Grafen Takviyeli PS Kompozitlerinin Yapisal, Isil Ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi

Abstract

Günümüzde nanopartikül takviyeli kompozitlerin endüstriyel kullanımı giderek artmaktadır. Kullanılan nanopartikül takviyeleri ile kompozitin birçok özellliğinde iyileşme sağlanabilmiştir ve bu durum onları birçok alanda tercih sebebi yapmaktadır. Nanopartiküllerle üretilen kompozit malzemeler diğer yöntemlerle üretilen malzemelere göre daha fonksiyonel ve üstün özelliklere sahiptir. Kompozitlerin kullanıldığı alanlardan biri de yalıtım malzemeleridir. Eklenen farklı takviyelerle bu malzemelerin özellikleri geliştirilmektedir. Bu çalışmada polistiren matris içerisine farklı ağırlık oranlarında 30 µm parçacık boyutlu grafen takviyesi ile kompozit üretilmiştir. Saf polistirene ağırlıkça %0,1, 0,2 ve 0,3 oranlarında nano takviyeler eklenmiş ve plastik enjeksiyon yöntemiyle malzemeler üretilmiştir. Malzemelerin üretim aşamasında kristal polistirenler eritilip nano takviyelerle birleştirilip kalıplara dökülerek üretilmiştir. Birleştirme esnasında malzemelerin homojen dağılımı için 80 Rpm hızında 10 dakika boyunca karıştırılmıştır. Üretilen kompozit malzemelere mikroyapı karakterizasyonu için SEM analizi, mekanik ve ısıl özelliklerin belirlenmesi için sertlik, çekme ve TGA analizi yapılmıştır. Malzemelerin molekül yapıları incelendiğinde ise takviye malzemesinin saf polistirenin mikroyapısında anlamlı ölçüde değişikliğe sebep olmadığı görülmüştür. Çekme testlerinde grafen takviyeli kompozitler malzemenin yüzde uzamasını ortalama %1,3 arttırmıştur. Polistiren matris içerisine takviye edilen grafen partikülleri tane sınırları boyunca gerilme yığılmasına neden olduğundan, saf polistirene göre maksimum kopma dayanımı değerinde yaklaşık %30 oranında azalmaya neden olmuştur. Yapılan çalışmalarda grafen yapıda değişime neden olmamakla birlikte birçok özellikte anlamlı oranda iyileşme sağlamıştır.

Keywords

• Nanokompozit,grafen,plastik enjeksiyon

Investigation of Structural, Thermal and Mechanical Properties related to Graphene Reinforced PS Composites

Abstract

Nowadays, the industrial use of nanoparticle reinforced composites is increasing. With the nanoparticle reinforcements used, many properties of the composites may be improved and this makes them preferred in many areas. Composite materials produced with nanoparticles have more functional and superior properties than the materials produced by other methods.One of the areas where composites are used is insulation materials. The properties of these materials are improved by the addition of different reinforcements. In this study, 30 µm  particle size graphene reinforcement was produced in polystrene matrix with different weight ratios.Nano reinforcements of 0.1, 0.2 and 0.3% were added to pure polystyrene and materials were produced by plastic injection method. In the production stage of the materials, crystal polystyrene was melted and combined with nanoparticles and poured into molds. For homogeneous distribution of materials during jointing. Stirred at 80 rpm for 10 minutes. The materials produced are plate-shaped. SEM analysis for microstructure characterization of composite materials, tensile strength, hardness and TGA analysis were performed to determine mechanical and thermal properties.  When the molecular structure of the materials were examined, it was seen that the  reinforcing material did not cause any change in the microstructure of pure polystyren. In tensile tests, graphene doped composites increased the average percent elongation of the material by 1.3%. Since the graphene particles reinforced into the polystyrene matrix cause stress build-up along the grain boundaries, the maximum breaking strength value was reduced by about 30% compared to pure polystyrene. Although graphene did not cause changes in the studies, it has improved significantly in many features.

Keywords

• Nanocomposites,graphene,plastic injection

References

1. Ateş, S. (2011). SiC takviyeli etial 21 esaslı kompozit malzemelerin basınçlı infiltrasyon yöntemi ile üretimi ve özelliklerinin incelenmesi. Doktora Tezi, Kırıkkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine A.B.D., Kırıkkale, 1, 43-51.
2. Nieto, A., Boesl, A. B. (2015). Agarwal, Multi-scale intrinsic deformation mechanisms of 3D graphene foam. Carbon, 85 299-308.
3. Qiu, L., He, Z., Li, D. (2017). Multifunctional cellular materials based on 2D nanomaterials: prospects and challenges. Advance Materials, 30, 1-15.
4. Wei, W., Qu, X. (2012). Extraordinary physical properties of functionalized graphene. Small, 8, 2138-2151.
5. Liem, H., Choy, H.S. (2013). Superior thermal conductivity of polymer nanocomposites by using graphene and boron nitride as fillers. Solid State Commun, 163, 41-45.
6. Balandin, A., Suchismita, G., Wenzhong, B., Irene, C., Desalegne, T., Feng, M., (2008). Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Lett, 8, 902-907.
7. Bustillos, J., Montero, D., Nautiyal, P., Loganathan, A., Boesl, B. (2017). Integration of Graphene in Poly ( Lactic ) Acid by 3D Printing to Develop Creep and Wearresistant Hierarchical Nanocomposites, 3877-3888.
8. Khan, Z.U., Kausar, A., Ullah, H., Badshah, A., Khan, W.U. (2015). A review of graphene oxide, graphene buckypaper, and polymer/graphene composites: Properties and fabrication techniques. Journal of Plastic Film & Sheeting, 32(4), 336–379.

9. Wang, Y., Zhiqiang, S., Yi, H., Yanfeng, M., Chengyang, W., Mingming, C., et al., (2009). Supercapacitor devices based on graphene materials. Journal of Physical Chemistry, 113, 103-107.
10. Choi, B.G., Yang, M., Hong, W.H., Choi, J.W., Huh, Y.S. (2012). 3D macroporous graphene frameworks for supercapacitors with high energy and power densities. ACS Nano, 6, 4020-4028.
11. Shi, L., Yang, J., Yang, T., Hanxun, Q., Zheng, Q. (2014). RSC Advances Molecular level controlled fabrication of highly transparent conductive reduced graphene oxide/silver nanowire hybrid films. RSC Advances, 4, 3270-3277.
12. Karademir, İ. (2013). SiO2 takviyeli etial 21 esaslı kompozit malzemelerin basınçlı infiltrasyon yöntemi ile üretimi ve özelliklerin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Bartın Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği A.B.D., Bartın.
13. Soria-Verdugo, A., Goos, E., García-Hernando, N. (2015). Effect of the number of TGA curves employed on the biomass pyrolysis kinetics results obtained using the distributed activation energy model. Fuel Processing Technology, 134, 360-371.
14. Ersoy, M.S. (2005). Lif takviyeli polimerik kompozit malzeme. Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekstil Mühendisliği A.B.D., Kahramanmaraş.
15. Dreijers, I., Medne O. (2006.). Analysis of the Expanded Polystyrene Manufacturing Technology. Riga Technical University 47th International Scientific Conference. Riga, Latvia. October 12 - 14.
16. Medne, O., Dreijer, I., Berzina, L. (2010). Cimdina. Influence of preexpansion conditions of inner structure of expanded polystyrene granules. Riga Technical University 51st International Scientific Conference. Riga, Latvia. October 11-15.
17. Chen, G., Wu, C., Weng, W., Wu, D., Yan, W., (2003). Preparation of polystyrene/graphite nanosheet composite. Polymer, 44, 1781.
18. Dikin, D.A., Stankovich, S., Zimney, E.J. (2007). Preparation and characterization of graphene oxide paper. Nature, 448, 7152, 457-460.
19. Novoselov, K.S., Geim, A.K., Morozov, S.V., Jiang, D., Zhang, Y., Dubonos, S.V. (2004). Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 306, 666-669.