. Bununla birlikte, elde edilen hibrit kompozitlerin mekanik tepkisi, PP'nin doğal sünekliği nedeniyle daha da iyileştirilmiştir. Yüksek elyaf içeriği (20WC10VC) varlığında kullanıldığında, bu tür plakalar PP'yi daha kırılgan hale getirerek ve WC kümesi ayrışma olayları sırasında etkili bir stres aktarımına izin vererek çekme mukavemetine önemli ölçüde katkıda bulunmuştur. PP hibrit kompozitindeki artışlar Young modülü için %118 ve eğilme modülü için %115 olmuştur. Ayrıca, PP'nin mukavemeti WC ve VC'nin hibridizasyonu ile artırılmıştır. Eğilme mukavemeti ve çekme mukavemeti sırasıyla %42 ve %56'ya varan artışlar göstermiştir. Bu in-situ eksfoliyasyonun doğası, PLA ve PP arasındaki polarite farkının kristal su molekülleri içeren VC ara katman bölgesi üzerindeki etkisiyle daha da değerlendirilmiştir. Yalnızca VC kompozitlerine odaklanarak, polar olmayan PP matrisinde PP/VC fibril yapılarının oluşumu gibi önemli bir sonuca varılmıştır. Bu fibrillerin, yüksek kesme altında meydana gelen PP fibrillerinde eşit olarak dağılmış VC plakalarından oluştuğu bulunmuştur. Çalışma, yalnızca VC'nin PP kompozitlerin Young modülünü %110'a kadar artırabileceğini kanıtlamaktadır. Aksine, kristal suyun varlığının daha iyi bir yerinde pul pul dökülmeye neden olmasına rağmen, polimer yüzeyinden su buharlaşmasına neden olduğu araştırılmıştır. Çalışma, VC ilavesinin PLA kompozitlerinin Young modülünü %147'ye varan bir artışla önemli ölçüde artırabileceğini göstermiştir. Sunulan sonuçlar hibrit yaklaşımın gerekliliğinin altını çizmiştir. Sonuç olarak, bu tez polimer türünün dolgu maddeleriyle etkileşim üzerindeki etkisini araştırmaktadır. Hem PLA hem de PP kompozitlerinde WC ve VC kullanımını araştırmakta, ortaya çıkan morfolojiyi ve mekanik özellikler üzerindeki etkisini analiz etmektedir. Biyo-bazlı malzemeleri ve doğal dolgu maddelerini yenilikçi işleme teknikleriyle birleştiren bu araştırma, yüksek performanslı, çevre dostu kompozitlerin geliştirilmesinin önünü açmaktadır. Bu tez, çevresel sorumluluktan ödün vermeden gelişmiş mekanik özellikler gerektiren çeşitli endüstriyel uygulamalar için bu yeşil kompozitlerin potansiyeline ilişkin değerli bilgiler sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

The ever-increasing demand for polymer-based high-performance materials with reduced environmental impact has driven research towards more sustainable and greener composite material designs. The fundamental approach in such designs is using either natural or recyclable material types that ensure a more sustainable product life cycle while providing an equivalent material response with respect to their non-green alternatives. Such demand can only be achieved with a correct material selection process targeted towards enhanced constituent interactions and effective manufacturing strategies. The implementation of these processes would allow the discovery of novel reinforcement agents adaptable to conventional thermoplastic polymers. The main aim of this thesis is to present the outcomes of composite hybridization effort where multiple reinforcement phases are introduced to a biodegradable (PLA) and a recyclable (PP) polymer matrix. Considered reinforcement types were cellulose fibers which is a textile industry waste and vermiculite which is a naturally abundant clay. The rationale behind reinforcement selection relies on the fibrous morphology of WC and plate-like morphology of VC. The synergistic effect of both reinforcement types with significantly different properties are searched for when manufactured by a thermo-kinetic mixing followed by injection molding.The thesis reveals the constitutive interactions between WC/VC and host matrices thatlead to improved mechanical response along with ease of processing. The fundamentaloutcome of the PLA-base hybrid is the in-situ exfoliation of VC under high shear mixing which turns VC into nano-metric platelets that both ensure effective stress transfer between main reinforcement phase that is fibrous WC and micro-crack deflection in brittle PLA matrix. The findings indicated that the integration of WC and VC into PLA can enhance the Young's modulus by up to 127% and the flexural modulus by up to 137%, while maintaining the tensile strength at an optimal level. From thereon, the thesis focuses on the results achieved when similar hybridization effort is applied to ductile PP polymer with significantly different mechanical response. Presented results revealed the presence of a serious WC entanglement which governs the overall mechanical response and the inability of VC to form the PP/VC fibrils in the presence of WC. However, the mechanical response of the obtained hybrid composites was even more improved due to inherent ductility of PP. When used in the presence of high fiber content (20WC10VC) such platelets contributed significantly to tensile strength by making PP more brittle and allowing for an effective stress transfer during WC cluster debonding events. The enhancements in the PP hybrid composite were 118% for Young's modulus and 115% for flexural modulus. Furthermore, the strength of PP was increased by the hybridization of WC and VC. The flexural strength and tensile strength exhibited increases of up to 42% and 56%, respectively. The nature of this in-situ exfoliation is further evaluated where the effect of polarity difference between PLA and PP on VC interlayer region that contains crystalline water molecules. By focusing solely on VC composites arrives an important conclusion which is the formation of PP/VC fibril structures in non-polar PP matrix. Such fibrils are found to be formed of VC platelets uniformly distributed in PP fibrils occurred under extreme shear. Study proves that solely VC can enhance the Young's modulus of PP composites by up 110% Contrarily it has been explored that although the presence of crystalline water causes a better in-situ exfoliation, it causes water evaporation from polymer surface. The study has demonstrated that the addition of VC can significantly enhance the Young's modulus of PLA composites, with an increase of up to 147%. Presented results underlined the necessity of the hybrid approach. Consequently, this thesis explores the impact of polymer type on the interaction with the fillers. It investigates the use of WC and VC in both PLA and PP composites, analyzing the resulting morphology and its influence on mechanical properties. By combining biobased materials and natural fillers with innovative processing techniques, this research paves the way for the development of high-performance, eco-friendly composites. This thesis presents valuable insights into the potential of these green composites for various industrial applications requiring improved mechanical properties without compromising environmental responsibility.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    855634

    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

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  2. Tez No

    719166

    Upcycling to sustainable conversion of polypropylene waste to graphene grown talc hybrids as additive for efficient thermoplastic processing and its systematic life cycle assessment

    İleri dönüşüm tekniği ile polipropilen atıkların sürdürülebilir şekilde katkı malzemesi olarak verimli termoplastik işlemede kullanmak için talk üzerinde büyütülen grafen hibritlerine dönüşümü ve sistematik yaşam döngüsünün değerlendirmesi

    ATAKAN KOÇANALI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    KimyaSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  3. Tez No

    853528

    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

    İngilizce

    2023

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  4. Tez No

    666254

    Improvement of polyethylene fibers wettability and mechanical properties through an environmentally sustainable spinning process

    Sürdürülebilir çevreci bir üretim yaklaşımı ile polietilen elyafın ıslanabilirlik davranışı ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi

    AYBENİZ SEYHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

    DOÇ. DR. HÜSEYİN AVCI

  5. Tez No

    879782

    Development of novel biopolyamide compounds as a green and sustainable alternative to petroleum derived polymers and their applications in medical field

    Petrolden elde edilen polimerlere yeşil ve sürdürülebilir bir alternatif olarak özgün biyopoliamit bileşiklerinin geliştirilmesi ve tıbbi alanda uygulamaları

    ŞEBNEM GÜLEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

Geri Dön