Eklemeli yığma modeli ile elde edilen kenevir SAPI/PLA biyokompozit malzemenin bazı mekanik ve termalözelliklerinin incelenmesi
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2023
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Bursa Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Küresel ısınma, fosil yakıtların kullanımı ve sera gazı emisyonları gibi insan faaliyetlerinden kaynaklanan bir olgudur. Küresel ısınma dünya genelindeki ortalama sıcaklıkların artmasıdır. Küresel ısınmanın sonucu olarak kutup buzulları eriyerek deniz seviyeleri yükselir. Hava koşullarındaki değişim ekosistemlerin değişerek bazı türlerin yaşam alanlarının değişmesine ve türlerin tehlikeye girmesine sebep olur. Küresel sıcaklık artışına büyük ölçüde insan faliyetleri sebep olmaktadır. Sera gazı emisyonlarının azaltılması için küresel çapta faaliyetler başlatılmıştır. Sera gazı emisyonlarına yol açan malzemelere alternatif olarak yenilenebilir kaynaklardan elde edilen biyoplastiklere yönelim başlamıştır. Biyoplastik üretiminde fosil tabanlı plastiklere göre daha az zehirli gaz çıkmaktadır. Biyoplastiklerin geri dönüşüm potansiyeli ile doğada çözünebilmesi sayesinde bu ürünler atık hale geldiğinde doğal ortamda daha hızlı parçalanması ile çevresel etkiler azaltılabilir. Bu çalışmada PLA malzemesinin gevrek doğasının iyileştirilmesi ve tarımsal atık durumunda olan kenevir sapının değerlendirilmesi amacı ile PLA ve kenevir ile biyokompozit filament oluşturulması hedeflenmiştir. Kenevir ve PLA arasındaki uyumun arttırılması amacı ile ayrı bir deney grubu oluşturularak maleik anhidrit ilave edilmiştir. Diğer gruba da gliserol eklenmiştir. Saf PLA ile üretilen filament ise kontrol grubu olmuştur. Kenevir katkısının PLA'nın mekanik ve termal özellikleri üzerine istatiksel olarak anlamlı bir etkisinin olup olmadığı gözlemlenmiştir. PLA ve kenevir unu belirlenen oranlarda karıştırılarak, PLA/kenevir unu/maleik anhidrit karışımında ise öncelikle kenevir unları MA ile tedavi edilmiş daha sonra PLA ile karıştırılarak etüvde bekletilmiştir. Etüvden alınan karışımlar öncelikle çift vidalı ekstrüderden geçirilerek düzensiz filamentler elde edilmiştir. PLA/kenevir unu/maleik anhidrit/gliserol karışımındaki gliserol ise karışım ekstrüdere verilmeden eklenmiştir. Elde edilen düzensiz filamentler granül hale getirilerek tek vidalı ekstrüdere beslenmiş ve üç boyutlu yazıcıda kullanıma uygun düzenli filamentler elde edilmiştir. Elde edilen filamentler ile üç boyutlu yazıcıda çekme ve eğilme örnekleri baskılanarak çekme ve eğilme deneyleri yapılarak mekanik özellikleri analiz edilmiştir. Bozunma sıcaklıkları için ise baskılama işlemi öncesi ve sonrası örneklere TGA analizi yapılmıştır. Biyokompozitlerin termal özelliklerinin incelenmesi amacı ile DSC analizi, biyokompozit içindeki fonksiyonel grupların incelenmesi amacı ile de FTIR analizi yapılmıştır. Saf PLA'ya kıyasla kenevir katkılı filamentlerin baskılama öncesi ve sonrası TGA eğrilerine bakıldığında kütlece %5, %10 ve %90 kayıplarının gerçekleştiği en düşük bozunma sıcaklığının ise gliserol katkılı biyokompozitte elde edildiği gözlemlenmiştir. Elde edilen biyokompozit filament grupları arasında DSC analizi sonucunda PLA'ya göre kristalinite oranının arttığı tek grup PLA+K03+MA+G olmuştur. PLA biyoplastiğine kenevir katkısınınn PLA'nın kırılganlığını azalttığı ve gliserol katkısı ile de daha sünek bir yapıya sahip olduğu SEM görüntülerinde gözlemlenmiştir. PLA ve PLA+K03 biyokompozitlerinde katmanlar arasında iyi bir arayüzey bağlantısının olduğu, buna karşın PLA+K03+MA ve PLA+K03+MA+G biyokompozitlerinde ara yüzey bağlantısının iyi olmadığı, kopma esnasında lif sıyrılmalarının olduğu gözlemlenmiştir. Üç nokta eğme deney sonuçlarına göre, malzemenin eğilme dayanımı kompozit içerisine sırasıyla kenevir, maleik anhidrit ve gliserol katkısı ile arttığı gözlemlenmiştir. Ancak, gruplar arasında eğilme dayanımında istatiksel olarak anlamlı bir farklılık yoktur. Malzemenin elastikiyet modülü PLA malzemesine bu dolgu ve uyumlaştırıcı malzemeler eklendikçe arttığı ama gliserol eklenmesi ile malzemenin elastikiyet modülünün azaldığı gözlemlenmiştir. Çekme deneyi sonuçlarına göre, biyokompozit içeriğinde meydana gelen değişikliklerin malzemenin çekme dayanımı üzerinde istatiksel olarak anlamlı bir etkisi yoktur. Elastikiyet modülü değerlerine bakıldığında PLA+K03+MA grubunun en yüksek değere sahip olduğu, PLA'nın en düşük değere sahip olduğu, istatiksel olarak ise PLA ile diğer üç grup arasında istatiksel olarak anlamlı bir farklılığa sahip olduğu görülmektedir. Sonuç olarak, PLA biyoplastiğine lignoselülozik bir malzeme olan kenevir katkısı ile malzeme özelliklerinde nicel olarak bir iyileşme gözlemlenebilmiştir. Çalışma sonuçları bu malzemeler ile yarı mamül ve nihai ürününü AR-GE çalışmalarında faydalı olacaktır.
Global warming is a phenomenon caused by human activities such as the use of fossil fuels and the emission of greenhouse gases. It refers to the overall increase in average temperatures worldwide. As a result of global warming, polar ice caps melt, leading to rising sea levels. Changes in weather conditions also cause ecosystems to alter, resulting in the displacement of certain species and the endangerment of various forms of life. The significant rise in global temperatures is primarily attributed to human activities. Global initiatives have been launched to mitigate greenhouse gas emissions. There has been a shift towards bioplastics derived from renewable sources as an alternative to materials that contribute to greenhouse gas emissions. The production of bioplastics results in fewer toxic gases compared to fossil-based plastics. The recycling potential and biodegradability of the bioplastics allow for faster decomposition in the natural environment when these products become waste, thereby reducing environmental impacts. The aim of this study is to enhance the brittle nature of PLA material and explore the utilization of hemp stalk waste by making a biocomposite filament with PLA and hemp. A separate experimental group was established where maleic anhydride was added to improve the compatibility between hemp and PLA. Glycerol was added to another group. The filament produced using pure PLA served as the control group. The study aimed to observe whether the addition of hemp had a statistically significant effect on the mechanical and thermal properties of the PLA. PLA and hemp flour were mixed in predetermined ratios. In the case of the PLA/hemp flour/maleic anhydride mixture, the hemp flour was treated with maleic anhydride before being mixed with PLA and kept in an oven for a certain period. Oven-dry materials were initially passed through a twin-screw extruder to obtain irregular filaments. As for the PLA/hemp flour/maleic anhydride/glycerol mixture, glycerol was added before feeding it into the extruder. The irregular filaments obtained were pelletized and fed into a single-screw extruder to obtain regular filaments suitable for 3D printing. The obtained filaments were used to print tensile and flexural samples using a 3D printer, and tensile and flexural tests were conducted to analyze their mechanical properties. TGA analysis was performed on samples before and after the printing process for degradation temperatures. DSC analysis was carried out to investigate the thermal properties of the biocomposites, while FTIR analysis was conducted to examine the functional groups within the biocomposite. When comparing the TGA curves of hemp-filled filaments to pure PLA, it was observed that the degradation temperatures decreased at 5%, 10%, and 90% of weight loss with the addition of hemp, maleic anhydride, and glycerol. The lowest degradation temperature was observed in the glycerol-added biocomposite. Among the bioplastic and biocomposite filament sample groups, the only group with an increased crystallinity ratio compared to PLA was the PLA+K03+MA+G sample group. Adding hemp to PLA bioplastic was observed to reduce PLA brittleness, and adding glycerol resulted in a more flexible structure, as observed in SEM images. In PLA and PLA+K03 biocomposites, there was an excellent interfacial connection between the layers. However, in PLA+K03+MA and PLA+K03+MA+G biocomposites, the interfacial cohesion was not strong, and fiber delamination was observed during the breakage process. According to the three-point bending test results, the flexural strength of the materials increased by adding hemp, maleic anhydride, and glycerol, respectively. However, the groups have no statistically significant difference in flexural strength. Those of modulus of elasticity showed the same pattern, but adding the glycerol decreased its modulus of elasticity. According to the results of the tensile test, the changes in biocomposite content do not have a statistically significant effect on the tensile strength of the material. As can be seen from , the PLA+K03+MA group has the highest modulus of elasticity, while PLA has the lowest value. Statistically, there is a significant difference between PLA and the other three groups. Consequently, it was observed that material properties were increased quantitatively by adding hemp hurd as a lignocellulosic material to PLA. Test results would be beneficial to produce semi- and final-product by using these materials for R&D applications.
Global warming is a phenomenon caused by human activities such as the use of fossil fuels and the emission of greenhouse gases. It refers to the overall increase in average temperatures worldwide. As a result of global warming, polar ice caps melt, leading to rising sea levels. Changes in weather conditions also cause ecosystems to alter, resulting in the displacement of certain species and the endangerment of various forms of life. The significant rise in global temperatures is primarily attributed to human activities. Global initiatives have been launched to mitigate greenhouse gas emissions. There has been a shift towards bioplastics derived from renewable sources as an alternative to materials that contribute to greenhouse gas emissions. The production of bioplastics results in fewer toxic gases compared to fossil-based plastics. The recycling potential and biodegradability of the bioplastics allow for faster decomposition in the natural environment when these products become waste, thereby reducing environmental impacts. The aim of this study is to enhance the brittle nature of PLA material and explore the utilization of hemp stalk waste by making a biocomposite filament with PLA and hemp. A separate experimental group was established where maleic anhydride was added to improve the compatibility between hemp and PLA. Glycerol was added to another group. The filament produced using pure PLA served as the control group. The study aimed to observe whether the addition of hemp had a statistically significant effect on the mechanical and thermal properties of the PLA. PLA and hemp flour were mixed in predetermined ratios. In the case of the PLA/hemp flour/maleic anhydride mixture, the hemp flour was treated with maleic anhydride before being mixed with PLA and kept in an oven for a certain period. Oven-dry materials were initially passed through a twin-screw extruder to obtain irregular filaments. As for the PLA/hemp flour/maleic anhydride/glycerol mixture, glycerol was added before feeding it into the extruder. The irregular filaments obtained were pelletized and fed into a single-screw extruder to obtain regular filaments suitable for 3D printing. The obtained filaments were used to print tensile and flexural samples using a 3D printer, and tensile and flexural tests were conducted to analyze their mechanical properties. TGA analysis was performed on samples before and after the printing process for degradation temperatures. DSC analysis was carried out to investigate the thermal properties of the biocomposites, while FTIR analysis was conducted to examine the functional groups within the biocomposite. When comparing the TGA curves of hemp-filled filaments to pure PLA, it was observed that the degradation temperatures decreased at 5%, 10%, and 90% of weight loss with the addition of hemp, maleic anhydride, and glycerol. The lowest degradation temperature was observed in the glycerol-added biocomposite. Among the bioplastic and biocomposite filament sample groups, the only group with an increased crystallinity ratio compared to PLA was the PLA+K03+MA+G sample group. Adding hemp to PLA bioplastic was observed to reduce PLA brittleness, and adding glycerol resulted in a more flexible structure, as observed in SEM images. In PLA and PLA+K03 biocomposites, there was an excellent interfacial connection between the layers. However, in PLA+K03+MA and PLA+K03+MA+G biocomposites, the interfacial cohesion was not strong, and fiber delamination was observed during the breakage process. According to the three-point bending test results, the flexural strength of the materials increased by adding hemp, maleic anhydride, and glycerol, respectively. However, the groups have no statistically significant difference in flexural strength. Those of modulus of elasticity showed the same pattern, but adding the glycerol decreased its modulus of elasticity. According to the results of the tensile test, the changes in biocomposite content do not have a statistically significant effect on the tensile strength of the material. As can be seen from , the PLA+K03+MA group has the highest modulus of elasticity, while PLA has the lowest value. Statistically, there is a significant difference between PLA and the other three groups. Consequently, it was observed that material properties were increased quantitatively by adding hemp hurd as a lignocellulosic material to PLA. Test results would be beneficial to produce semi- and final-product by using these materials for R&D applications.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
