Özet
Yenilikçi hindistan cevizi/polyester ve hindistan cevizi-cam elyafı/polyester sandviç yapıları için fiziksel ve mekanik test sonuçları ve dokuma cam elyafın dış katman takviyesi şeklinde kullanılması avantajları araştırılmıştır.
Giriş
Doğal lifler, sürdürülebilir kaynaklar olup kısa sürede yetiştirilebilmektedirler. Dolayısıyla karbon, cam ve diğer sentetik liflerle karşılaştırıldığında, doğal lifler, polimer matrisli kompozitlerin üretimi için sınırsız miktarda kaynak sağlayabilmektedirler.
1,2 Bugüne kadar, doğal liflerin kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak kullanılması üzerine birçok çalışma yapılmıştır.3-5 Sahip oldukları düşük yoğunluk sebebiyle doğal lifler, hafif malzemeler olarak sınıflandırılırlar ve bu da önemli bir avantajdır.
6, 7 Ancak, kompozit malzemeler yalnızca doğal liflerle takviye edilmeleri durumunda mekanik özellikleri yetersiz kalmaktadır. Hem ekonomik hem de çevresel problemlerin çözümü için optimum durum, doğal liflerle sentetik liflerin kompozitlerde beraber kullanılmalarıdır.
Şekil 1. (A) İç kısmında hindistan cevizi lifinden oluşan dokusuz kumaş yapısı ve dış kısmında poliester bulunan sandviç yapılı kompozit (B) Kompozitlerin dış kısmını oluşturan cam elyaf yapısı (C) Bu çalışmada kullanılan farklı miktarlarda cam elyaf ve hindistan cevizi lifinden oluşan dokusuz kumaş yapısı içeren kompozitlerin şematik diyagramı.
Kompozitlerin bileşimi içerdiği yapının baş harfleriyle açıklanmıştır. Örneğin; C harfi hindistan cevizi lifini, G harfi cam elyafı temsil etmektedir. (D), (E)Hindistan cevizi lifi ve cam lifinden oluşan elyafların vakum destekli reçine transfer kalıplama yöntemi sırasında çekilmiş fotoğrafları
Doğal liflerle takviye edilmiş kompozitler, düşük maliyetin gerekli olduğu ürünler, otomotiv endüstrisi ve düşük maliyetli ev yapımı gibi uygulama alanlarına sahiptirler.3,8
Günümüze kadar çok çeşitli doğal lifler (hindistan cevizi lifi, sisal, jüt, rami, ananas yaprağı, kenaf, abaka, hurma, bambu, palmiye, muz, kenevir, keten, pirinç kabuğu lifi ve pamuk) kompozitlerde kullanılmıştır. Bu kompozitlerin, çelik veya sentetik lif takviyeli kompozit malzemelerin yerini alması amaçlanmaktadır. 9–12
Bu çalışmada sandviç yapılı kompozit malzemenin mekanik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bahsedilen bu sandviç yapının iç kısmında hindistan cevizi lifleri, dış kısmında ise cam lifler kullanılmıştır.
13 Üretilen sandviç yapının mekanik özelliklere olan etkisini incelemek amacıyla, sadece hindistan cevizi lifleri içeren polyester matrisli kompozit ile sandviç yapılı polyester matrisli kompozitin mekanik özellikleri eş şartlarda karşılaştırılmıştır.
Elde edilen sonuçların, polyester/hindistan cevizi lifi/cam lif kompozit ürününün nihai uygulamalarda kullanımı üzerine belirleyici olacağı düşünülmektedir.
Hindistan cevizi lifi, lignoselülozik bir lif olup çok çeşitli tarım ve bahçecilik uygulamalarında kullanılmaktadırlar. Bu lifler, özellikle tropikal bölgelerde yetişen hindistan cevizinin kabuklarından elde edilmektedir.14
Bu çalışmanın odak malzemesi olmasının nedeni, kompozit malzemeler için takviye elemanı olarak ileri özelliklere sahip olmasıdır. Örneğin, içerdiği yüksek lignin oranıyla diğer liflere göre rutubete karşı daha dirençlidir15,16.
Daha detaylı açıklamak gerekirse, hindistan cevizi lifleri diğer liflere oranla daha fazla lignin içeriğine (%40-45) ve en az selüloz (%32-43) içeriğine sahiptirler ve bu da onlara yüksek nem direnci kazandırmaktadır.15 Hindistan cevizi lifleri tipik olarak 10-30cm uzunluğundadır ve dolayısıyla yüksek uzunluk/çap oranına sahiptirler.
Ek olarak, mikroliflerin 450’de spiral düzenlemesi hindistan cevizlerinin elastik limitlerinden kırılmadan daha fazla uzayabilmesini sağlamaktadır.17 Şekil 1’de ki sandviç kompozitler için, iç kısımda hindistan cevizi lifinden dokusuz kumaş (nonwoven) kullanılmıştır.
Vakum destekli reçine transferi tekniği kullanılarak numuneler üretilmiştir. Hindistan cevizi/polyester ve hindistan cevizi-cam elyaf/polyester kompozitlerin mekanik ve fiziksel özelliklerini tespit etmek için, takviye oranı, reçine oranı, gramajı ve kalınlığı ölçülmüştür.
Fiziksel test sonuçları göstermiştir ki hindistan cevizi-cam elyaf/polyester sandviç yapıları için genellikle kalınlık değişimi, su emilimi ve nem içeriği hindistan cevizi/polyester kompozitlerden daha düşük değerlere sahiptir (Şekil 2).
Mekanik testlerde çekme dayanımı, delikli çekme dayanımı (open hole), eğilme dayanımı bütün numuneler için ölçülmüştür. Hindistan cevizi-cam elyaf/polyester sandviç yapıları (70MPa), hindistan cevizi/polyester kompozitlere (8MPa) göre oldukça yüksek çekme dayanımına sahiptir.
Şekil 2. Hindistan cevizi takviyeli sandviç kompozitlerin su emilim özellikleri ve mekanik performansı. (a) çekme modülü ve delik içerikli çekme modülü, ve 2, 24, 48 ve 96 saatten sonra (b) kalınlık değişimi ve (c) su emilimi.
Deneylerde dokuma cam elyafının hindistan cevizi/polyester kompozitlerde dış katman olarak kullanılmasının mekanik ve fiziksel özellikleri önemli derecede iyileştirdiği görülmüştür. Örnek olarak, 96 saat sonra numunenin kalınlık değişimi 13.3‘ten %1.85 azalmıştır.
Aynı şekilde su emilimi ve nem içeriğinin de azaldığı görülmüştür. Bunların aksine, kompozitlerin çekme dayanımı, çekme modülü ve eğilme dayanımı dokuma cam elyafının dış katmanda kullanılması ile ciddi derecede artmıştır.
Bu artış miktarları çekme dayanımı için 4.2MPa’dan 69.2MPa’ a, çekme modülü için 2GPa’dan 6GPa’a (Şekil 2(a)) ve eğilme modülü için 31.8GPa’dan 131.5MPa’ a kadar olmuştur. Eğilme dayanımındaki artış I-kirişi konsepti ile açıklanabilmektedir.
Eğilme yükü altında I kirişi yapısında flanşlar çekme ve basma yükünü taşımaktadırlar. Bu durum sandviç Kompozitteki dış katmanın etkisine benzemektedir ve iç katmanda kayma gerilmelerini taşımaktadır. Böylece eğilme rijitliği artmaktadır.
Sonuç
Özet olarak, bu çalışmada doğal hindistan cevizi elyafı polimer kompozitlerde yenilikçi takviye elemanı olarak kullanılmıştır. Ayrıca üretilen hindistan cevizi/polyester ve hindistan cevizi-cam elyafı/polyester kompozit yapıları için fiziksel ve mekanik özellikler incelenmiştir.
Sonuçlar göstermiştir ki, hindistan cevizi-cam elyafı/polyester numuneleri hindistan cevizi/polyester numunelerine göre önemli derecede yüksek çekme dayanımına sahiptir. Ek olarak, iki kompozit yapısının özellikleri de dokuma cam elyafının dış katman olarak takviye edilmesi ile ciddi olarak iyileşmiştir.
Böylece yenilikçi doğal elyaf takviyeli kompozitlerin farklı uygulama alanları (örnek olarak inşaat, otomotiv ve mobilya endüstrisi) için uygun olduğu görülmüştür.
Önümüzdeki dönemde doğal elyaf takviyesinin oranının artırılması ve reçine olarak da doğal malzemenin hindistan cevizi takviyesi ile kompozitlerde kullanılması planlanmıştır.
Yrd.Doç.Dr. Ali Kilic - Tekstil Teknolojisi ve Tasarımı Fakültesi - İstanbul Teknik Üniversitesi
Dr.Tamer Hamouda - Tekstil Araştırma Bölümü - National Research Centre
Dr. Ahmed H. Hassanin - Tekstil Mühendisliği Bölümü - Alexandria University
Doç. Dr. Zeki Candan - Orman Ürünleri Mühendisliği Bölümü - İstanbul Üniversitesi
Kaynaklar
1. H. Ku, H. Wang, N. Pattarachaiyakoop, and M. Trada, A review on the tensile properties of natural fiber reinforced polymer
composites, Compos. Part B: Eng. 42 (4), pp. 856– 873, 2011.
2. V. Alavudeen, N. Rajini, S. Karthikeyan, M. Thiruchitrambalam, and N. Venkateshwaren, Mechanical properties of banana/kenaf
fiber-reinforced hybrid polyester composites: effect of woven fabric and random orientation, Mater. Design 66, pp. 246– 257, 2015.
3. S. Jayabal, U. Natarajan, and M. Murugan, Mechanical property evaluation of woven coir and woven coir-glass fiber-reinforced
polyester composites, J. Compos. Mater. 45, pp. 2279–2285, 2011.
4. M. R. Sanjay, G. R. Arpitha, and B. Yogesha, Investigation on mechanical property evaluation of jute-glass fiber reinforced
polyester, IOSR J. Mech. Civil Eng. 11, pp. 50–57, 2014.
5. A. K. Bledzki, P. Franciszczak, Z. Osman, and M. Elbadawi, Polypropylene biocomposites reinforced with softwood, abaca, jute,
and kenaf fibers, Indust. Crops Prod. 70, pp. 91–99, 2015.
6. M. A. Dweib, B. Hu, A. O’Donnell, H. W. Shenton, and R. P. Wool, All natural composite sandwich beams for structural
applications, Compos. Struct. 63, pp. 147–157, 2004.
7. V. Chaudhary, P. P. Gohil, and A. A. Shaikh, Development of potential composites through natural fiber reinforcement, J. Sci.
Indust. Res. 74, pp. 93–97, 2015.
8. Z. N. Terzopoulou, G. Z. Papageorgiou, E. Papadopoulou, E. Athanassiadou, E. Alexopoulou, and D. N. Bikiaris, Green
composites prepared from aliphatic polyesters and bast fibers, Indust. Crops Prod. 68, pp. 60–79, 2015.
9. S. K. Al-Oraimi and A. C. Seibi, Mechanical characterisation and impact behavior of concrete reinforced with natural fibres,
Compos. Struct. 32, pp. 165–171, 1995.
10. L. K. Aggarwal, Studies on cement-bonded coir fibre boards, Cement Concrete Compos. 14, pp. 63–69, 1992.
11. Z. Li, L. Wang, and X. A. Wang, Cement composites reinforced with surface modified coir fibers, J. Compos. Mater. 41, pp.
1445–1457, 2007.
12. M. R. Y. Hamid, M. H. Ab Ghani, and S. Ahmad, Effect of antioxidants and fire retardants as mineral fillers on the physical and
mechanical properties of high loading hybrid biocomposites reinforced with rice husks and sawdust, Indust. Crops Prod. 40, pp.
96–102, 2012.
13. T. Hamouda, A. H. Hassanin, A. Kilic, Z. Candan, and M. S. Bodur, Hybrid composites from coir fibers reinforced with woven
glass fabrics: physical and mechanical evaluation, Polym. Compos., 2015. First published online: 25 September 2015. doi:10.
1002/pc.23799
14. B. A. Khan, Uses of coir fibre, its products and implementation of geo-coir in Bangladesh, Daffodil Int’l Univ. J. Sci. Technol.
2, pp. 33–38, 2007.
15. O. Faruk, A. K. Bledzki, H. Fink, and M. Sain, Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010, Prog. Polym. Sci.
37, pp. 1552–1596, 2012.
16. V. Barbosa Jr., E. C. Ramires, I. A. T. Razera, and E. Frollini, Biobased composites from tannin–phenolic polymers reinforced
with coir fibers, Indust. Crops Prod. 32, pp. 305–312, 2010.
V. G. Geethamma, G. Kalaprasad, G. Groeninckx, and S. Thomas, Dynamic mechanical behavior of short coir fiber reinforced
natural rubber composites, Compos. Part A: Appl. Sci. Manufac. 36, pp. 1499–1506, 2005
