Geri Dön

Ekstrüzyon yöntemiyle polimer eriyik emdirme sistemlerinin proses optimizasyonu

Process optimization of polymer melt impregnation systems by extrusion method

PDF İndir

  1. Tez No: 947979
  2. Yazar: MEHMET USTA
  3. Danışmanlar: PROF. ALİİHSAN KOCA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı ve Akışkan Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 141

Özet

Polimer esaslı kompozit malzemeler, hafiflikleri ve yüksek dayanım/ağırlık oranları sayesinde özellikle otomotiv, havacılık, savunma sanayi ve yapı sektörü gibi alanlarda oldukça yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu malzemelerin yaygın kullanımını sağlayan temel özellikler; mükemmel korozyon dayanımı, yüksek mekanik performans, uzun ömür ve düşük yoğunluk gibi avantajlardır. Bu bağlamda, lif takviyeli kompozit üretiminde kullanılan polimer eriyik emdirme yöntemleri, üretim süreci açısından oldukça kritik bir öneme sahiptir. Emdirme kalitesi, liflerin polimer matrisle ne kadar etkin bir şekilde ıslandığı ile doğrudan ilişkilidir ve bu da nihai ürünün mekanik ve ısıl özelliklerini doğrudan etkiler. Bu çalışmada, tek vidalı ekstrüzyon sistemi kullanılarak polimer eriyik emdirme yönteminin optimizasyonu amaçlanmıştır. Sıcaklık, basınç, vida devri ve polimer akışkanlığı gibi önemli proses parametrelerinin emdirme verimliliğine etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Aynı zamanda, sürecin modellenmesi için Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) simülasyonlarından yararlanılmış; elde edilen sayısal veriler deneysel bulgularla karşılaştırılarak süreç doğrulaması sağlanmıştır. Bu çok yönlü yaklaşım sayesinde, hem mikroskobik gözlemlerle emdirme oranı hesaplanmış hem de simülasyonlarla sürecin fiziksel dinamikleri anlaşılmıştır. Deneysel kısımda, yüksek çözünürlüklü mikroskopi teknikleri kullanılarak kompozit örneklerden 2x, 3x, 5x ve 10x büyütmelerde mikroskop görüntüleri alınmıştır. Bu görüntüler ImageJ görüntü analiz yazılımı aracılığıyla analiz edilmiş ve lif yüzeyinin polimer tarafından ne oranda kaplandığı yani emdirme oranı hesaplanmıştır. Bunun yanı sıra, mikroyapısal karakterizasyon amacıyla 144x, 800x ve 5000x büyütmelerde SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) görüntüleri de elde edilerek, lif demetleri içindeki polimer dağılımı detaylı bir şekilde incelenmiştir. Sayısal analizlerde, polimerin ekstrüder içinde liflerle nasıl etkileşime girdiği, viskozite değişimi, sıcaklık dağılımı ve kesit boyunca akış hızı gibi parametreler detaylı olarak incelenmiştir. CFD tabanlı modelleme ile elde edilen simülasyon sonuçları, deneysel olarak hesaplanan emdirme oranları ile oldukça yüksek oranda örtüşmüştür. Böylece modelleme yaklaşımının güvenilirliği doğrulanmış ve süreç optimizasyonu için kullanılabilirliği kanıtlanmıştır. Sonuçlar, optimum sıcaklık (220–260 °C), uygun vida devri ve basınç koşulları sağlandığında, liflerin daha etkin şekilde emdirme olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, polimer bazlı kompozitlerin üretiminde hem deneysel hem de sayısal yöntemlerin birlikte kullanılmasının önemini vurgulamakta; lif-matris ara yüzey etkileşiminin geliştirilmesine yönelik önemli bir katkı sunmaktadır. Gelecekte xxiv yapılacak çalışmaların, daha karmaşık lif mimarileri ve farklı polimer sistemleriyle genişletilmesi önerilmektedir. Bu yaklaşım, ileri mühendislik uygulamaları için daha güvenilir, dayanıklı ve optimize edilmiş kompozit malzeme üretimine ışık tutmaktadır.

Özet (Çeviri)

Polymer-based composite materials are widely utilized in various industries such as automotive, aerospace, defense, and construction due to their lightweight nature and high strength-to-weight ratio. The primary advantages that contribute to their widespread use include excellent corrosion resistance, superior mechanical performance, long service life, and low density. In this context, polymer melt impregnation methods used in the production of fiber-reinforced composites hold critical importance from a manufacturing perspective. The quality of impregnation—directly linked to how effectively the fibers are wetted by the polymer matrix—has a significant impact on the final product's mechanical and thermal properties. This study aims to optimize the polymer melt impregnation process using a single-screw extrusion system. The effects of key process parameters such as temperature, pressure, screw speed, and polymer flow characteristics on impregnation efficiency were experimentally investigated. Additionally, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations were employed to model the process, and numerical results were compared with experimental findings for process validation. Through this multidisciplinary approach, both the impregnation ratio was calculated using microscopic analysis and the physical dynamics of the process were comprehensively understood through simulation. In the experimental phase, high-resolution optical microscopy was used to capture composite images at 2x, 3x, 5x, and 10x magnifications. These images were analyzed with the ImageJ image processing software to determine the impregnation ratio, calculated as the percentage of the fiber surface effectively covered by the polymer. Furthermore, for microstructural characterization, Scanning Electron Microscope (SEM) images were obtained at 144x, 800x, and 5000x magnifications, allowing detailed investigation of polymer distribution within fiber bundles. In the numerical analysis, parameters such as polymer-fiber interaction inside the extruder, viscosity variations, temperature distribution, and flow velocity across the cross-section were extensively examined. The CFD-based simulation results showed a high degree of agreement with the experimentally determined impregnation ratios, validating the reliability and applicability of the modeling approach for process optimization. The results revealed that under optimal conditions—namely an extrusion temperature between 220–260 °C, along with appropriate screw speed and pressure—fiber impregnation was significantly improved. This study emphasizes the importance of integrating both experimental and numerical approaches in the manufacturing of polymer-based composites and offers xxvi a valuable contribution to the enhancement of fiber-matrix interfacial interactions. Future studies are recommended to expand this approach to more complex fiber architectures and different polymer systems. Overall, the study provides essential guidance for producing more reliable, durable, and optimized composite materials for advanced engineering applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    321376

    Reaktif ekstrüzyon yöntemiyle termoplastik elastomerler / plastikleştirici - uyumlaştırıcı / organik kil nanokompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of thermoplastic elastomers / plasticizer ?compatibilizer / organoclay nanocomposites by reactive extrusion system

    MOSTAFA ASGHARİ DİLMANİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERDOĞAN ALPER

    PROF. DR. ZAKİR M. O. RZAYEV

  2. Tez No

    305909

    Reaktif ekstrüzyon yöntemiyle polipropilen/fonksiyonel kopolimer/organik montmorillonit kil nanomalzemelerin hazırlanması

    Preparation of polypropylene/functional copolymer/organo-montmorillonite clay nanomaterials by reactive extrusion

    EREN ALTUNGÖZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Kimya MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERDOĞAN ALPER

    PROF. DR. M. O. ZAKİR RZAYEV

  3. Tez No

    493872

    Fabrication and characterization of novel polymer/organo-MMT (organo-silica)/ biopolymer nanocomposite blends by reactive extrusion

    Yeni polimer/organik MMT (organik silika)/ biyopolimer nanokompozit karışımlarının reaktif ekstrüzyon yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu

    BAYRAM ALİ GÖÇMEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe Üniversitesi

    Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE GÜNAY KİBARER

    PROF. DR. ZAKİR RZAYEV

  4. Tez No

    182318

    Maleik anhidritle graftlanmış oligomerlerin ve i-PP/silikat nanokompozitlerin tepkimeli ekstrüzyon yöntemiyle sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis of maleic anhydride grafted oligomers and i-PP/silikat nanocomposites by reactive extrusion and their characterization

    AZİZ YILMAZBAYHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Kimya MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ZAKİR RZAYEV

  5. Tez No

    179062

    Effects of compatibilizer type and processing parameters on mechanical properties of polypropylene-clay nanocomposites prepared by melt mixing

    Uyumlaştırıcı tipi ve proses parametrelerinin eriyik karışım yöntemi ile hazırlanan polipropilen-kil nanokompozitlerinin mekanik özelliklerine etkisi

    MEHMET BORA İŞLİER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Makine MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. NURİ BÜLENT ERSOY

Geri Dön