Geri Dön

Development of polypropylene composite materials reinforced with reduced graphene oxide and talc for automotive applications

Otomotiv uygulamaları için indirgenmiş grafen oksit ve talk ile takviye edilmiş polipropilen kompozit malzemelerin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 1010879
  2. Yazar: İREM DÜZENLİ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Kimya Mühendisliği, Polymer Science and Technology, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Otomotiv endüstrisinde hafif, yüksek performanslı ve sürdürülebilir malzemelere olan talep son yıllarda hızla artmaktadır. Hafif malzemelerin karbon ayak izini azaltması, araç menzilini uzatması, yakıt tasarrufu sağlaması gibi faydaları bulunmaktadır. Hafif ve yüksek performanslı malzemelere olan eğilim polimerlerin ve polimer kompozitlerin hem iç hem de dış aksamda metal, alüminyum gibi yüksek yoğunluklu ve performanslı malzemeler yerine kullanılmasını tetiklemiştir. Yapılan çalışmanın odağında; ana matris olarak otomotivde yaygın kullanımı olan, düşük maliyetli, metal ve türevlerine kıyasla düşük yoğunluklu ve işlenmesi kolay bir termoplastik olan PP ile, hibrit dolgu sistemi olarak talk ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) yer almaktadır. Bu çalışmanın amacı, hibrit sistemin polipropilenin (PP) mekanik, termal ve yapısal özelliklerine etkisini kapsamlı olarak ortaya koymak, hibrid katkıların birbiri ile olan sinerjik etkisini incelemektir. Polimerler düşük yoğunluk, kolay işlenebilirlik, tasarım esnekliği ve maliyet avantajları sayesinde otomotiv, havacılık, kaplama ve ambalaj gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Metal ve alüminyum ile üretilen parçalara kıyasla belirgin korozyon direnci, darbe sönümleme ve izolasyon özellikleri; araç içi konfor, güvenlik ve dayanım gereksinimlerine katkı sağlamaktadır. Özellikle termoplastik poliolefinler gösterge paneli, kapı içi paneller, tampon muhafazaları, fan ve klima modülleri gibi bileşenlerde kullanılmaktadır. Hafifliğin getirdiği yakıt tasarrufu ve emisyon azaltımı, regülasyon hedeflerine uyumu kolaylaştırmıştır ve günümüz gerekliliklerine katkı sağlamaktadır. PP yarı kristal, doğrusal yapıda, kimyasal dirençli, kalıplanabilirliği yüksek ve ekonomik bir polimerdir. Otomotivde iç ve dış trim parçalarından yapısal köpüklere kadar geniş kullanım alanı vardır. Ancak düşük sıcaklıklarda darbe kırılganlığı, düşük erime sıcaklığı nedeniyle yüksek sıcaklık uygulamalarındaki sınırlılığı, ultraviyoleye (UV) karşı zayıf dayanımı, sürekli yük altında sürünme eğilimi ve düşük alev direnci gibi dezavantajları vardır. Bu gibi nedenlerle PP'ye elyaf türevleri, mineral katkılar, talk, karbon bazlı nanoyapılar vb. çeşitli dolgu ve takviyeler eklenerek mekanik ve termal performansı yükseltilerek kullanım alanı genişletilmektedir. Talk, kalsiyum karbonat, kaolin, cam elyaf gibi mikro ölçekli ve nano kil, oksitler, karbon nanotüp (CNT), grafen ve türevleri gibi nano ölçekli dolgular, polimer matrislerin boyutsal kararlılığını, sertliğini, ısıl dayanımını ve zamanla şekil değiştirme direncini geliştirmek için tercih edilmektedir. Talk, teknik ve ekonomik açıdan cazip olup sertlik, düşük büzülme, daha düşük termal genleşme katsayısı ve artmış termal direnç sağlamaktadır. Buna karşın grafen türevleri gibi karbon bazlı dolgular, çok düşük oranlarda bile modül ve dayanımı belirgin artırabilen yüksek özgül yüzey alanı ve yük transfer verimliliği sunmaktadır. Hibrit yaklaşım talkın boyutsal kararlılık ve ısıl avantajlarını, rGO'nun arayüz etkileşimi ve yük taşıma kapasitesiyle birleştirerek PP'nin eksiklerini daha dengeli biçimde gidermeyi hedeflemektedir. Grafen, sp² hibritleşmiş karbon atomlarının bal peteği düzeninde tek katmanlı, iki boyutlu kristalidir; olağanüstü çekme modülü (TPa mertebesi), yüksek ısı ve elektrik iletkenliği ve çok düşük yoğunluğu ile bilinmektedir. Grafen oksit (GO), grafenin oksitlenmesiyle elde edilmiştir ve bazal düzlem ve kenarlarda hidroksil, epoksit, karbonil ve karboksil gibi oksijenli gruplar taşımaktadır. Bu gruplar GO'yu hidrofilik kılmaktadır ve polar polimerlerle güçlü arayüz etkileşimine zemin hazırlamaktadır, ancak elektriksel olarak yalıtkan davranışa yol açmaktadır. GO'nun termal ya da kimyasal indirgenmesiyle elde edilen rGO'nun C/O oranı fazladır ve özellikleri grafene benzemektedir. Böylece elektriksel iletkenliği iyileşmiş ve özgül yüzey alanı artmıştır. rGO'da kalan kusurlar ve oksijenli kalıntılar, tamamen kusursuz grafen davranışına engel olsa da polimer kompozitlerde arayüz bağlanmasını ve yük transferini güçlendiren etkileşim noktaları sağlayabilmektedir. Grafen temelli polimer kompozitlerin hazırlanmasında üç temel yöntem öne çıkmaktadır: çözelti karıştırma, yerinde polimerizasyon ve eriyik karıştırma. Termoplastik PP için eriyik karıştırma özellikle yaygın olarak uygulanmaktadır. Ekstrüder ve karıştırıcı gibi ekipmanlarla yüksek sıcaklıkta polimer yumuşatılmakta ve dolgu matris içinde dağıtılmaktadır. Dağılım kalitesi sıcaklık profili, vida, rotor hızı, besleme debisi, vida konfigürasyonu ve karıştırma süresine duyarlıdır. Literatürde PP–grafen nanokompozitlerinin çift vidalı ekstrüderle 200 °C civarında hazırlanarak, karışım öncesi malzemelerin düşük sıcaklıkta kurutulmasıyla dağılımın iyileştirildiği örnekler mevcuttur. Bu çalışmada PP matrisi, talk ve rGO ile farklı oranlarda hibrit olarak takviye edilmiştir. Numuneler iki farklı işleme hattıyla üretilmiştir. PP/Talc20 ve PP/rGO10 kompozitleri çift vidalı ekstrüderde; PP/Talc18/rGO1, PP/Talc16/rGO2, PP/Talc14/rGO3, PP/Talc12/rGO4, PP/Talc10/rGO5, PP/Talc10, PP/Talc12 ve PP/Talc 4 kompozitleri eriyik mikserde hazırlanmıştır. Karakterizasyon için kimyasal yapıların tespitinde Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), erime noktası, kristalinite sıcaklığı ve kristal yüzdesi belirlenmesinde Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), ısıl davranışlarının analizinde Termogravimetrik Analiz (TGA), mekanik performansların gözlenmesinde çekme, eğme ve darbe testleri uygulanmıştır. Bu analizler, talk ve rGO'nun tekli ve birlikte etkilerini, ayrıca işleme koşullarının dağılım ve performans üzerindeki rolünü karşılaştırmalı olarak inceleme olanağı sağlamıştır. Karakterizasyon sonuçları incelendiğinde FT-IR analizi, PP'de karakteristik –CH₃ ve –CH₂ bantlarının korunduğunu göstermiştir. Talk ilavesi ile OH deformasyonu ve Si–O–Si ile Mg–O gerilmelerine karşılık gelen yeni pikler ortaya çıkmış, bu da talkın matris içinde başarılı şekilde dağıldığını göstermiştir. rGO içeren hibritlerde ise PP/Talk sistemlerindeki temel pik pozisyonları korunmuş; böylece talk ve rGO'nun belirgin bir kimyasal bozunmaya yol açmadan PP matrisine dahil olduğu ve arayüz oluşturduğu doğrulanmıştır. DSC sonuçları, erime sıcaklıklarının büyük ölçüde değişmediğini ve dolayısıyla PP kristal yapısının korunduğunu ortaya koymuştur. Talk ve rGO, nükleasyon ve dağılım etkisiyle kristal morfolojiyi etkilemiş, özellikle rGO'nun yüksek özgül yüzey alanı bazı kompozisyonlarda kristallik derecesini artırmıştır. Hibrit talk+rGO kullanımı kristallenme kinetiğini hızlandırmış ve daha düzenli lamel oluşumuna katkıda bulunmuştur. TGA analizleri, saf PP'nin tek basamaklı ayrışma gösterdiğini, ancak talk ve rGO ilavesiyle ayrışma başlangıç ve maksimum kütle kaybı sıcaklıklarının arttığını ortaya koymuştur. Talk, yüksek ısı kapasitesi ve bariyer etkisiyle termal kararlılığı güçlü biçimde artırırken, rGO daha sınırlı fakat ölçülebilir bir katkı sağlamıştır. Hibrit sistem, uçucu ürün difüzyonunu geciktirerek ısıl bozunmayı yavaşlatmıştır; bu özellik, motor bölmesi gibi yüksek termal yüklerin görüldüğü otomotiv uygulamaları için avantajlıdır. Mekanik performans açısından, çekme testleri rGO'nun PP'nin çekme dayanımını belirgin biçimde artırdığını göstermiştir. Talk ise tek başına sınırlı bir iyileşme sağlamıştır. En yüksek çekme dayanımı artışı yaklaşık %18'lik artış ile PP/Talk10/rGO5 kompozitinde gözlenmiştir; bu, rGO'nun yüksek yüzey alanı ile matris-dolgu arayüzünde verimli yük transferi sağlaması ve talkın boyutsal kararlılıkla çatlak ilerlemesini sınırlamasıyla açıklanmıştır. Ancak dolgu fazlarının rijitliği nedeniyle kopma uzaması düşmüş ve dolgu içeriği arttıkça kırılganlık artmıştır. Bu nedenle hibrit kompozitler, otomotiv parçaları için çekme dayanımı ve rijitliği yeterli düzeyde sağlarken büyük uzama gerektirmeyen uygulamalarda uygun bir denge sunmuştur. Eğme testlerinde en yüksek modül artışı %66,61 ile rGO tek başına kullanılan PP/rGO10 kompozitinde gözlenmiş, bu durum rGO-matris arayüz bağlanmasının yük transferinde oldukça verimli olduğunu göstermiştir. Hibrit sistemlerde rGO içeriği arttıkça modül genel olarak yükselmiş, ancak işleme ve dispersiyon sınırlamaları nedeniyle küçük doğrusal olmayan dalgalanmalar görülmüştür. Eğilme dayanımı açısından, rGO tek başına artış sağlarken talk içeren formülasyonlarda hafif düşüşler gözlenmiş, plaka-benzeri talk morfolojisi ve gerilme yığılmaları ilebu durum açıklanmıştır. Hibrit sistemler ise talkın boyutsal katkısını korurken rGO'nun arayüz ve yük taşıma etkisinden yararlanarak pratik bir optimum sunmuştur. Darbe dayanımı söz konusu olduğunda, talkın sertleştirici etkisi ve artan kristallik nedeniyle çoğu hibrit ve talklı numune saf PP'ye kıyasla daha düşük performans göstermiştir. Bu, çatlak başlatma ve ilerlemesinin talk tabakaları çevresinde kolaylaşması ve matris sünekliğinin azalması ile açıklanmıştır. Tek istisna PP/rGO10 kompozitidir; burada rGO ile matris arayüzü, olası mikro-çekirdekli delaminasyon ve çekme mekanizmalarıyla enerjiyi daha verimli dağıtarak darbe dayanımını artırmıştır. Yüksek hızda darbe yüklerine maruz parçaların tasarımında, talk ve rGO oranlarının darbe performansı üzerindeki zıt etkileri göz önünde bulundurularak hibrit kompozit oranları optimize edilmelidir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, hibrit dolgu yaklaşımının polimer kompozit tasarımında etkin bir strateji olduğunu ve farklı dolgu oranlarının malzemenin performansını hedeflenen uygulamalara göre yönlendirebileceğini göstermektedir. Hibrit katkı kullanmak polimer performansını iyileştirmek için potansiyel gösteren bir çalışmadır. Bu çalışmada optimum özellikleri PP/Talk10/rGO5 örneğinin gösterdiğini söylemek mümkündür.

Özet (Çeviri)

Polypropylene (PP) is a widely used thermoplastic polymer owing to its low production cost, low density, high chemical resistance and easy processability. Polymers have been widely used in sectors such as automotive, aerospace, coatings and packaging due to these advantages. In the automotive industry, PP has been preferred for interior and exterior components due to its high mechanical strength, moldability and recyclability. However, reduced impact resistance at low temperatures, poor performance at high temperatures, UV degradation and creep under sustained loads have been limitations of PP, which have restricted its applications. Additionally, PP has had low flame resistance, which has raised safety concerns. The growing demand for lightweight, high performance and sustainable materials in the automotive industry has accelerated the replacement of metals with polymers and polymer composites. To overcome these limitations and enhance performance of PP, various fillers have been incorporated into the polymer matrix to create composites. Fillers have improved mechanical and thermal properties, dimensional stability and cost effectiveness. Micro scale fillers, such as talc, calcium carbonate, kaolin and glass fibers have been widely used for their availability and ease of processing. They have increased stiffness, thermal resistance and surface quality of PP composites. In recent years, nano scale fillers, particularly graphene-based materials, have gained attention because of their high surface area and ability to enhance polymer properties even at low concentrations. Graphene has exhibited exceptional mechanical strength, thermal conductivity and electrical properties. Graphene oxide (GO) has been hydrophilic, enabling strong interfacial interaction with polar polymers, while reduced graphene oxide (rGO) has retained graphene-like properties and has offered high surface area, improving both mechanical performance and thermal stability in polymer matrices. rGO has been synthesized through thermal or chemical reduction, with thermal reduction having been preferred for its eco-friendly and non-toxic characteristics. Graphene based polymer composites have been prepared using solution mixing, in situ polymerization or melt mixing. Melt mixing has been particularly suitable for industrial scale production, as it has allowed uniform dispersion of fillers at high temperatures without using solvents. Processing parameters such as temperature, screw speed, feeding rate and mixing time have significantly influenced the final composite properties. In this study, PP based composites were prepared using talc and rGO as hybrid fillers at different ratios. The hybrid use of the fillers was expected to exhibit a synergistic effect, further improving the properties of PP. Samples were produced using a twin-screw extruder and melt mixer and were characterized via Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), tensile, flexural and impact tests. FT-IR results confirmed that talc and rGO were successfully incorporated into the PP matrix without inducing chemical degradation. DSC analysis showed that the melting temperature remained largely unchanged, while rGO and talc enhanced the degree of crystallinity and accelerated crystallization kinetics. TGA findings indicated that both fillers improved the thermal stability of PP, with talc providing a pronounced barrier effect that delayed degradation. Mechanical testing revealed that rGO significantly improved tensile and flexural strength, whereas talc contributed more modestly; the highest tensile strength (~18% increase) was observed in the PP/Talc10/rGO5 composite. Increasing filler content reduced elongation at break and increased brittleness. Impact strength decreased in talc filled systems due to embrittlement but improved in the PP/rGO10 composite through efficient interfacial energy dissipation. Overall, the hybrid PP/Talc/rGO systems offered a balanced improvement in mechanical and thermal properties, making them promise for automotive applications. Consequently, the hybrid incorporation of talc and rGO effectively balanced the enhancement of both the mechanical and thermal properties of PP. While talc contributed to dimensional stability and thermal resistance, rGO improved tensile and flexural performance through efficient interfacial interactions. Impact strength was reduced due to the stiffening effect of talc; however, the presence of rGO partially compensated for this loss. Overall, the hybrid PP/Talc/rGO systems provided a favorable balance of light weight and strength, offering sustainable and cost-effective solutions that aligned with the automotive industry's objectives of fuel efficiency, reduced CO₂ emissions, and improved safety.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    1007869

    Development and optimization of natural fiber–reinforced thermoplastic compounds for sustainable lightweight automotive components

    Sürdürülebilir hafif otomotiv bileşenleri için doğal elyaf takviyeli termoplastik bileşiklerin geliştirilmesi ve optimizasyonu

    NARGIZ ALIYEVA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURCU SANER OKAN

  2. Tez No

    717319

    Otomotiv sektöründe kullanılmak üzere çevre dostu yeni nesil doğal lif takviyeli kompozit malzemelerin geliştirilmesi

    Development of environmentally, ecofriendly, and new generation natural fiber reinforced green composite materials for the automotive industry

    ALİ AVCI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET SAFA BODUR

  3. Tez No

    838085

    Improving the thermal conductivity of fiber-reinforced concrete panels for exterior facades with phase change materials

    Diş cepheler için elyaf takviyeli beton panellerin ısı ı̇letkenliğinin faz değiştiren malzemelerle ı̇yileştirilmesi

    YALDA SAFARALIPOUR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER

  4. Tez No

    871463

    Sürekli kenevir lif takviyeli poliüretan kompozitlerin morfolojik, fiziksel ve mekanik özelliklerinin araştırılması

    Investigation of morphological, physical and mechanical properties of continuous hemp fiber reinforced polyurethane composites

    SERHAT GÜÇLÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiBursa Teknik Üniversitesi

    Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMER YUNUS GÜMÜŞ

  5. Tez No

    332958

    Mekanik olarak stabilize edilmiş zemin duvarlarının statik yükler altındaki davranışlarının incelenmesi

    Analysis of mechanically stabilized earth (MSE) walls under static loadings

    EZGİ ERGÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BERRAK TEYMÜR

Geri Dön