Uzun karbon elyaf takviyeli poliamit 6 esaslı kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Uzun ve sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozitler (CFT), yüksek dayanıklılık ve mukavemetleriyle tanınan ileri mühendislik malzemeleridir. Bu kompozit malzemeler, uzun ve sürekli elyafların termoplastik bir matris içinde yerleştirilmesiyle üretilir ve kısa elyaf takviyeli kompozitlere kıyasla üstün mekanik performans sergilerler. Ayrıca üretim süreçlerinin hızlı ve maliyetlerinin düşük olması, geri dönüştürülebilirlik ve kolay işlenebilirlik özellikleri dolayısıyla bu kompozitler otomotiv ve havacılık gibi çeşitli sektörlerde öncelikli olarak kullanılmaktadır. Bu kompozitlerin üretiminde, toz impregnasyonu, termoplastik gövdeye fiber emdirme (FIT©:Fiber impregnèe Thermoplastique) malzemesi, elyaf ipliklerinin birbirleri ile karıştırılması (commingled fiber), çözelti impregnasyonu ve eriyik impregnasyonu gibi çeşitli üretim yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemler içinde eriyik impregnasyon metodu, kimyasal işlem gerektirmediği ve üretim hızının yüksek olması nedeniyle teknik uygulamada en çok tercih edilen yöntemdir. Buna rağmen kullanılan bu ana üretim metoduna alternatif üretim yöntemlerinin araştırılmasına devam edilmektedir. Bu araştırmalar çoğunlukla impregnasyon kalitesini arttırmak için yeni kalıp dizaynına yöneliktir. Kalıp dizaynında kalıp içi pimlerin geometrisi ve konfigürasyonu araştırılan en önemli parametrelerdir. Bu çalışmada uzun karbon elyaf takviyeli poliamit 6 (PA 6) kompozitlerin üretimi amacıyla çeşitli pim konfigürasyonları içeren özel bir impregnasyon kalıbı tasarlanmıştır. 4140 kalite ıslah çeliğinden imal edilen bu ataçman çeşitli pim konfigürasyonarı içeren özel bir impregnasyon kalıbıdır. Kompozit üretim sürecinde kullanılan pim konfigürasyonları; dar silindir, dar-geniş silindir ve dar silindir-konveks pimlerden oluşmaktadır. Bu konfigürasyonlar kullanılarak kompozit peletler üretilmiş ve elde edilen peletlerin mikroyapıları optik mikroskop kullanılarak incelenmiştir. Mikroskop görüntüleri, ImageJ programı ile analiz edilerek impregnasyon alanı belirlenmiştir. Bu alan verileri kullanılarak Gebart denklemi aracılığıyla elyafların geçirgenlikleri hesaplanmıştır. Yapılan analizler sonucunda, dar silindir konfigürasyonunun diğer konfigürasyonlara kıyasla elyaf demetinin geçirgenliğini önemli ölçüde artırdığı gözlemlenmiştir. Spesifik olarak, dar silindir konfigürasyonu, dikey yönde (K⊥) 1,81 x 10⁻¹¹ m² ve yatay yönde (K||) 0,78 x 10⁻¹¹ m² değerleri ile en yüksek geçirgenliği sağlamıştır. Bu bulgular, dar silindir konfigürasyonunun elyaf demetinin impregnasyon sürecine katkıda bulunduğunu ve bu konfigürasyonun kompozit üretiminde daha etkili bir sonuç verdiğini göstermektedir. Bu nedenle, sonraki çalışmalarda da dar silindir konfigürasyonu tercih edilerek kompozit üretimine devam edilmiştir. Tez çalışmasında yukarıda açıklanan deneylere ek olarak üretilen malzemede, PA6 matrisi ile ara yüzeyin bağlanmasını artırmak için uzun karbon elyaflara su bazlı bir yüzey işlemi uygulanmıştır. Bunun için, elektrokimyasal oksidasyon sonrasında karbon elyaf yüzeyine polietilen imin (PEI) ve karboksimetil selüloz (CMC) çapraz (crosslink) bağlama ile kaplanmıştır. Oluşturulan kompozit malzemenin ıslanabilirlik özelliğini iyileştirmek için yapılan PEI-CMC kaplama sayesinde karbon elyaf/su temas açısı 111,69°'den 26,42°'ye düşürülmüştür. Islanabilirlikteki bu belirgin iyileşme, ara yüzey mukavemetinde %164,8 artışa yol açmış ve PEI-CMC kaplaması uygulanan karbon elyaflar (CF) için ara yüzey mukavemeti 26,7 MPa olarak ölçülmüştür. Sonuç olarak, ortalama çekme ve eğme mukavemeti, PEI-CMC kaplamalı CF/PA6 kompoziti için sırasıyla 209,6 MPa ve 378,3 MPa'dan 250,3 MPa ve 422,7 MPa'ya %19,3 ve %11,7 oranında artmıştır. Su bazlı yüzey işlemi uygulanmış ve uygulanmamış numunelerde hasar mekanizmasını ve de üretim kalitesinin tespiti için çekme deneylerinden elde edilen numunelerin kırık yüzey morfolojileri incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) metodu ile yapılan bu incelemelerde uygulanan tek adımlı elektrokimyasal oksidasyon sonrası su bazlı kaplama prosedürünün yüksek performanslı uzun fiber takviyeli termoplastik kompozitlerin üretiminde diğerlerine göre daha mukavim yapılar oluşurduğunu göstermiştir. Deneysel çalışmalar çerçevesinde üretilen kompozit malzemelerin üretiminde temel adım olan karbon elyafın üzerine su bazlı PEI-CMC kaplamasının kalitesi FTIR, XPS ile analiz edilmiştir. Bu işlemlerde tezde gerçekleştirilen çapraz kaplamanın başarı ile uygulandığı ispatlanmıştır. Bu tez çalışmasında üretilen kompozit malzemenin ara yüzeylerinin iyileştirilmesi için elektrokimyasal oksidasyon ile beraber elektroforetik biriktirme yöntemi (EPD) de kullanılmıştır. Elektrokimyasal oksidasyon CF'lerin elektroliz yoluyla anodik oksidasyonudur. EPD ise elektroliz yoluyla MWCNT-COOH (karboksil bağlı karbon nanotüpler) anodik olarak CF üzerinde biriktirilmesidir. Karbon elyaflar, oksitlenme ve MWCNT-COOH ile elektroforetik kaplama yöntemleri kullanılarak başarılı bir şekilde modifiye edilmiştir. FTIR ve Raman spektroskopisi analizleri, oksitlenme sürecinin ve MWCNT-COOH kaplamasının etkili bir şekilde gerçekleştirildiğini doğrulamaktadır. Bu modifikasyonlar sonucunda, karbon elyafların yüzeyindeki fonksiyonel grup yoğunluğunda belirgin bir artış gözlemlenmiş ve su ile ıslanma temas açısının 43,6°'ye düştüğü tespit edilmiştir. Mekanik performans açısından, MWCNT-COOH modifiye edilmiş karbon elyafların (CFcnt) arayüzey bağ dayanımı TFB (Transversal Fiber Bundle) dayanımı %203 oranında artarak 30,5 MPa değerine ulaşmıştır. Mekanik Analiz sonuçları, CFcnt'nin çekme dayanımının %36,6 oranında artış göstererek 286,4 MPa değerine yükseldiğini, 3-nokta eğme dayanımının ise %25,8 artış ile 476 MPa'a ulaştığını ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, ara yüzey bağı ve yük transferi açısından belirgin iyileşmelerin olduğunu göstermektedir. MWCNT-COOH kaplanmış numunelerin hasar analizini gerçekleştirmek için çekme testi sonrası hasarın meydana geldiği yüzeyin morfolojik incelemesi SEM analizi ile gerçekleştirilmiştir. Bu analiz neticesinde MWCNT-COOH kaplı numunelerin bir önceki aşamalarda üretilen yapılara göre daha mukavim olduğu gözlemlenmiştir. Her iki yöntemde de elde edilen yüksek mukavemetli ara yüzey bağı oluşması, iki temel faktörle açıklanabilir: Birincisi, oksitlenme ve su bazlı polimer veya CNT-COOH kaplaması sonrası oluşan OH ve NH gruplarının PA 6 polimerinin amino grupları ile kurduğu hidrojen bağlarının artması; ikincisi ise PA 6 polimer moleküllerinin kaplama tabakasına nüfuz ederek oluşturduğu mekanik yapışmadır. Bu etkileşimler, PA6/CNT-CF kompozitlerinin dinamik mekanik özelliklerinde önemli bir artışa yol açmıştır. Sonuç olarak, CF'lerin MWCNT-COOH ile fonksiyonelleştirilmesi, arayüzey bağlarının güçlenmesini ve kompozitlerin genel mekanik performansının ciddi şekilde iyileşmesini sağlamıştır. Bu tez çalışmasında uygun kalıp dizaynı ile karbon elyaflı kompozitlerde arayüzey bağlarının değişik yöntemler ile iyileştirilmesi ile daha mukavim ve karbon elyaf esaslı kompozitlerin daha verimli olarak üretilebileceği kanıtlanmıştır.