Basınç altında üretilen polimer kompozitlerde geleneksel ve ileri elyafların mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi

Abstract

Teknolojik ilerlemeler beraberinde daha üstün özellikli malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Geleneksel malzemelerin karşılayamadığı bu özellikler kompozit olarak isimlendirilen malzemelerle karşılanabilmektedir. Kompozitlerde mukavemeti sağlayan malzemeler elyaflardır ve mekanik özellikleri iyileştirmek için genellikle elyaf takviye malzemeler modifiye edilmektedir. Kompozitlerin en önemli dezavantajları uzun sürede ve yüksek maliyette üretilebilmeleridir. Otomotiv gibi zamana duyarlı endüstriler için kısa çevrim süresi ve üstün nihai ürün özelliklerinden dolayı SMC (Sheet moulding compound) kompozit üretim yöntemi avantaj sağlamaktadır. Klasik SMC yönteminde düşük oranda kısa rasgele elyaf ve polyester reçine kullanımı sonucu malzemede istenildiği kadar rijitlik sağlanamaz. Yeni malzemelerin ortaya çıkışı ve karbon elyaf gibi mevcut malzemelerin ucuzlaması, bu yeni üstün performanslı elyaf malzemelerin SMC yönteminde kullanımını arttırmıştır. Bu çalışmada; daha üstün mekanik özellikler kazandırmak için farklı tipte (kesikli, sürekli, dokuma gibi) ve farklı (cam, bazalt, aramit, karbon gibi) elyaflar ve bu elyaflara uygun reçine malzemeler kullanılmıştır. Bazalt, aramit elyafların farklı tipleri ilk kez bu çalışmada SMC yönteminde denenmiştir. Dokuma elyaflarla üretilen SMC kompozitlerde, bazalt elyafla diğer elyaflara göre en iyi çekme gerilmesi ve eğilme gerilmesi sonucu alınmıştır. Aynı ağırlık oranında SMC ile ilk kez cam dokuma elyaf kullanılmış, klasik SMC'deki kesikli rasgele elyafa göre yaklaşık %103 daha yüksek çekme gerilmesi değeri elde edilmiştir. Bu elyaflarda polyester yerine vinil ester reçine kullanımının mekanik özelliklere çok ciddi bir katkısının olmadığı da görülmüştür. Bunların dışında cam, bazalt, karbon aramit, elyafların farklı tipleri kullanılarak elde edilen sonuçlar birbiri ile ve kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Sürekli elyaf takviyeli SMC kompozitlerde numunelerin ortalama değerleri incelendiğinde 69,64 MPa ile bazalt elyaf en düşük değerde çıkarken 260,54 MPa değer ile karbon elyaf en yüksek değerde çıkmıştır. Aynı üretim koşulları ve formülasyon kullanılmasına rağmen farklı elyafın kullanımı ile çekme dayanımı yaklaşık %376 artmıştır. Kompozit malzemelerde hasar matris çatlakları ile başlar. Matrisin dayanımını ve dolayısıyla kompozitin dayanımını artırmak için CaCO3 dolgu maddesi yerine bazalt partikül kullanılarak kompozit malzemenin çekme dayanımı yaklaşık %15, eğilme dayanımı ise yaklaşık %8 arttırılmıştır.

The development of technology needs novel functional materials (e.g. lightweight, high temperature resistance and high-strength materials) that can be used in many applications. The traditional materials, like metals, plastics and ceramics do not fulfill these requirements. Polymer composites are composed of an inorganic reinforcement material and a polymeric matrix, providing the desired combination of mechanical, chemical and thermal resistance features. The major disadvantages of composites may be produced in a long time and high cost. The sheet moulding compound (SMC) is one composite preparation method which is preferred due to its distinct advantages such as short cycle time, design flexibility, dimensional stability, consolidation of parts, high strength, light weight, moderate tooling and finishing costs and corrosion resistance. Generally the SMC method consists of polyester or vinyl ester resin, chopped glass fibers, inorganic fillers, additives, and other materials. The ratio of distribution of the fibers in the prepreg materials and maturation are the factors affecting the mechanical properties. In this study; to gain superior mechanical properties, different types (discontinuous, continuous or woven, glass, basalt, aramid and carbon fibers) fibers are used in vinyl ester and polyester resins. The composite produced from woven glass fiber showed approximately 103% tensile strength (137.29 MPa) value compared to randomly distributed glass fiber composites (67.58 MPa), in which all fibers were feed with same weight percentage. Compared to the woven fibers, the composite produced from basalt fiber displayed highest tensile and flexure stress results. The type of resin either polyester or vinyl ester did not bring significant enhancements on the mechanical properties. In addition, type of fibers (discontinuous or woven) are investigated for all fibers (glass, basalt, carbon and aramid). The composite produced from continuous fibers showed approximately 376% higher tensile strength (260.54 MPa) value compared to continuously distributed fiber composites (69.65 MPa), in which all fibers were feed with same weight percentage. Moreover, basalt particles have been investigated as a novel additive for the production of glass fiber reinforced composite in SMC method. Compared to the calcium carbonate (calcite, CaCO3) that are widely used as filler in the SMC composite, the resulting composites exhibit improved mechanical properties (tensile strength increased by approximately 15%, whereas the flexural strength enhanced 8%).