KOMPOZİT MALZEMELER: GİRİŞ

Transkript

1 KOMPOZİT MALZEMELER: GİRİŞ

2 Kompozit Malzeme Kavramı İki veya daha fazla, farklı özellikteki malzemelerin birleştirilmesi ile elde edilen ve bu malzemelerin daha önceki özelliklerinden çok daha farklı özellikler sunan malzemelere kompozit malzemeler denir. Lif takviyeli kompozit malzemeler destek yapısı ve matristen oluşur. Destek yapısı, malzemeye mukavemet ve sertlik kazandırırken matris destekleyiciler arasında yük transferini sağlar, malzemeye şekil verir, destekleyici yapıyı dış etkenlerden korur.

3 Kompozit malzeme sektörüne genel bakış 2010 yılı için dünya genelinde kompozit sektörü yıllık 10 milyon ton üretime ulaşmıştır. K. Amerika (%48) Avrupa ülkeleri (%29) Asya ülkeleri (%23) Dünya genelinde üretilen polimerik kompozitlerin yaklaşık %90 ı cam lifi takviyelidir. Kaynak: Nodal Consultants. DiGITIP Study for French Govt Service of Manufacturing Industries; 2001.

4 Amerika da cam lifi takviyeli kompozit üretimi: Kaynak: Alcock, M., Boyko, S., McKay, S., Market Potential for Biofibres to Replace E-Glass in Composite Materials, Marketing Report No: R02, Department of Agriculture and Agri-food Canada, Rev 1.0, 4 April, 2007.

5 K. Amerika da cam lifi formları (yılda toplam 632,000 ton cam lifi) Chopped strand+ Chopped strand mat 139,000 ton Doğal lifler 4-5cm Kaynak: Alcock, M., Boyko, S., McKay, S., Market Potential for Biofibres to Replace E-Glass in Composite Materials, Marketing Report No: R02, Department of Agriculture and Agri-food Canada, Rev 1.0, 4 April, 2007.

6 Avrupa da kompozit üretimi: Almanya (%27) İtalya (%17) Fransa (%16) Kaynak: Alcock, M., Boyko, S., McKay, S., Market Potential for Biofibres to Replace E-Glass in Composite Materials, Marketing Report No: R02, Department of Agriculture and Agri-food Canada, Rev 1.0, 4 April, 2007.

7 Asya kompozit üretimi: Japonya Çin Kore Hindistan Kaynak: Alcock, M., Boyko, S., McKay, S., Market Potential for Biofibres to Replace E-Glass in Composite Materials, Marketing Report No: R02, Department of Agriculture and Agri-food Canada, Rev 1.0, 4 April, 2007.

8 Kompozit pazarının değer olarak yarısını, hacimsel olarak ise %26 sını havacılık ve otomotiv sektörleri oluşturmaktadır. Kaynak: Nodal Consultants. DiGITIP Study for French Govt Service of Manufacturing Industries; 2001.

9 DOĞAL LİF TAKVİYELİ KOMPOZİTLER

10 Doğal lif kompozitleri Avrupa Komisyonu tarafından 2002 yılında çıkarılan ELV (End of Life Vehicles) yasasıyla birlikte Avrupa Birliği ülkelerinde üretilen araçların 2005 yılı itibariyle %85, 2015 yılı itibariyle ise %95 oranında geri dönüştürülebilir ya da biyolojik olarak parçalanabilir olması gerekmektedir. Bu yasayla birlikte otomobil üreticileri özellikle araçların iç bileşenlerinde cam lifi destekli plastik (GRP) malzemelerden ziyade doğal liflerle desteklenmiş termoset ya da termoplastik kompozitlere yönelmiştir. Kaynak: The European Parliament and the Council of the European Union. Directive 2000/53/EC of the European Parliament and the Council of End- of-life Vehicles. Journal of the European Communities October 21st, EG N 269 S. 34 L 269/34.

11 Bunun yanında çevresel kirlenme, küresel ısınma ve petrol kaynaklarındaki tükenme de petrol bazlı sentetik malzemelerden ziyade doğal lif kompozitleri kullanımını artırmaktadır. Otomotiv bileşenlerinde en fazla kullanılan doğal lifler sırasıyla keten, kenevir, jüt, sisal ve kenaf gibi sert liflerdir. Doğal lif kompozitleri

12 WPC ve NFC kavramları Tabii selülozik esaslı kesikli liflerin destek yapısı olarak polimerik malzemeler ile birlikte üretilerek meydana gelen kompozit yapılara tabii lif destekli (NFC) ve ağaç lifi destekli (WPC) kompozit yapılar denir. Ağaç lifi de tabii ve selülozik esaslı bir lif olmakla birlikte lif uzunluğu çok kısa (1-3 mm) olduğundan terminolojide lif (fibre) olarak değil çok kısa lifler için kullanılan talaş (whiskers) terimi ile nitelendirilmektedir.

13 Doğal Lif Takviyeli Kompozitlerin Tarihi Doğal lif takviyeli yeşil kompozitlerin otomotivde ilk kullanımı 1941 de Henry Ford tarafından üretilen bitkisel lif (kenevir) takviyeli soya yağı araç gövde panelleri ile olmuştur (Sağ üst resim) [Hanninen et al, 2010]. Ancak o tarihlerde sentetik reçinelerin doğal reçinelere göre çok daha ucuz olması bu malzemenin seri üretimine imkân vermemiştir. Bu yıllarda doğal lif takviyeli kompozitlerin otomotivde kullanımına diğer bir örnek ise 1958 yılında Almanya da VEB Sachsenring Automobilwerke Zwickau firması tarafından üretilen Trabant arabalarıdır (Sağ altta) Bu arabaların gövdesinde pamuk lifi takviyeli fenolik reçine kompozitleri kullanılmıştır [Sonntag W, at al. 2002].

14 Doğal Lif Takviyeli Kompozitlerin Tarihi Bilhassa, İkinci Dünya Savaşı ile birlikte kompozit endüstrisi cam lifi takviyeli kompozitlere doğru kaymıştır. Bu tarihlerde cam lifi takviyeli kompozitler hafif ve güçlü olmasının yanında radar sinyallerine karşı saydam olmasından dolayı savaş uçağı üretiminde kullanılmıştır. İkinci Dünya Savaşı ndan sonra kompozit endüstrisi tekne ve gemi sektörüne yönelmiş ve 1946 yılında ilk kompozit tekne üretilmiştir. Yine bu tarihten sonra kompozitlerin günlük hayatta kullanımı da yaygınlaşmıştır li yıllarda ilk petrol krizinin yaşanmasıyla birlikte doğal lif kompozitlerine ilgi yeniden sınırlı olsa da artmıştır [Hanninen et al., 2010] li yıllarda jüt ve sisal lifleriyle takviye edilmiş epoksi ve polyester reçinelerden ucuz bina malzemeleri üretilmiştir [Winfield et al, 1974], [Paramasivam et al, 1974]. Doğal lif takviyeli biyo-kompozitlerin modern anlamda doğuşu 1980 li yıllarda gerçekleşmiştir.

15 Doğal liflerin otomotiv endüstrisinde kullanımı 2004 yılı itibariyle dünya çapında yıllık araç üretimi yaklaşık 69 milyondur. Bu değerin 2020 yılı itibariyle 76 milyon a ulaşması beklenmektedir. Otomotivde karbon lifi takviyeli kompozitler gibi pahalı kompozitlerin yanında özellikle cam lifi takviyeli polyester (GRP) kompozitleri ve doğal lif takviyeli kompozitler gibi daha ucuz malzemeler de kullanılmaktadır. Kaynak. Thomas, G.S., Renewable Materials for Automotive Applications, Daimler- Chrysler AG, Stuttgart, 2000.

16 Kaynak: Khalil, H., The Canadian Opportunity for Bio-Fibres in Automotive Parts, Bio-material-Back to the Future Workshop, Winnipeg, Manitoba March 18-19, 2008

17 Doğal liflerin otomotiv endüstrisinde kullanımı Mercedes S sınıfı otomobillerin 27 bileşeni toplam ağırlığı 43 kg olacak şekilde doğal lif kompozitlerinden üretilmektedir. Kaynak: Thomas, G.S., Renewable Materials for Automotive Applications, Daimler- Chrysler AG, Stuttgart, 2000.

18 Kaynak: Bledzki, A.K., Faruk, O., Sperber, V.E., Cars from Bio-Fibres, Macromolecular Materials and Engineering, 291: , 2006.

19 Kaynak: Janssen E, Overview about Actual and Future Use of Fibersin Transportation, 49. Man-Made Fibers Congress Dornbirn/Österreich, September 2010

20 Otomotiv kompozitlerinden beklentiler Çekme mukavemeti ve kopma uzaması Young modülü Darbe dayanımı Koku özellikleri Yanmazlık Akustik özellikler Prosese yatkınlık (sıcaklık ve proses süresi) Boyutsal stabilite Su ve nem alım özellikleri Kaza durumunda kırılma karakteri

21 Doğal lif kompozitlerinin cam lifi takviyeli kompozitlere göre avantajları Yenilenebilirlik ve Ucuzluk Doğada biyolojik olarak parçalanabilirlik Geri dönüştürülebilirlik Sürdürülebilirlik Daha az makine ekipmanı yıpranması Üretim sırasında daha az enerji gereksinimi Kullanım ömrü bitiminde yakma suretiyle enerjinin geri dönüşümü Daha az sağlık ve güvenlik riski Düşük yoğunluk nedeniyle bu malzemelerden üretilen araç parçalarında hafiflik ve hafiflikten kaynaklanan yakıt tasarrufu Kolay şekil verilebilirlik Cam lifi takviyeli kompozitlerle yarışabilecek seviyede spesifik mekanik özellikler İyi akustik ve termal yalıtım özellikleri CO 2 dengesi

22 Doğal lif kompozitlerinin dezavantajları Yüksek hidrofillik Hidrofil doğal lifler ve hidrofob reçineler arasında uyumsuzluk ve buna bağlı arayüz sorunları Düşük darbe tokluğu Doğal liflerin üniform olmayan yapısı Düşük çalışma sıcaklığı gereksinimi (<200 ⁰C)

23 Doğal lifler vs. Cam lifleri Doğal lifler E-Cam lifi Yoğunluk Düşük (1,4-1,5 g/cm 3 ) Yüksek (2,55 g/cm 3 ) Fiyat dolar/kg 1.3 dolar/kg Yenilenebilirlik Yok Var Geri dönüşüm Mümkün Mümkün değil Enerji tüketimi Düşük (9.55 MJ/kg-keten) Yüksek (54.7 MJ/kg) CO 2 -nötral özellik Evet Hayır Makineyi aşındırma Yok Var Solunduğunda risk Yok Var Atık Biyo-parçalanabilir Biyo-parçalanabilir değil Çekme muk. (MPa) Young Modülü (GPa) Spesifik muk. (MPa/(g.cm 3 )) Spesifik mod. (GPa/(g.cm 3 )) Kopma uzaması (%) Nem alımı (%) Kaynak: Bledzki, A.K., Faruk, O., Sperber, V.E., Cars from Bio-Fibres, Macromolecular Materials and Engineering, 291: , 2006.

24

25 DOĞAL LİFLER

26 Doğal lifler Doğal Lifler: Bitkisel lifler (pamuk, keten, jüt v.s) Hayvansal lifler (yün, ipek) Mineral lifleri (asbest, bazalt) olmak üzere 3 e ayrılır. Otomotiv endüstrisinde kullanılan doğal lifler ağırlıklı olarak bitkisel esaslı liflerdir.

27 Doğal lifler

28 Doğal lifler Lif Yoğunluk Çap (µm) Çekme mukavemeti Young modülü Kopma uzaması Referans (g/cm 3 ) (MPa) (GPa) (%) Pamuk Mohanty et al., 2000 Bismarck et al, 2005 Jüt Mohanty et al., 2000 Keten Mohanty et al., 2000 Bismarck et al, 2005 Kenevir Mohanty et al., 2000 Bismarck et al, 2005 Rami Mohanty et al., 2000 Sisal Mohanty et al., 2000 Ananas Mohanty et al., 2000 H. cevizi Mohanty et al., 2000 E-cam 2.5 < Mohanty et al., 2000 Bismarck et al, 2005 S-cam Mohanty et al., 2000 Aramid Mohanty et al., 2000 Karbon Mohanty et al., 2000 Bismarck et al, 2005

29 Doğal lifler Lif Selüloz Hemiselüloz Lignin Pektin Nem Yağ/mum Mikrofibriler (% ağ.) (% ağ.) (% ağ.) (% ağ.) (% ağ.) (% ağ.) açı (der.) Keten Kenevir Jüt Kenaf Rami Sisal Ananas Muz Abaca Pamuk H. cevizi Saman Kaynak: Bismarck et al, 2005

30

31 Doğal lifler

32 Bitkisel lifler botanik bilimine göre 6 sınıfa ayrılmaktadır: Sak kabuğu lifleri (Bast fibers): Jüt, keten, kenevir, rami ve kenaf. Yaprak lifleri (leaf fibers): Muz, sisal, agav, ananas. Tohum lifleri (seed fibers): Pamuk, hindistan cevizi, kapok. Çekirdek lifleri (core fibers): Kenaf, kenevir, jüt. Otsu lifler (grass fibers): Buğday, pirinç sapı. Odunsu lifler ve kökler. Doğal lifler

33 Sak kabuğu lifleri (Bast Fibres): Bitki gövdelerinin dış katmanlarından elde edilen liflere denir. Kompozit üretiminde en çok kullanılan lif grubudur. Bu grubun en önemli üyeleri ılıman iklimlerde yetişen keten, kenevir, ile tropikal iklimlerde yetişen jüt ve kenaftır. Sak kabuğu lifleri

34 Keten (Linum usitatissimum) Genelde Mart-Mayıs aylarında ekilir ve türüne bağlı olarak 1 metreye kadar büyüyebilir. Keten son zamanlarda otomotiv iç komponentlerinde çok miktarda kullanılmaktadır. Yıllık keten üretimi 830,000 tondur. En önemli keten üreticileri Fransa, Belçika, Hollanda ve Kazakistan dır. Kaynak: Summerscales, J., Dissanayake, N.P.J., Virk, A.S., Hall, W., A Review of Bast Fibres and Their Composites. Part 1 Fibres as Reinforcements, Composites: Part A (41): , Jute production and Trade, accessed at

35 Kenevir (Cannabis sativa L.) Asya orjinli bir bitkidir. Çin de 4500 yıldan beri üretilmektedir. Kenevir lifi gübre ya da böcek ilaçlarına gerek duymadan yetişebilir. Dolayısıyla üretim maliyeti düşüktür. Uygun ılıman koşullarda sadece 12 haftada 4 m büyüyebilir. Yılda 2-3 kez ekilebilir. Yıllık kenevir üretimi 214,000 tondur. Başlıca üreticiler Çin, İtalya, Yugoslavya ve Rusya dır. Kaynak: Summerscales, J., Dissanayake, N.P.J., Virk, A.S., Hall, W., A Review of Bast Fibres and Their Composites. Part 1 Fibres as Reinforcements, Composites: Part A (41): , Jute production and Trade, accessed at

36 Jüt (Corchorus capsularis) Corchorus capsularis (beyaz jüt) ve Corchorus olitorius (siyah jüt) Jüt pamuktan sonra ikinci en çok üretilen doğal liftir m büyüyebilir. Başlıca jüt yetiştiriciler Bangladeş, Hindistan, Brezilya, Çin ve Endonezya dır. Yılda 2-3 kez ekilebilir. Jüt takviyeli termoplastikler Alman otomotiv endüstrisinde büyük kullanım alanı bulmuştur (1996 da 4000 ton iken 1999 da 21,000 ton). Yıllık jüt üretimi 2,300,000 ton dur. Bu üretimin %60 ı hindistan, %35 kadarı Bangladeş tarafından üretilir. Kaynak: Summerscales, J., Dissanayake, N.P.J., Virk, A.S., Hall, W., A Review of Bast Fibres and Their Composites. Part 1 Fibres as Reinforcements, Composites: Part A (41): , Jute production and Trade, accessed at

37 Kenaf (Hibiscus cannabinus) Afrika orjinlidir. Afrika ve Asya nın tropikal bölgelerinde yetişir. Kenaf yılda 2-3 kez ekilebilir. Kenaf 4 5 ay içerisinde 4 6 m boya erişir. Yıllık kenaf üretimi 970,000 tondur. Kaynak: Summerscales, J., Dissanayake, N.P.J., Virk, A.S., Hall, W., A Review of Bast Fibres and Their Composites. Part 1 Fibres as Reinforcements, Comp: Part A (41): , 2010.

38 Doğal liflerin yapısı Selüloz içeriği Polimerizasyon derecesi Kristalizasyon derecesi Mikrofibriler açı John, M.J., Thomas S., Biofibres and biocomposites, Carbohydrate Polymers, 71: , Charlet K., Baley C., Morvan C., Jernot J.P.,Gomina M, Breard J., Characteristics of Herme`s flax fibres as a function of their location in the stem and properties of the derived unidirectional composites, Composites part A: 38, 2007,

39 Doğal liflerin yapısı Doğal lifler: Selüloz Hemiselüloz Pektin Lignin Yağ moleküllerinden oluşur.

40 DOĞAL LİF KOMPOZİTİ ÜRETİM YÖNTEMLERİ

41 Doğal lif kompoziti üretimi: Üretim yöntemleri 2005 yılı itibariyle üretilen doğal lif takviyeli kompozitlerin %96 sı basınçlı kalıplama yöntemiyle üretilmekteydi. Son 5 yılda ise enjeksiyon kalıplamanın önemi gittikçe artmaktadır. Carus, M.; Müssig, J.; Gahle, Ch. 2008: Naturfaserverstärkte Kunststoffe. FNR e.v., Gülzow

42 Kaynak: Mieck, K. P., Stand und Entwicklung des Einsatzes von Naturfasern und umweltfreundlich hergestellten Cellulosefasern für Composites Eine werkstoffliche Betrachtung, Proceedings: 2. Internationales Symposium Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen, Erfurt/Germany, 01./02. September 1999.

43 Üretim yöntemleri-basınçlı Kalıplama Bu yöntem doğal lif takviyeli termoset ya da termoplastik üretiminde kullanılır. Termoplastik üretiminde doğal lif ve termoplastik lif keçeleri tabakalar halinde üstüste konularak sıcak kalıpta ısıtılır. Böylece termoplastik eriyerek uygulanan basınçla life penetre olur. Daha sonra kalıp soğuk prese taşınarak soğutulur.

44 Bu yöntemde 80-90mm uzunluğunda lifler kullanılır. Kaynak: Törnqvist R., Maier, W., Natural Fiber Reinforced Termoplastics Tailored for Interior Applications, Quadrant Plastic Composites.

45 Kaynak: Törnqvist R., Maier, W., Natural Fiber Reinforced Termoplastics Tailored for Interior Applications, Quadrant Plastic Composites.

46 Otomotivdeki Üretim Hattı

47

48 Bu yöntemde lif granülleri bir ısıtma bölgesine gelirler. Burada lifler ve termoplastik matris birleştirilerek istenen lifpolimer oranına sahip paletler oluşturulur. Bu yöntemde 4-6 mm uzunluğunda kısa keten, kenevir ve jüt lifleri kullanılır. Lifler polimer ile tek ya da çift vidalı ekstruderde birleştirilir. Buradan elde edilmiş olan peletler, enjeksiyon kalıplama makinelerinde nihai ürüne dönüştürülür. Üretim yöntemleri-enjeksiyon Kalıplama

49 OTOMOTİVDE UYGULAMA ALANLARI

50 Motor kısmı İç panel Bagaj ve Arka kısım

51 Kullanım Gerekçeleri Ses yalıtımı Hafiflik Göreceli maliyet avantajı Geri dönüşüm kabiliyeti

52 Motor kısmı

53 İç Panel

54 İç panel

55 İç Panel

56 İç panel

57 Bagaj ve Arka Kısım

58 Bagaj ve Arka Kısım

59 NFC ve Ses Yalıtımı

60 Ses Yalıtımı

61 Ses Yalıtımının Dört Temel Prensibi

62 Otomobilde Sesin Kaynakları

63 NFC panellerin Ses Yalıtımı ve Diğer İlave Katkıları Ağırlık düşüşü Ses emiciliğinde artış ve yalıtım paneli kalınlığında azalma EM kalkanlama gibi ilave fonksiyonların kolaylıkla sağlanabilmesi Isıl yalıtımın iyileştirilmesi gibi ilave fonksiyonların kolaylıkla entegrasyonu

64 Ses Yalıtım Keçesi

65 Kullanılan Liflerin Özellikleri

66

67 Otomotiv Endüstrisindeki Son Eğilimler ve Beklentiler

68 Hafif malzemeler kullanılarak araç ağırlığının düşürülmesi Geri dönüşüme uygun lif katkılı polimer esaslı panellerin kullanımı Kullanılan tüm polimerik ve tekstil esaslı malzemelerdeki kimyasal madde ve gaz emisyonunu azaltılması Üretim hattında toz misyonunun azaltılması Üretim bandındaki telef miktarının azaltılması ve buna yönelik hat modifikasyonları

69