Polivinil klorür (PVC) esaslı kısa cam ve karbon elyaf takviyeli malzemelerin mekanik davranışlarının sistematik analizi

Abstract

Polivinil klorür (PVC) polimeri endüstriyel alanlarda yaygın kullanıma sahip malzemeler olarak bilinmektedir. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, saf haldeki polimer matrisli malzemelerin yüksek darbe dayanımına sahip olması bir avantaj gibi gözükse de oda sıcaklığında rijitliklerinin (elastisite modülünün) düşük olması bu malzemeler için bir dezavantaj oluşturmaktadır. Bu çalışmada saf polivinil klorür ile kısa cam elyaf ve karbon elyaf takviyeli polivinil klorür numunelerinin mekanik davranışları standartlar uyarınca sistematik olarak incelenmiştir. Numuneler, polimer granülleri ile elyaf takviyeleri karıştırılarak sıcak pres tekniğiyle test plakaları haline getirilmiş ve lazer CNC makinesiyle çekme numuneleri elde edilmiştir. Çekme test makinesinde kopana kadar test edilen numunelerin elastisite modülü (rijitlik katsayısı) hesaplamalarında; saf matrisin başlangıç elastisite modülüne kıyasla karbon fiber takviyesiyle bu değerin yükseldiği, cam fiber takviyesiyle ise en yüksek seviyeye ulaştığı doğrulanmıştır. Deneysel sonuçlar, lif takviyelerinin matrise daha rijit bir yapı kazandırdığını, ancak süneklik ve enerji sönümleme kapasitelerinde kısıtlamalara yol açtığını göstermektedir. Saf polivinil klorür yüksek kopma uzaması ve maksimum çekme mukavemetiyle ani darbe şoklarını sönümlemede en yüksek potansiyeli sergilerken, takviyeli numunelerde bu değerler gerilemiştir. Sonuç olarak, yüksek boyutsal kararlılık ve doğrusal esnemeye karşı direnç gerektiren boru hatları, kanalizasyon şebekeleri ve yapı inşaat profilleri gibi alanlarda yüksek rijitliğe sahip cam ve karbon fiber takviyeli malzemelerin kullanımı uygun bir mühendislik çözümü sunarken; yüksek süneklik ve darbe yükü sönümleme hedeflendiğinde saf polivinil klorür matris yapısı öncelikli avantaj sağlamaktadır.

Keywords

• Polivinil klorür
• Kısa cam elyaf
• Karbon elyaf
• Çekme mukavemeti
• Rijitlik katsayısı
• Sıcak pres.

Systematic analysis of the mechanical behaviors of short glass and carbon fiber reinforced polyvinyl chloride (PVC) based materials

Abstract

Polyvinyl chloride (PVC) polymer is widely recognized as a material with extensive applications in industrial fields. A review of the literature indicates that while the high impact strength of unreinforced polymer matrix materials appears to be an advantage, their low rigidity (elastic modulus) at room temperature presents a disadvantage. In this study, the mechanical behaviors of neat polyvinyl chloride, short glass fiber-reinforced, and carbon fiber-reinforced polyvinyl chloride samples were systematically investigated in accordance with standards. The samples were processed into test plates by mixing polymer granules with fiber reinforcements using the hot-press technique, and tensile specimens were obtained via a laser CNC machine. In the calculation of the elastic modulus (rigidity coefficient) of the samples tested until fracture on a tensile testing machine, it was confirmed that compared to the initial elastic modulus of the neat matrix, this value increased with carbon fiber reinforcement and reached its highest level with glass fiber reinforcement. The experimental results demonstrate that fiber reinforcements impart a more rigid structure to the matrix, yet lead to limitations in ductility and energy-damping capacities. While neat polyvinyl chloride exhibits the highest potential in damping sudden impact shocks with its high elongation at break and maximum tensile strength, these values decreased in the reinforced samples. Consequently, while the use of glass and carbon fiber-reinforced materials with high rigidity offers a suitable engineering solution in areas requiring high dimensional stability and resistance to linear bending—such as pipelines, sewage networks, and structural construction profiles—the neat polyvinyl chloride matrix structure provides a primary advantage when high ductility and impact load damping are targeted.

Keywords

• Polyvinyl chloride
• Short glass fiber
• Carbon fiber
• Tensile strength
• Stiffness coefficient
• Hot press.

References

1. [1] A. Saylık, 2022, “Polimer Matrisli Hibrit Kompozitlerin Farklı Ortam Şartlarındaki Mekanik ve Tribolojik Özelliklerinin İncelenmesi,” Doktora tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnönü Üniversitesi.
2. [2] A. N. Yüksel Yılmaz, 2018, “PVC Kaplı Cam Elyaf Takviyeli Kompozit Malzeme Üretimi ve Mekanik Özelliklerinin Araştırılması,” Yüksek Lisans tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Necmettin Erbakan Üniversitesi.
3. [3] G. Shanmugasundar, et al., 2020, “Fabrication and analysis of mechanical properties of PVC/Glass fiber/graphene nano composite pipes,” Materials Research Express, vol. 7, no. 11, pp. 115303.
4. [4] M. J. Al-Mahfooz and E. Mahdi, 2020, “Bending behavior of glass fiber reinforced composite overwrapping PVC plastic pipes,” Composite Structures, vol. 251, pp. 112656.
5. [5] S. J. Hashemi, A. Sadooghi, and K. Rahmani, et al., 2020, “Investigation on the mechanical behavior of fiber-metal laminates based on polyvinyl chloride reinforced by 3D glass fibers,” Materials Today Communications, vol. 25, pp. 101273. [6] M. Mondragón, S. Sánchez-Valdés, M. E. Sanchez-Espíndola, and J. E. Rivera-López, 2009, “Morphology, Mechanical Properties, and Thermal Stability of Rigid PVC/Clay Nanocomposites,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 114, no. 2, pp. 785–793.
6. [7] Z. Hua, R. Zhang, C. Fu, L. Jiang, M. Liu, and P. Xue, 2025, “Preparation of high-performance CGF/PVC laminates: optimization of compression molding process parameters,” Journal of Polymer Research, vol. 32, no. 7, pp. 282.
7. [8] I. Islam, S. Sultana, S. K. Ray, H. P. Nur, M. T. Hossain, and W. M. Ajmotgir, 2018, “Electrical and Tensile Properties of Carbon Black Reinforced Polyvinyl Chloride Conductive Composites,” C — Journal of Carbon Research, vol. 4, no. 1, pp. 11.
8. [9] O. K. Gohatre, M. Biswal, M. Smita, and S. K. Nayak, 2020, “Study on thermal, mechanical and morphological properties of recycled poly(vinyl chloride)/fly ash composites,” Polymers for Advanced Technologies, vol. 31, no. 12, pp. 2977–2988.

9. [10] S. Sultana, M. K. U. Sarker, Z. Islam, and M. S. Islam, 2022, “Comparative Analysis of Compression Molded Products of Recycled Waste Poly(Vinyl Chloride) and Virgin Poly(Vinyl Chloride) Fill Material,” Journal of Engineering and Technological Sciences, vol. 54, no. 4, pp. 220412.
10. [11] S. M. Mirkhalaf and M. Fagerström, 2021, “The mechanical behavior of polylactic acid (PLA) films: fabrication, experiments and modelling,” Mechanics of Time-Dependent Materials, vol. 25, no. 2, pp. 119–131.
11. [12] Y. F. Minale, I. Gajdoš, P. Štefčák, T. Szabó, A. Polyákné Kovács, A. Ádámné Major, and K. Marossy, 2025, “Mechanical Properties of PVC/TPU Blends Enhanced with a Sustainable Bio-Plasticizer,” Sustainability, vol. 17, no. 5, pp. 2033.
12. [13] N. Belhaneche-Bensemra and A. Bedda, 2001, “Study of the Properties of PVC/ABS Blends,” Macromolecular Symposia, vol. 176, no. 1, pp. 145–153.
13. [14] N. Narlıoğlu, T. Salan, N. S. Çetin ve M. H. Alma, 2018, “Mobilya endüstrisi atıklarının polimer kompozit üretiminde değerlendirilmesi,” Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, vol. 1, no. 2, pp. 78–85.
14. [15] P. Mohammadkhani, J. Magliaro, F. Rahimidehgolan, T. Khapra, and W. Altenhof, 2023, “Moisture influence on anisotropic mechanical behavior of direct compounded compression molded PA6/Glass LFTs,” Composites Part B: Engineering, vol. 264, pp. 110927.
15. [16] R. A. Khan, N. Sharmin, M. A. Khan, A. K. Das, K. Dey, S. Saha, T. Islam, R. Islam, F. Nigar, B. Sarker, K. K. Debnath, and M. Saha, 2011, “Comparative Studies of Mechanical and Interfacial Properties Between Jute Fiber/PVC and E-Glass Fiber/PVC Composites,” Polymer-Plastics Technology and Engineering, vol. 50, no. 2, pp. 153–159.
16. [17] M. J. Kamran, E. Jayamani, K. H. Soon, and Y. C. Wong, 2021, “Optimization and fabrication of pure poly lactic acid (PLA) using hot press compression moulding,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 1136, pp. 012012.
17. [18] I. Ráthy, Á. Kuki, J. Borda, G. Deák, M. Zsuga, K. Marossy, and S. Kéki, 2012, “Preparation and Characterization of Poly(vinyl chloride)-Continuous Carbon Fiber Composites,” Journal of Applied Polymer Science, vol. 124, no. 1, pp. 190–194.
18. [19] H. Jiang and D. P. Kamdem, 2004, “Development of Poly(vinyl chloride)/Wood Composites. A Literature Review,” Journal of Vinyl and Additive Technology, vol. 10, no. 2, pp. 59–69.
19. [20] J. Muller, C. González, and A. Chiralt, 2017, “Poly(lactic) acid (PLA) and starch bilayer films, containing cinnamaldehyde, obtained by compression moulding,” European Polymer Journal, vol. 95, pp. 50–63.
20. [21] A. Rubio-López, A. Olmedo, A. Díaz-Álvarez, and C. Santiuste, 2015, “Manufacture of compression moulded PLA based biocomposites: a parametric study,” Composite Structures, vol. 131, pp. 295–300.
21. [22] ASTM D638, 2014, “Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics,” ASTM International.
22. [23] Ayka Lazer, 2026, “Lazer Kesim ve Kazıma Makinası İçin Malzeme Parametreleri.” [Online]. Available: https://www.aykalazer.com/130w-80x100-lazer-kullanim-ipuclari-parametreler