Investigation of interface effects on mechanical and thermal properties of tropical fibers reinforced bio-composites
Tropikal fiber takviyeli biyokompozitlerin mekanik ve termal özellikleri üzerinde arayüzey etkilerinin araştırılması
- Tez No: 999350
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET ÇEVİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Biyokompozit, Polimer kompozitler, PLA biocomposites, Encephalartos ituriensis, Surface engineering, Alkali treatment, Silane coupling (GPTMS), Mechanical properties, Thermal behavior, Biocomposite, Polymer composites
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekanik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, Encephalartos ituriensis (E.I.) lignoselülozik takviyesi ile güçlendirilmiş poli(laktik asit) (PLA) biyokompozitleri için arayüz (matris–takviye etkileşimi) odaklı bir tasarım çerçevesi geliştirmekte; iş akışını işlenmemiş lif temel verisinden başlayarak yüzey mühendisliği doğrulamasına ve ardından kontrollü bir formülasyon matrisi üzerinden kompozit ölçekli mekanik ile ısıl–termo-mekanik performansa kadar sistematik biçimde ilerletmektedir. Toplam 29 formülasyondan oluşan tam faktöriyel bir kompozit set (0–20 ağ.% takviye) üretilmiş; işlenmemiş partiküllerin yanı sıra iki yüzey mühendisliği rotası uygulanmıştır: alkali işlem (NaOH %2, %5, %8) ve silan modifikasyonu ((3-glisidiloksipropil)trimetoksisilan, %1, %3, %5). Lif ölçeğinde, işlenmemiş E.I. temel durumu orta düzey tek-lif çekme dayanımı (≈33,2 ± 7,8 MPa) sergilemiş; güvenilirlik Weibull şekil parametresi ~4,6 ve ölçek parametresi ~36,2 MPa ile karakterize edilmiştir. Yüzey mühendisliği lif bütünlüğünü ve değişkenliği değiştirmiştir: ortalama tek-lif dayanımı 34,4 ± 14,1 MPa (işlenmemiş) değerinden 46,2 ± 14,4 MPa (alkali) ve 56,6 ± 8,3 MPa (silan) değerlerine yükselmiş; silan rotası en düşük saçılmayı (CV %14,7) vermiştir. Isıl açıdan işlenmemiş E.I., yaklaşık 354 °C civarında ana DTG tepe sıcaklığı ve 600 °C'de yaklaşık olarak %26,6 artık kütle ile belirgin bir kömür/kül fraksiyonuna işaret etmiştir. Kompozit ölçeğinde mekanik performans, arayüz kalitesine bağlı ve dolgu oranına duyarlı bir ödünleşim davranışı göstermiştir. İşlenmemiş PLA/E.I. kompozitlerinde çekme dayanımı 63,65 MPa (saf PLA) değerinden 47,78 MPa (20 ağ.%) değerine düşerken, çekme modülü 1,26'dan 1,64 GPa'a yükselmiştir. Yüzey mühendisliği, güçlü işlem×dolgu oranı etkileşimleri doğurarak belirli pencerelerde toparlama/iyileştirme sağlamış; özellikle 8A10 formülasyonu (%8 NaOH ile işlem görmüş E. ituriensis partiküllerinin PLA matrisi içinde %10 ağırlık oranında kullanıldığı kompozisyon) 64,58 MPa çekme dayanımı ile saf PLA'yı sınırlı ölçüde aşarak uygun yüzey durumunun aynı dolgu seviyesinde gevrekleşmeyi dengeleyebildiğini göstermiştir. Isıl ve termo-mekanik davranış; üç-adımlı DSC (ısıtma–soğutma–ikinci ısıtma), DMA sıcaklık süpürmesi, TGA, ısıl iletkenlik ölçümleri ve erime akış indeksi (MFI) ile nicel olarak değerlendirilmiştir. DSC, Tg1'in görece kararlı olduğunu (58,8–63,7 °C) ancak kristalleşme belirteçlerinin işleme duyarlı şekilde değiştiğini göstermiş; Tcc1 86,2–93,4 °C, Tc 98,5–106,0 °C aralığında bulunmuş ve ikinci ısıtmada kristalinlik (Xc2) %5,47–%12,19 aralığında değişerek yüzey mühendisliğinin segmental gevşemeyi belirgin kaydırmaktan çok çekirdeklenme–hareketlilik dengesini modüle ettiğini doğrulamıştır. DMA sonuçları camyapı bölgesinde rijitlik artışını (E′@30°C saf PLA için 2,50 GPa'dan seçili formülasyonlarda 3,40 GPa'a kadar) ve yükseltilmiş sıcaklıkta rijitlik geri kazanımını (E′@100°C/E′@30°C ile tanımlanan E′ tutulumu) ortaya koymuştur. TGA'da kompozitler çok basamaklı bozunma sergilemiş; takviye ile 600 °C'de artık kütle artmış ve işlenmemiş seride artık kütle yaklaşık %1,6 (saf PLA) düzeyinden en yüksek işlenmemiş dolgu seviyesinde yaklaşık %6 düzeyine yükselmiştir; Tonset/Tmax eğilimleri ise işleme bağlı kinetik değişimleri yansıtmıştır. MFI, 19,109–134,993 g/10 dk aralığında değişerek yüzey mühendisliğinin işlem seviyesi ve dolgu oranına bağlı olarak eriyik akışını yüksek akış direncinden yüksek akış kolaylığına taşıyabildiğini göstermiştir. Sonuç olarak tez, E.I. takviyesinin, yüzey modifikasyonunun doğrulanmış bir arayüz kontrol stratejisi olarak ele alınması halinde mühendislik açısından kullanılabilir PLA biyokompozitlerine dönüştürülebileceğini göstermektedir. Bulgular, tek bir metriği maksimize etmek yerine; mekanik güvenilirlik, kristalleşme kaynaklı termo-mekanik rijitlik tutulumu, ısıl kararlılık sınırları, taşınım davranışı ve üretim/işlenebilirlik gerekliliklerini birlikte dengeleyen performans pencereleri üzerinden formülasyon seçimini desteklemektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis develops an interface-centered design framework for poly(lactic acid) (PLA) biocomposites reinforced with Encephalartos ituriensis (E.I.) lignocellulosic reinforcement, progressing from untreated fiber baseline, to surface engineering verification, and finally to composite-scale mechanical and thermal–thermomechanical performance across a controlled formulation matrix. A full factorial composite set comprising 29 formulations was manufactured (0–20 wt% reinforcement), including untreated particles and two surface-engineering routes: alkali treatment (NaOH 2%, 5%, 8%) and silane treatment ((3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane, 1%, 3%, 5%). At the fiber scale, the untreated E.I. baseline exhibited moderate tensile strength (≈33.2 ± 7.8 MPa), with reliability characterized by a Weibull shape parameter of ~4.6 and scale parameter of ~36.2 MPa. Surface engineering altered fiber integrity and variability: mean single-fiber strength increased from 34.4 ± 14.1 MPa (untreated) to 46.2 ± 14.4 MPa (alkali) and 56.6 ± 8.3 MPa (silane), with the silane route producing the tightest scatter (CV 14.7%). Thermally, untreated E.I. showed a main DTG peak near 354 °C and a residue of ~26.6% at 600 °C, reflecting a notable char/ash fraction. At the composite scale, mechanical performance followed an interface-dependent, loading-sensitive trade-off. Untreated PLA/E.I. composites showed tensile strength decreasing from 63.65 MPa (neat PLA) to 47.78 MPa (20 wt%), while tensile modulus increased from 1.26 to 1.64 GPa. Surface engineering introduced strong treatment×loading interactions, enabling targeted recovery and optimization at specific windows; notably, the 8A10 formulation (E.I. particles treated with 8 wt% NaOH and incorporated at 10 wt% into PLA) achieved 64.58 MPa tensile strength, marginally exceeding neat PLA, demonstrating that appropriate surface state can offset reinforcement-induced embrittlement at matched filler levels. Thermal and thermomechanical behavior was quantified using three-step DSC (heating–cooling–heating), DMA temperature sweeps, TGA, thermal conductivity measurements, and melt flow index (MFI). DSC revealed relatively stable Tg1 (58.8–63.7 °C) but treatment-sensitive crystallization markers, with Tcc1 spanning 86.2–93.4 °C, Tc spanning 98.5–106.0 °C, and second-heating crystallinity (Xc2) ranging from 5.47% to 12.19%, confirming that surface engineering modifies nucleation–mobility balance rather than shifting segmental relaxation substantially. DMA showed increased glassy stiffness (E′@30°C rising from 2.50 GPa for neat PLA up to 3.40 GPa in selected formulations) and formulation-dependent stiffness recovery at elevated temperature, quantified via E′ retention (E′@100°C/E′@30°C). In TGA, composites exhibited staged degradation with residue amplification by reinforcement; in the untreated series, residue at 600 °C increased from ~1.6% (neat PLA) to ~6% (highest untreated loading), while Tonset/Tmax trends reflected treatment-dependent kinetic shifts. MFI spanned 19.109–134.993 g/10 min across the set, indicating that surface engineering can shift melt flow from strongly flow-resistant to strongly flow-facilitating depending on treatment level and loading. Overall, the thesis demonstrates that E.I. can serve as a viable reinforcement for engineered PLA biocomposites when surface modification is treated as a verified interface-control strategy. The results support performance-window selection rather than single-metric optimization, enabling defensible formulation choices that balance mechanical reliability, crystallization-driven thermomechanical retention, thermal stability margins, transport behavior, and manufacturing robustness.
Benzer Tezler
- Farklı modifikasyon ajanları ile yüzey işlemi uygulanmış selüloz nano kristal (SNK) yapıların dental kompozitlerin mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of dental composites of surface treated with different modification agents on the mechanical properties of cellulose nano crystal (CNC) structures
MERVE YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYSU AYDINOĞLU
- Termal çevrimin bazalt-karbon ıntra-ply hibrit elyaf takviyeli karbon nanotüp veya grafen dolgulu polimer kompozitlerin mekanik ve termal özellikleri üzerindeki etkileri
The effect of thermal cycling on mechanical and thermal properties of graphene or carbon nanotube dispersed intra-ply basalt-karbon fiber hybrid polymer composites
FARZİN AZİMPOUR SHİSHEVAN
Doktora
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMİT AKBULUT
- Kullanılmış kahve tozu dolgulu polipropilen biyokompozitlerin fiziksel, mekanik ve termal özelliklerinin araştırılması
Investigation of the physical, mechanical and thermal properties of waste coffee powder filled polypropylene biocomposites
ŞEYMA MELİKE CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mühendislik BilimleriBursa Teknik ÜniversitesiBiyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ERTAŞ
- Doğal kayaç takviyeli epoksi kompozitlerin mekanik, termal ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi ve uygulama alanlarının belirlenmesi
Investigation of mechanical, thermal, and dielectric properties of natural rock reinforced epoxy composites and identification of application areas
SEEZAR IBRAHIM ALI AL-BAYATI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Kimya MühendisliğiFırat ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERCAN AYDOĞMUŞ
- Led ışık kaynaklı armatür ısıl modellenmesi ve ısıl tasarımı etkileyen faktörlerin istatistiksel analizi
Thermal modelling and statistical investigation of factors that effects thermal design of led light source based luminaires
MUSTAFA BERKER YURTSEVEN
Doktora
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERMİN ONAYGİL