Tarımsal Atık İle Katkı-lanmış Yüksek Yoğunluklu Polietilen Kompozitlerin Fiziksel, Mekanik Ve Termal Özelliklerinin Belirlenmesi

(1)

XIX. ULUSAL MEKANİK KONGRESİ

24-28 Ağustos 2015, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon

780

TARIMSAL ATIK ĠLE KATKILANMIġ YÜKSEK YOĞUNLUKLU POLĠETĠLEN KOMPOZĠTLERĠN FĠZĠKSEL, MEKANĠK ve TERMAL

ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ

Nilay Küçükdoğan Öztürk1

, Kutlay Sever1, Mücahit Sütçü1, Yoldaş Seki2, Özgür Seydibeyoğlu1

, Mehmet Sarıkanat3

1İzmir Katip Çelebi Üniversitesi, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, İzmir 2Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, İzmir

3Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İzmir

ABSTRACT

In this study, vine stem filled high density polyethylene composite (HDPE) materials were produced and characterized. Vine stems were grinded and turned into the powder form by using a blade grinder and a ring mills. Composites, which were obtained by adding different amounts of vine stem (10, 20, 30 and 40% wt.) powder into HDPE, were prepared by using Gelimat Thermokinetic Mixer. The flexural, tensile, crystallographic and thermal properties of waste vine stem filled HDPE composites were investigated. HDPE containing 20% waste vine stem exhibited the greatest tensile and flexural strengths. Furthermore, it has been found that thermal decomposition of HDPE was delayed with increasing additive value of vine stem. Keywords: Vine stems, gelimat thermokinetic mixer, polymer composites, HDPE

ÖZET

Bu çalışmada, asma çubuğu katkılı yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) kompozit malzemeler üretilmiş ve termal mekanik olarak karakterize edilmiştir. Asma çubukları bıçaklı öğütücü ve halkalı değirmen kullanılarak öğütülmüş ve toz formuna getirilmiştir. Kompozitler, YYPE içerisine farklı miktarlarda asma çubuğu (ağırlıkça %10, 20, 30 ve 40) ilave edilerek termo-kinetik (Gelimat) mikser ile hazırlanmıştır. Asma çubuğu takviyeli YYPE kompozitlerin eğilme, çekme, kristalografik ve termal özellikleri incelenmiştir. Asma çubuğu YYPE içerisine katıldıktan sonra YYPE’nin elastik modül değerlerinde artış tespit edilmiştir. Üretilen kompozit malzemeler arasında %20 oranında asma çubuğu katkılı YYPE’nin en iyi çekme ve eğilme mukavemeti sergilemektedir. Üretilen YYPE kompozitlerin ısıl dayanımları YYPE içerisine katılan asma çubuğunun oranının artmasıyla artmış olduğu belirlenmiştir.

(2)

Küçükdoğan Öztürk1

,Sever1, Sütçü1, Seki2, Seydibeyoğlu1 ve Sarikanat3

XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 781

GĠRĠġ

Son yıllarda artan endüstrileşme karbon ayak izinin artmasına sebep olmaktadır ve bu durum doğal yaşamı olumsuz yönde etkilemektedir. Özellikle polimer kompozit malzemelerin geliştirilmesi üzerine çalışan araştırmacılar, çevreye verilen bu zararın etkilerini azaltmak amacıyla geri dönüşümü olan malzemeleri tasarlamaya ve üretmeye yönlenmektedirler. Termoplastik kompozit malzemelerin üretilmesinde üretim maliyetinin düşürülmesi ve çevreye verilen zararın azaltılması amacıyla termoplastik malzemeler kenaf, koton, sisal, hint keneviri, rami (çin keneviri), şeker kamışı, hindistan cevizi lifi gibi ligno-selülozik malzemelerle takviyelendirilip ya da dolgulandırılıp üretilmektedir[1-10]. Polimer kompozit malzemelerde ligno-selülozik malzemelerin katkı malzemesi olarak kullanılması tam veya kolay geri dönüşebilirlik, düşük ağırlıkta yüksek dayanım, düşük ısıl genleşme katsayısı ve düşük üretim maliyeti gibi birçok iyi özelliği kazandırmaktadır [11].

Kompozit malzeme üretiminde katkı malzemesi olarak kullanılan ligno-selülozik malzemeler genellikle yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE), polivinilklorür (PVC) ve farklı fazlarda polipropilen (PP) ile birlikte kullanılmaktadır [12]. Son on yılda yapılan bilimsel yayınlar incelendiğinde kompozit malzeme üretiminde farklı matris fazlarıyla birlikte dolgu/destekleyici olarak ligno-selülozik malzemelerin kullanımının önemli derecede arttığı gözlemlenmektedir [13]. Matris malzemelerinden HDPE çok önemli ticari polyolefinlerden biri olmakla birlikte otomotiv, havacılık endüstrilerin den evsel kullanıma kadar çok geniş kullanım alanına sahiptir. Ayrıca, iyi kimyasal direnç, dielektrik özellikler, düşük sıcaklıklardaki tokluğu ve göreceli olarak yüksek yumuşama sıcaklığına sahiptir [14]. İstenilen fiziksel ve mekanik özellikleri sağlamak ve ayrıca düşük maliyet oluşturmak için katkı malzemeleri eklenerek üretilmektedir.

Sentetik polimer tabanlı matris ile doğal kaynaklardan elde edilen katkı malzemelerinin karıştırılması son ürünün morfolojik, fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerini doğrudan etkilemektedir. Bununla birlikte, bu karışımların ıslanabilirliğin azalması, ısıl stabilite ve adezyon gibi özellikleri de doğrudan etkilemektedir. Ayrıca, elde edilen polimer kompozit ürünün ısıl stabilite, hidrofobisite ve ıslanabilirliği gibi karakteristikleri kapsamlı bir şekilde değerlendirilerek kompozitin davranışı ortaya konmaktadır [15-16]. Diğer yandan asma çubuğu gibi odunsu partiküller polimer matrise yüksek dayanım ve sertlik özellikleri katmaktadır ve mekanik özellikleri iyileştirmektedir [17].

Katkı malzemesi olarak kullanılan mikron boyutlara indirilen asma çubuğu, ekonomik değeri olmayan çoğunlukla yakacak olarak kullanılan ya da atıl bir biçimde boş arazilerde bırakılan tarımsal bir atıktır. Deneysel çalışmalarda kullanılan asma çubukları Ege bölgesinde 3,5-4,5 milyon ton üretimi olan üzüm meyvesinin verimini arttırmak amacıyla yapılan budama işlemleri sonucu ortaya çıkmaktadır ve genellikle ya yakacak olarak kullanılmaktadırlar ya da tarlalarda atıl olarak bırakılmaktadırlar [18]. Tarımsal atığın değerlendirilmesi hem ekonomi stratejisi hem de odunsu polimer kompozit sektörünün gelişmesinde önemli rol oynamaktadır. Bu çalışmada, organik katkı malzemesi olarak tarımsal atık olan asma çubuğu ve polimer matris malzemesi olarak ise YYPE matrisli kompozit malzemeler üretilmiştir. Üretilen bu kompozit malzemelerin morfolojik, termo-kimyasal ve mekanik özellikleri kapsamlı olarak değerlendirilmiştir.

(3)

782 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi

Asma çubuğu Ege bölgesinde Manisa ili çevresinden toplanmıştır. Bu malzeme ağırlıkça %1-3 neme sahip olduğu gözlemlenmektedir ve sabit ağırlığa ulaşılana kadar 70±2°C de etüv (Binder ED53) içerisinde kurutmaya bırakılmıştır. Kesme işlemiyle boyut küçültme yapılarak 1-2cm boyutlara getirilen asma çubukları, Retch SM100 marka kesmeli öğütücü (1500dev/dak.) kullanılarak yaklaşık 500µm boyutuna getirilmiştir. Daha sonra elde edilen partiküller diskli öğütücü (Retch RS200) kullanılarak 100µm toz boyutuna indirilmiştir. Elde edilen asma çubuğu tozları elek cihazı (Retch AS200) ile boyutsal olarak sınıflandırılmıştır. Polimer matris malzemesi olarak kullanılan HDPE, 0,965g/cm3 (23°C’de) yoğunluğa ve 5,5 g/10dak. erime akış hızına sahiptir ve PETKİM AŞ. firmasından tedarik edilmiştir.

b. Kompozitlerin Hazırlanması

Farklı asma çubuğu/matris oranlarına sahip polimerik kompozit malzemeler üretilmiştir. Bu oranlar yüzdesel olarak Çizelge 1’de verilmiştir. Kompozit malzeme üretilmeden önce bileşenlerin 70°C’de 1 saat etüv içerisinde nemi giderilmiştir. Nem giderme işlemi sonrasında bileşenler Gelimat mikser (termo kinetik enerji mikseri) cihazının içinde karıştırılarak homojen olarak hamur kıvamına getirilmiştir.

Çizelge 1. Çalışılan malzeme konsantrasyonları

BileĢenler (%) Kompozit tipi

A B C D E F Asma çubuğu HDPE 0 100 10 90 20 80 30 70 40 60 50 50

Gelimat mikserden hamur kıvamında alınan malzeme 150mmx150mmx2mm nominal boyutlarında metal kalıp içerisine konulduktan sonra sıcaklık ve basınç kontrollü bir sıcak pres (Fontijne LabEcon) kullanılarak plaka şeklinde üretilmiştir. Kalıplama işlemi 10 dakika boyunca 175±2 °C sıcaklıkta 120bar basınç altında uygulanarak kompozit plakalar üretilmiştir.

c. Mekanik Özellikler

Kompozit malzemelere, ASTM D3039 standardına uygun olarak üniversal çekme-basma test cihazı (Shimadzu AGS-X Series) kullanılarak çekme testleri yapılmış ve çekme mukavemeti, Young’s modülü ve yüzde (%) uzama oranı değerleri belirlenmiştir. Çekme testleri oda sıcaklığında 5mm/dakika çekme hızında gerçekleştirilmiştir.

Üç nokta eğilme testi, üniversal çekme-basma test cihazında (Shimadzu AGS-X Series) eğilme test aparatı kullanılarak ASTM D790 standardına uygun olarak yapılmıştır. Mekanik testler en az 5 numuneye uygulanmıştır.

d. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)

Kompozit malzeme üretiminde kullanılan üzüm bağ çubuğunun morfolojik özelliklerinin incelenmesi işlemleri taramalı elektron mikroskobu (Coxem EM-20) ile gerçekleştirilmiştir. Öncelikle incelenecek numuneler kaplama cihazında (Coxem KIC-1A) nano boyutlarda altın kaplanmıştır.

e. Termogravimetrik Analiz (TGA)

Üretilen kompozitlerin ısıl stabiliteleri, 20°C’den 600°C’ye uzanan aralığında, 10°C dak-1 sabit ısıtma hızında ve N2 inert atmosferinde TGA (Perkin Elmer STA 8000) cihazı ile gerçekleştirilmiştir.

(4)

XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 783

SAYISAL SONUÇLAR a. Mekanik Test Sonuçları

YYPE ve ağırlıkça farklı yüzdelerde asma çubuğu katkılı YYPE kompozitlerin mekanik özellikleri (Young’s modülü, çekme ve eğilme dayanımları) incelenerek ortaya konulmuştur. Farklı katkı-matris oranları için elde edilen parametreler Çizelge 2’de görülmektedir.

Çizelge 2. Kompozitlerin mekanik test sonuçları

Çizelge 2’de, asma çubuğu tozlarının matris yapıdaki yüzdece ağırlığının artmasıyla Young’s modülünde önemli bir artış olduğu görülmektedir. Ağırlıkça %50 asma çubuğu tozu katkılı kompozitin Young’s modülü değerinin saf YYPE matris malzemesi modül değerinin yaklaşık iki katı daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Üretilen tüm kompozitlerde katkı oranı arttıkça modül değerinin giderek arttığı Şekil 1’den görülmektedir. Bu davranış ligno-selülozik katkı malzemelerinin sağlamış olduğu sertleştirme etkisinden (stiffening effect) kaynaklanmaktadır [20-21].

Şekil 1. Young modülü-katkı oranları ilişkisi

Kompozitler içerisinde en iyi çekme dayanımı ağırlıkça %20 asma çubuğu tozu katkılı YYPE kompozitte görülmektedir. Polimer matris içerisinde yapılan katkı malzemesi eğilme

Kompozit Young’s modülü (MPa) Çekme dayanımı (MPa) Eğilme dayanımı (MPa)

A 796,213±33,829 24,726±0,630 38,064±1,086 B 1072,19±40,377 20,700±0,231 35,734±1,507 C 1120,16±31,112 22,139±0,291 36,152±1,303 D 1231,29±79,900 17,651±0,798 36,251±1,564 E 1479,40±63,394 15,517±0,217 32,047±1,242 F 1580,15±103,014 14,710±0,094 30,977±1,127

(5)

b. TGA Analiz Sonuçları

Ligno-selülozik malzemeler üç temel yapı bileşeni olan selüloz, hemi-selüloz ve lignin alt yapıları, bu malzemelerin ısıl kararlılığını korumasına yardımcı olmaktadır. Ligno-selülozik malzemelerde %18-35 lignin, %40-55 selüloz, %20-40 hemi-selüloz içeriği bulunmaktadır [22]. Selüloz alt yapısının bozunma sıcaklığı 240-350oC iken, hemi- selülozun bozunma sıcaklığı 200-260o_{C arasındadır. Lignin temel bileşeni ise 280-500}o_{C aralığında ısıl} kararlılığını kaybedip, bozunmaya uğramaktadır [19]. Asma çubuğu tozuna uygulanan TGA analizi sonucunda %10’luk kütle kaybı 220oC de, %50 kütle kaybı 342oC de ve %70’lik kütle kaybı 597o_{C de gerçekleşmiştir. En fazla kütle kaybının meydana geldiği 342}o_{C’de selüloz ve} hemi-selüloz bileşenlerinin tamamen bozunmaya uğradığı ve 597oC’de lignin bileşeninin de ısıl kararlılığını kaybederek bozunmaya uğradığı Şekil 2’de görülmektedir.

Şekil 2. Kompozitler ve asma çubuğunun termo-gravimetrik eğrileri

Saf halde bulunan YYPE’nin başlangıç ve ikincil bozunma sıcaklıkları sırasıyla 390C, 487C. YYPE’nin 515C’de tamamen bozunmakta, kül miktarı ise %2,2 (600C’de) olarak tespit edilmiştir. Polimer kompozitlere yapılan asma çubuğu katkı oranları termal stabiliteyi arttırdığı belirlenmiştir.

c. SEM incelemesi

Elde edilen taramalı elektron mikroskobu görüntüleri incelendiğinde partiküllerin çoğunlukla +45-100µm arasında olduğu görülmektedir. Asma çubuğu tozlarının düzensiz formda tanelerden oluştuğu gözlemlenmiştir.

(6)

XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 785 Şekil 3. Asma çubuğu tozları SEM görüntüleri

SONUÇLAR

Ağırlıkça farklı oranlarda asma çubuğu tozu ile katkılandırılmış YYPE kompozitlerin mekanik ve termal özellikleri incelenmiştir. Üretilen kompozitlerin özellikle Young’s modülü değerlerinde artan katkı oranı ile birlikte artış gözlemlenmiştir. Ağırlıkça %50 oranında asma çubuğu matris yapı içerisine katıldığında Young’s modülünde yaklaşık yüzde 200 oranında artış belirlenmiştir. Buna karşılık yüksek oranda asma çubuğu katkısında çekme dayanımında önemli düşüşler tespit edilmiştir. Elde edilen veriler YYPE matris malzemesi için asma çubuğu tozlarının iyi bir katkı malzemesi olduğunu göstermektedir.

KAYNAKLAR

[1] N. Saba, M.T. Paridah, M. Jawai, Mechanical properties of kenaf fibre reinforced polymer composite: A review, Construction and Building Materials. 76 (2015) 87–96. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.11.043.

[2] Y. Xu, Q. Wu, Y. Lei, F. Yao, Creep behavior of bagasse fiber reinforced polymer composites, Bioresource Technology. 101 (2010) 3280–3286. doi:10.1016/j.biortech.2009.12.072.

[3] K. Sever, M. Sarikanat, Y. Seki, G. Erkan, Ü.H. Erdoğan, S. Erden, Surface treatments of jute fabric: the influence of surface characteristics on jute fabrics and mechanical properties of jute/polyester composites, Industrial Crops and Products. 35(1) (2012) 22-30. doi:10.1016/j.indcrop.2011.05.020

[4] M.Z. Rong, M.Q. Zhang, Y. Liu, G.C. Yang, H.M. Zeng. The effect of fiber treatment on the mechanical properties of unidirectional sisal-reinforced epoxy composites, Composites

Science and Technology. 61(10) (2001) 1437-1447. doi:10.1016/S0266-3538(01)00046-X

[5]D. Verma, The use of coir/coconut fibers as reinforcements in composites, Biofiber

Reinforcements in Composite Materials. (2015) 285-319. doi:10.1533/9781782421276.3.285.

[6] A. Nourbakhsh, A. Ashori, Wood plastic composites from agro-waste materials: Analysis of mechanical properties, Bioresource Technol. 101(7) (2010) 2525-8. doi:10.1016/j.biortech.2009.11.040.

[7] F. Yao, Q. Wu, Y. Lei, Y. Xu, Rice straw fiber-reinforced high-density polyethylene composite: Effect of fiber type and loading, Ind Crop Prod. 28(1) (2008) 63-72.

(7)

thermal properties, Mater Design. 51(0) (2013) 225-30. doi:10.1016/j.matdes.2013.04.031. [9] F. Mengeloglu, K. Karakus, Thermal degradation, mechanical properties and morphology of wheat straw flour filled recycled thermoplastic composites, Sensors-Basel. 8(1) (2008) 500-519. doi:10.3390/s8010500

[10] J.L. Guimaraes, E. Frollini, C.G. Silva, F. Wypych, K.G. Satyanarayana, Characterization of banana, sugarcane bagasse and sponge gourd fibers of Brazil, Ind Crop

Prod. 30(3) (2009) 407-15. doi:10.1016/j.indcrop.2009.07.013.

[11] B.D. Mattos, A.L. Miss, P.H. Cademartori, E.A. Lima, W.L. Magalhães, D.A. Gatto, Properties of polypropylene composites filled with a mixture of household waste of mate-tea and wood particles, Construction and Building Materials. 61 (2014) 60-68. doi:10.1016/j.conbuildmat.2014.02.022

[12] Y. Cao, J. Feng, P. Wu, Simultaneously improving the toughness, flexural modulus and thermal performance of isotactic polypropylene by α-β crystalline transition and inorganic whisker reinforcement, Polymer Engineering & Science. 50.2 (2010) 222-231. doi: 10.1002/pen.21521

[13] M. Poletto, M. Zeni, A.J. Zattera, Effects of wood flour addition and coupling agent content on mechanical properties of recycled polystyrene/wood flour composites, Journal of

Thermoplastic Composite Materials. 0(00) (2011) 1–15. doi: 10.1177/0892705711413627

[14] E.P. Ayswarya, K.F.V. Francis, V.S. Renju, E.T. Thachil, Rice husk ash–A valuable reinforcement for high density polyethylene, Materials & Design. 41 (2012) 1-7. doi:10.1016/j.matdes.2012.04.035

[15] A.J. Nunez, J.M. Kenny, M.M. Reboredo, M.I. Aranguren, N.E. Marcovich, Thermal and dynamic mechanical characterization of polypropylene-woodflour composites, Pol Eng. Sci. 42 (2002) 733–742. doi: 10.1002/pen.10985

[16] V. Hristov, S. Vasileva, Dynamic mechanical and thermal properties of modified poly(propylene) wood fiber composites, Macromol Mater Eng. 288 (2003) 798–806. doi: 10.1002/mame.200300110

[17] F. Mengeloğlu, K. Karakuş, Some properties of eucalyptus wood flour filled recycled high density polyethylene polymer-composites, Turk J Agric For. 32 (2008) 537–546.

[18] Bitkisel ürün faaliyet raporu, (2014). http://www.tarim.gov.tr /sgb/Belgeler/ SagMenuVeriler/BUGEM.pdf (ulaşım Şubat 20,2015 ).

[19] H.S. Yang, M.P. Wolcott, H.S. Kim, S. Kim, H.J. Kim, Properties of lignocellulosic material filled polypropylene bio-composites made with different manufacturing processes,

Polym Test. 25(5) (2006) 668-76. doi:10.1016/j.polymertesting.2006.03.013.

[20] S. Mansouri, R. Khiari, F. Bettaieb, R.E. Abou-Zeid, F. Malek, F. Mhenni, Characterization of composite materials based on LDPE loaded with agricultural Tunisian waste, Polymer Composites. 36.5 (2015) 817-824. doi: 10.1002/pc.23001

[21] C.H. Lee, T.L. Wu, Y.L. Chen, J.H. Wu, Characteristics and discrimination of five types of wood-plastic composites by FTIR spectroscopy combined with principal component analysis, Holzforschung. 64.6 (2010) 699-704. doi: 10.1515/hf.2010.104

[22] Roger N. Rothon, Particulate-Filled Polymer Composites, iSmithers Rapra Publishing, 2003.