Production of Biocomposites with Hazelnut Shell and Pomace Additives by Plastic Injection Molding

Abstract

The application areas of green composite materials have been increasing rapidly thanks to the promotion of the use of natural resources by the green economy in order to ensure sustainable development. This study is about the change of mechanical properties of biomaterials reinforced with natural fillers. Hazelnut shell powder and pomace powder were added to the biodegradable PLA material in two different sizes (63 µm and 300 µm) and three different weight ratios (5%, 15% and 20%). The strength and hardness values of the produced biocomposite materials were investi-gated. Images were taken with a scanning electron microscope (SEM) and thermo-gravimetric analysis (TGA) was performed for thermal properties. When the results were evaluated, it was seen that the strength of the composite was increased by using 5% by weight of hazelnut shell powder, which is an agricultural waste, as an additive. It is understood that this material can be utilized as a composite filler in the form of a high value product.

Keywords

• Biocomposite
• plastic injection molding
• sustainability
• hazelnut shell powder
• olive pomace powder
• mechanical properties

Plastik Enjeksiyon Yöntemi ile Fındık Kabuğu ve Pirina Katkılı Biyokompozitlerin Üretimi

Abstract

Yeşil kompozit malzemelerin uygulama alanları, sürdürülebilir kal-kınmanın yeşil ekonomide doğal kaynak kullanımını teşvik etmesiyle hızla artmıştır. Bu çalışma, doğal dolgular ile güçlendirilmiş biyo malzemelerin mekanik özelliklerinin değişimi hakkındadır. Biyobozunur polilaktik asit (PLA) malzemesine, iki farklı boyutta (63 µm ve 300 µm) ve üç farklı ağırlık oranlarında (%5, %15 ve %20) fındık kabuğu tozu ve prina tozu eklenmiştir. Üretilen biyokompozit malzemelerin mukavemet ve sertlik değerleri incelenmiştir. Taramalı elektron mikroskobuyla görüntüleri alınmış ve termal özellikleri için termogravimetrik analiz yapılmıştır. Sonuçlar değerlendirildiğinde, tarımsal atık olan fındık kabuğu tozunun ağırlıkça %5 oranında katkı olarak kullanılması sayesinde kompozitin mukavemetinin arttırdığı görülmüş-tür. Bu malzemeden yüksek değerli ürün şeklinde kompozit dolgu maddesi olarak yararlanılabileceği düşünülmektedir.

Keywords

• Biyokompozit
• plastik enjeksiyon
• sürdürülebilirlik
• fındık kabuğu tozu
• pirina tozu
• mekanik özellikler

References

1. Mirici, M.E. and Berberoğlu. S. (2022). Türkiye perspektifinde yeşil mutabakat ve karbon ayak izi: tehdit mi? fırsat mı?. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi. 8(1), 156-164.
2. Hamamci, B. (2018). Yeşil kompozitlerde biyopolimerlerin kullanımının önemi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi. 8(1), 12-24.
3. Rafiee, K., Schritt, H., Pleissner, D., Kaur, G., and Brar, S.K. (2021). Biodegradable green composites: It's never too late to mend. Current Opinion in Green and Sustainable Chemistry. 30, 100482.
4. Abhiram, Y., A. Das, and Sharma, K.K. (2021). Green composites for structural and non-structural applications: A review. Materials today: proceedings. 44, 2658-2664.
5. Yu, L., K. Dean, and Li., L. (2006). Polymer blends and composites from renewable resources. Progress in polymer science. 31(6), 576-602.
6. Willberg-Keyriläinen, P., Orelma, H. and Ropponen, J. (2018). Injection molding of thermoplastic cellulose esters and their compatibility with poly (lactic acid) and polyethylene. Materials. 11(12), 2358.
7. İbrahim, Ü. and Koçak, E.D. (2012). Poli (laktik asit)’in kullanım alanları ve nano lif üretimdeki uygulamaları. İstanbul Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi. 11(22), 79-88.
8. Karakuş, S. (2023). Design And Manufacturing of A Two-Stage Reduction Gearbox with 3d Printer. International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry. 7(1), 18-28.

9. Çakır Yiğit, N. and Karagöz, İ. (2021). Ceviz Kabuğu Esaslı Polilaktik Asit (PLA) Kompozit Filamentlerin Hazırlanması ve Karakterizasyonu. Uluslararası Lif ve Polimer Araştırmaları Sempozyumu, 19-20 Kasım 2021, Uşak, Türkiye.
10. Peşman, E., Yıldız, H.E., Torun, S.B. ve Çavdar, A.D. (2022). Atık gazete kağıdı liflerinin biyokompozit üretiminde kullanılabilirliği. Artvin Çoruh Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi. 23(1), 44-50.
11. Bahçe, H.T. and Temiz, Ş. (2019). Vakum İnfüzyon Yöntemi İle Üretilen Kayisi Çekirdeği Kabuğu Tozu Katkılı Tabakalı Kompozitlerin Kıyaslanması. Kırklareli Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi. 5(2), 125-146.
12. Kolak, M.N. and Oltulu, M. (2021). Atık Malzeme İçeren Polimer Bazlı Kompozitlerin Isıl İletkenlik Özelliklerinin İncelenmesi. International Journal of Engineering Research and Development. 13(2), 310-320.
13. Öztürk, N.K., Sever, K., Seydibeyoğlu, M.Ö., Sütçü, M., Sarıkanat, N., Seki, Y. (2015). Pirina Atığı Katkılı Termoplastik Kompozitlerin Gelimat Mikser İle Üretimi. XIX. Ulusal Mekanik Kongresi. 24-28 Ağustos 2015. Trabzon, Türkiye.
14. Abd Mohammed, A. (2016). The experimental study and statistical evaluation of the wear and hardness of epoxy reinforced with natural materials. Journal of Engineering and Sustainable Development. 20(3), 14-24.
15. Aydin, H.Y. and Altun, S. (2020). Odun Kökenli Malzemelerin Takviyesi ile Oluşturulan Polilaktik Asit Matrisli Kompozitler. Bartın Orman Fakültesi Dergisi. 22(3), 1061-1076.
16. Bal, B.C. (2023). Some mechanical properties of WPCs with wood flour and walnut shell flour. Polímeros. 33, e20230020.
17. Narlioğlu, N. (2021). 3B yazıcı kullanılarak odun-PLA kompozit filamentinden mobilya bağlantı elemanlarının yazdırılması ve katman kalınlıklarının mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi. Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi. 4(2), 83-192.
18. Lamm, M.E., Wang, L., Kishore, V., Tekinalp, H., Kunc, V., Wang, J., Gardner, D.J. ve Ozcan, S. (2020). Material extrusion additive manufacturing of wood and lignocellulosic filled composites. Polymers. 12(9), 2115.
19. Çelik, M. and Kiliç, E. (2020). Bitkisel Kaynaklı Biyopolietilenin Biyokompozit Üretiminde ve Polimer Karışımlarında Kullanımı. Tekstil ve Mühendis. 27(119), 197-215.
20. Mohan Kumar, K., Naik, V., Kaup, V., Waddar, S., Santhosh, N., Harish, H.V. (2023). Nontraditional Natural Filler-Based Biocomposites for Sustainable Structures. Advances in Polymer Technology. 8838766,
21. İlhan, R. and R. Feyzullahoğlu. (2019). Natural fibers and filler materials used in glass fiber reinforced polyester (GFRP) composite materials. El-Cezerî Journal of Science and Engineering. 6(2), 355-381.
22. Kaya, N., Atagur, M., Akyuz, O., Sarikanat, M., Sutcu, M., Seydibeyoğlu, M.O. Sever, K. (2018). Fabrication and characterization of olive pomace filled PP composites. Composites Part B: Engineering. 150: p. 277-283.
23. Ermeydan, M.A. and Aykanat, O. (2019). Pla/Boynuz Biyokompozitlerin Termal Ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi. Engineering Sciences. 14(4), 226-231.
24. Gigante, V., Cinelli, P., Righetti, M.C., Sandroni, M., Tognotti, L., Seggiani, M., Lazzeri, A.(2020). Evaluation of mussel shells powder as reinforcement for pla-based biocomposites. International journal of molecular sciences. 21(15), 5364.
25. Yang, F., Ye, X., Zhong, J., Lin, Z., Wu, S., Hu, Y., Zheng, W., Zhou, W., Wei, Y., Dong, X. (2023). Recycling of waste crab shells into reinforced poly (lactic acid) biocomposites for 3D printing. International Journal of Biological Macromolecules. 234,122974.
26. Yoruç, A.B.H. and Uğraşkan, V. (2017). Yeşil Polimerler ve Uygulamaları. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 17(1), 318-337.
27. Kaya, N. (2018). Investigation of mechanical and physical properties of glass reinforced fiber plates (MDF) produced from agricultural wastes. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University. 33(3), 905-916.
28. Taşdemir, M. (2017). Effects of olive pit and almond shell powder on polypropylene. Key Engineering Materials. 733, 65-68.
29. Taşdemir, M. and Kaştan, A. (2022). Zeytin çekirdeği tozu ilave edilmiş polipropilen kompozitinin mekanik özellikleri. Uluslararası Batı Karadeniz Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi. 4(1), 36-49.
30. Taşdemir, M. and Kaştan, A. (2021). Zeytin çekirdeği tozu ilave edilmiş polipropilen kompozitinin aşınma ve fiziksel özellikleri. Bitlis Eren Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi. 10(2), 568-576.
31. Oral, I., Kocaman, S., Cerit, A., Ahmetli, G. (2023). Determination of mechanical and damping properties of hazelnut shell powder reinforced biocomposites by ultrasonic method. Journal of Applied Polymer Science, e54368.
32. Kadir Karakuş, F.M., Başboğa, H.İ., Atar, İ. (2016) , in 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress. Adana/Türkiye.
33. Avci, E., Acar, M., Gonultas, O., Candan, Z. (2018). Manufacturing biocomposites using black pine bark and oak bark. BioResources. 13(1), 15-26.
34. Kocaman, S., Ahmetli, G. and Soğancioğlu, M. (2018). Doğal Atık Malzemeler ve Biyoçarları ile Biyobozunur Özellikte Yeni Epoksi-bazlı Kompozitlerin Hazırlanması ve Karakterizasyonu. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi. 33(2), 261-272.
35. Boran Torun, S., Peşman, E. and Dönmez A. (2019). Alkali muameleli kupula lifi katkılı yüksek yoğunluklu polietilen kompozitlerin teknolojik özellikleri.
36. Cengiz, Ö., İ. Karagöz, and H. Demirer. (2021). Fındık Kabuğu ve Talk Dolgulu Polipropilen Kompozitlerin Mekanik ve Isıl Özelliklerinin İncelenmesi. 8. Uluslararası Lif ve Polimer Araştırmaları Sempozyumu. 18-19 Haziran 2021. Eskişehir. 152-159.
37. Njoku, R., Okon, A. and Ikpaki, T. (2011). Effects of variation of particle size and weight fraction on the tensile strength and modulus of periwinkle shell reinforced polyester composite. Nigerian journal of technology. 30(2), 87-93.
38. Tokdemir, V. and Altun, S. (2022). A case study of wood thermoplastic composite filament for 3D printing. BioResources. 17(1), 21.
39. Mimini, V., Sykacek E., Hashim, S.A.S., Holzweber, J., Hettgger, H., Fackler, K. (2019). Compatibility of kraft lignin, organosolv lignin and lignosulfonate with PLA in 3D printing. Journal of wood chemistry and technology. 39(1), 14-30.
40. Mahir, U. and Erdoğdu, Y.E. (2020). Eriyik yığma modellemesi ile üretimde takviyesiz ve takviyeli PLA kullanımının mekanik özelliklere etkisinin araştırılması. Journal of the Institute of Science and Technology. 10(4), 2800-2808.
41. Çöpür, Y., Güler, C., Taşçıoğlu, C., Tozluoğlu. (2008). Incorporation of hazelnut shell and husk in MDF production. Bioresource Technology. 99(15), 7402-7406.
42. Badawy, W. and Smetanska, I. (2020). Utilization of olive pomace as a source of bioactive compounds in quality improving of toast bread. Egyptian Journal of Food Science. 48(1), 27-40.