Ekstrüzyon yöntemiyle polimer eriyik emdirme sistemlerinin proses optimizasyonu

Abstract

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.

olymer-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.