Kimyasal olarak modifiye edilmiş lignoselüloziklerden termoplastik kompozit üretimi

Abstract

Bu çalışmada kimyasal olarak modifiye edilmiş lignoselüloziklerin (Karaçam odun unu, MDF tozu ve jüt lifi) Yüksek Yoğunluklu Polietilen (YYPE) ve Polipropilen (PP) matrislerine ilave edilmesi ile termoplastik kompozitler üretilmiş ve bu kompozitlerin karakterizasyonu yapılmıştır. Kompozit üretiminin ilk aşamasında lignoselülozik maddeler mikrodalga destekli reaksiyon düzeneğinde kimyasal modifikasyon işlemine tabi tutulmuşlardır. Lignoselülozik maddelerin kimyasal modifikasyonu için Asetik anhidrit (AA), Propiyonik anhidrit (PA) ve Bütirik anhidrit (BA) kullanılmıştır. Kompozit üretiminin ikinci aşamasında ise çift burgulu ekstruder kullanılarak kompozit pelletleri elde edilmiştir. Daha sonra elde edilen kompozit pelletlerinden sıcak pres kalıplama tekniği ile ASTM standartlarına uygun kompozit levhalar üretilmiş ve test örnekleri hazırlanmıştır. Üretilen kompozit örneklerinin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirlemek için ASTM standartlarına göre su alma, çekme, eğilme ve darbe direnci testleri yapılmıştır. Termal ve morfolojik özelliklerini belirlemek için ise sırasıyla TGA ve DSC analizleri ile SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) analizleri yapılmıştır. Lignoselülozik maddelerin kimyasal modifikasyonu sonrası %4 ile %23 arasında değişen ağırlık kazancı yüzdeleri (WPG) elde edilmiştir. Ayrıca lignoselülozik maddelerin kimyasal modifikasyonu sonrası yapılan FTIR analizinden elde edilen spektrumlarda 1740 cm-1 civarında bulunan karbonil (C=O) grubuna ait pik şiddetlerinde artış görülmüştür. Yapılan su alma testlerinin sonuçlarına göre kimyasal olarak modifiye edilmiş lignoselülozik madde ilaveli kompozitlerin modifiye edilmemiş kontrol örneklerine kıyasla su alma miktarlarında önemli azalmalar görülmüştür. TGA analizi sonuçlarına göre kimyasal olarak modifiye edilmiş lignoselülozik madde katkılı kompozitlerin termal kararlığında artış görülmüştür. Bunlara ilaveten kontrol kompozit örnekleri ile kıyaslandığında kimyasal olarak modifiye edilmiş lignoselülozik madde katkılı YYPE kompozitlerin mekanik özelliklerinde önemli miktarda bir iyileşme görülürken, PP kompozitlerin mekanik özelliklerinde ise kayda değer bir değişiklik görülmemiştir. Mekanik testlerden elde edilen verilere göre farklı zincir uzunluğuna sahip anhidritler ile yapılan kimyasal modifikasyon işlemi sonucunda lignoselülozik maddelere bağlanan asetil, propil ve bütil gruplarına bağlı olarak farklı mekanik özelliklerin oluştuğu tespit edilmiştir. Genel olarak modifiye edici kimyasalların zincir uzunluğu artışı (AA>PA>BA) ile YYPE kompozitlerin mekanik özelliklerinde zayıflama gözlemlenirken PP kompozitlerin mekanik özelliklerinde ise kayda değer bir değişiklik görülmemiştir. Yine mekanik test sonuçlarına göre üretilen bütün modifiye edilmiş lignoselülozik katkılı kompozit örnekleri içerisinde en iyi çekme, eğilme ve darbe direnci özellikleri AA modifiyeli jüt lifi ilaveli kompozitlerde tespit edilmiştir.

In this study, thermoplastic composites were produced and characterized by adding chemically modified lignocellulosics (Black pine sawdust, MDF dust and Jute fiber) into High Density Polyethylene (HDPE) and Polypropylene (PP) matrices. In the first stage of composite production, lignocellulosic materials were subjected to chemical modification process using a microwave-assisted reaction system. For the chemical modification of lignocellulosic materials, acetic anhydride (AA), propionic anhydride (PA) and butyric anhydride (BA) were used. In the second stage of composite production, composite pellets were obtained using a twin-screw extruder. Then, the composite boards were produced from the obtained composite pellets via compression molding technique and test specimens were prepared in accordance with ASTM standards. In order to determine the physical and mechanical properties of the produced composite samples, water uptake, tensile, bending and impact strength tests were performed according to ASTM standards. Thermal and morphological properties were determined by using TGA and DSC analyzes along with SEM (Scanning Electron Microscopy), respectively. After chemical modification of the lignocellulosic materials, weight percentage (WPG) values changing between 4% to 23% were achieved. Moreover, an increase was observed in the peak intensities of the carbonyl (C=O) group, which is around 1740 cm-1 in the spectra obtained from the FTIR analysis performed after chemical modification of the lignocellulosic materials. According to the results of water uptake tests, significant reductions in water uptake values of chemically modified lignocellulosic material-added composites were observed compared to the unmodified control samples. According to TGA analysis results, the thermal stability of chemically modified lignocellulosic material-added composites increased. In addition, when compared with the control composite samples, a significant improvement was observed in the mechanical properties of chemically modified lignocellulosic material-added HDPE composites, while a significant change was not observed in the mechanical properties of the PP composites. According to the results obtained from mechanical tests, it was found that different mechanical properties arose as a result of chemical modification with anhydrides having different chain lengths due to acetyl, propyl and butyl groups bonded to lignocellulosic materials. In general, a decrease in the mechanical properties of the HDPE composites was observed with the increasing chain length (AA>PA>BA) of the modifying chemicals, while a significant change was not observed in the mechanical properties of the PP composites. Moreover, according to the mechanical test results, the best tensile, flexural and impact resistance properties were obtained for AA modified jute fiber-based composites among all modified lignocellulosic containing composites.