Investigation of adhesive bonding strength of wood added PLA materials

Abstract

In this study, plates were produced from wood added polylactic acid (PLA) based materials using 3D printers, which is one of the additive manufacturing methods. After applying mechanical abrasion (sanding), which is one of the surface preparation methods, to the surfaces of the produced plates, the adhesive bonding process was carried out. Adhesive joints were made using the additive-free and additive formula of 3 different commercial adhesives (Araldite 2015, Loctite 9466, and PVA wood glue). In commercial adhesives, 5% hazelnut shell powder in 45 µm dimensions was added and the bonds were joined by forming an additive adhesive formula. The obtained joints were subjected to the tensile test and their mechanical properties were examined. The experiments were repeated for plates cut from Scotch pine wood (Pinus Sylvestris Lipsky) with the same adhesives and the values found were compared with the results of the joints made with wood added PLA. With the results obtained, the strengths of pure (plain) and filled (modified) joints were evaluated. It has been observed that Loctite 9466 adhesive provides the highest shear strength in joining wood added PLA and Scotch pine materials with adhesive. The aim of this study is to investigate the adhesion performance of PLA composites, a high-tech material, when used in the furniture and wood sector.

Keywords

• Additive manufacturing
• Adhesive bonding
• Scots pine (Pinus sylvestris Lipsky)
• PLA wood
• Mechanical properties

Project Number

1919B012217246

Odun katkılı PLA malzemelerinin yapışma dayanımlarının incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada; eklemeli imalat yöntemlerinden biri olan 3B yazıcılar kullanılarak ahşap katkılı PLA esaslı malzemelerden plakalar üretilmiştir. Üretilen plakaların yüzeylerine, yüzey hazırlama yöntemlerinden biri olan mekanik aşındırma işlemi (zımparalama) uygulandıktan sonra yapıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Yapıştırma bağlantıları, 3 farklı ticari yapıştırıcının (Araldite 2015, Loctite 9466 ve PVA ahşap tutkalı) katkısız ve katkılı formülü kullanılarak yapılmıştır. Ticari yapıştırıcıların içerisine 45µm boyutlarında %5 oranında fındık kabuğu tozu katılmış ve katkılı yapıştırıcı formülü oluşturularak bağlantılar birleştirilmiştir. Elde edilen bağlantılar, çekme testine tabi tutularak mekanik özellikleri incelenmiştir. Deneyler, aynı yapıştırıcılarla Sarıçam ağacından (Pinus Sylvestris Lipsky) kesilmiş plakalar için tekrar edilmiş ve bulunan değerler ahşap katkılı PLA ile yapılan bağlantıların sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlar ile katkısız (sade) ve katkılı (modifiye edilmiş) bağlantıların dayanımları değerlendirilmiştir. Ahşap katkılı PLA ve Sarıçam malzemelerin yapıştırıcı ile birleştirilmesinde en yüksek yapışma dayanımını Loctite 9466 yapıştırıcı ile sağladığı görülmüştür. Bu çalışmanın amacı, yüksek teknoloji ürünü bir malzeme olan PLA kompozitlerin mobilya ve ahşap sektöründe kullanılması durumunda, yapışma performansının incelenmesidir.

Keywords

• Eklemeli imalat
• Yapıştırma işlemi
• Sarıçam
• Ahşap katkılı PLA
• Mekanik özellikler

Supporting Institution

Tübitak

Project Number

1919B012217246

Thanks

TÜBİTAK Bilim İnsanı Destek Programları Başkanlığı (BİDEB) tarafından, 2209-A Üniversite Öğrencileri Araştırma Projeleri Destekleme Programı 2022 yılı 2. Dönem kapsamında 1919B012217246 numaralı proje olarak desteklenmiştir.

References

1. Altuntaş, E., Arıkan, A. K. (2022), Odun-plastik kompozit malzemelerde genleştirilmiş perlit kullanımının araştırılması, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 5(2), 142-154, DOI: 10.33725/mamad.1208112.
2. Anaç, N., Doğan, Z. (2023), The effect of organic fillers on the mechanical strength of the joint in the adhesive bonding, Processes, 11(2), 406, DOI: 10.3390/pr11020406.
3. Anaç, N., Koçar, O., Hazer, B. (2022), Katmanlı imalatla üretilen parçaların birleştirilmesinde yapıştırma bağlantı dayanımının incelenmesi, International Journal of 3D Printing Technologies and Digital Industry, 6(3), 449-458, DOI: 10.46519/ij3dptdi.1170450.
4. ASTM D 638 (2022), Standard test method for tensile properties of plastics, ASTM International, West Conshohocken, PA. 1–24 s.
5. ASTM D 2240 (2021), Standard test method for rubber property-durometer hardness, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania, United States, 1–27 s.
6. Ayrilmis, N., Kariz, M., Kwon, J.H., Kitek Kuzman, M. (2019), Effect of printing layer thickness on water absorption and mechanical properties of 3D-printed wood/PLA composite materials, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 102, 2195-2200, DOI: 10.1007/s00170-019-03299-9.
7. Aysal, S. (2014), Odun plastik kompozit malzemelerin biyolojik performanslarının incelenmesi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul
8. Bal, B.C. (2022), Lineer düşük yoğunluklu polietilen (LDYPE) ve odun unu ile üretilen kompozit malzemenin bazı mekanik özellikleri üzerine bir araştırma, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 5(1), 40-49, DOI: 10.33725/mamad.1126534.

9. Chen, L.-W. (2009), Extrudable melamine resin for wood plastic composites, Washington State University. Delzendehrooy, F., Ayatollahi, M., Akhavan-Safar, A., da Silva, L. (2020), Strength improvement of adhesively bonded single lap joints with date palm fibers: Effect of type, size, treatment method and density of fibers, Composites Part B: Engineering, 188, 107874, DOI:10.1016/j.compositesb.2020.107874.
10. Esen, R., Özcan, C. (2012), Isıl işlemin meşe (Quercus petraea L.) ağaç malzemede yapışma direncine etkileri, SDÜ Orman Fakültesi Dergisi, 13, 150-154.
11. Filameon (2022), PLA Wood. Retrieved 05 Kasım 2022 from https://www.filameon.com /urun/filameon-pla-wood-filament/
12. Gonçalves, F.A., Santos, M., Cernadas, T., Alves, P., Ferreira, P. (2022), Influence of fillers on epoxy resins properties: a review, Journal of Materials Science, 57(32), 15183-15212, DOI: 10.1007/s10853-022-07573-2.
13. Henkel (2019), Loctite EA 9466. Retrieved 20 August 2019 from https://www.henkel-adhesives.com/tr/en/product/structural-adhesives/loctite_ea_9466.html Huntsman (2015), Araldite 2015 Adhesive Retrieved 06.10.2015 from https://docs.rs-online.com/47fc/A700000006492752.pdf
14. Karakuş, K., Başboğa, İ.H., Mengeloğlu, F., (2014), Termoplastik Esaslı Polimer Kompozitlerin Üretilmesinde Orman Budama Atıklarının Değerlendirilmesi. II. Ulusal Akdeniz orman ve çevre sempozyumu, 22-24 Ekim 2014 – Isparta.
15. Karaman, A., Güven, Ş., Yeşil, H., Yıldırım, M.N. (2017), Farklı tutkallar kullanılarak hazırlanan mobilya köşe birleştirmelerinde diyagonal çekme ve basınç kuvvetinin belirlenmesi, Teknik Bilimler Dergisi, 7(2), 26-36.
16. Karaman, A., Yıldırım, M.N., Esra, U. (2019), Kavela ağaç türünün farklı tutkallar ile yapıştırılmış ahşap boy birleştirmelerde kavela çekme direncine etkisi, Turkish Journal of Forestry, 20(4), 427-432, DOI: 10.18182/tjf.591404.
17. Keskin, H., Bülbül, R. (2019), Tanalith-e ile emprenye işleminin masif ağaç malzemenin yüzey pürüzlülüğüne etkileri, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 2(2), 67-78, DOI: 10.33725/mamad.602230.
18. Keskin, H., Taner, A. (2019), Combustion properties of Scots pine (Pinus sylvestris Lipsky) wood impregnated with boron compound doped colophony, Mobilya ve Ahşap Malzeme Araştırmaları Dergisi, 2(1), 11-22, DOI: 10.33725/mamad.516823.
19. Kyutoku, H., Maeda, N., Sakamoto, H., Nishimura, H., Yamada, K. (2019), Effect of surface treatment of cellulose fiber (CF) on durability of PLA/CF bio-composites, Carbohydrate polymers, 203, 95-102, DOI: 10.1016/j.carbpol.2018.09.033.
20. Mahir, U., 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, DOI: 10.21597/jist.799230.
21. Narlıoğlu, 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), 183-192. DOI:10.33725/mamad.1026248.
22. NematiGiv, A., Ayatollahi, M.R., Ghaffari, S.H., da Silva, L.F. (2018), Effect of reinforcements at different scales on mechanical properties of epoxy adhesives and adhesive joints: a review, The Journal of Adhesion, 94(13), 1082-1121, DOI:10.1080/00218464.2018.1452736.
23. Özmen, N., Çetin, N.S., Narlıoğlu, N., Çavuş, V., Altuntaş, E. (2014), MDF atıklarının odun plastik kompozitlerin üretiminde değerlendirilmesi, SDÜ Orman Fakültesi Dergisi, 15, 65-71.
24. Perçin, O., Uzun, O. (2014), Isıl işlem uygulanmış bazı ağaç malzemelerde yapışma direncinin belirlenmesi, SDÜ Orman Fakültesi Dergisi, 15, 72-76.
25. Raşit, E. (2019), Emprenyeli Sarıçam ağaç malzemeye uygulanan üst yüzey işlemlerinin ısı iletkenliğine etkisinin belirlenmesi, Bartın Orman Fakültesi Dergisi, 21(3), 731-741.
26. Rowell, R.M. (2006), Advances and challenges of wood polymer composites, Proceedings of the 8th Pacific Rim Bio-Based Composites Symposium,
27. Rowell, R.M., Cleary, B.A., Rowell, J.S., Clemons, C., Young, R.A. (1993), Results of chemical modification of lignocellulosic fibers for use in composites, Wood–fiber/polymer composites: Fundamental concepts, processes and material options, 121-127.
28. Smardzewski, J. (2002), Technological heterogeneity of adhesive bonds in wood joints, Wood Science and Technology, 36(3), 213-227, DOI: 10.1007/s00226-002-0127-7.
29. Söğütlü, C., Döngel, N. (2007), Polivinil asetat (PVAc) ve poliüretan (PU) tutkalları ile yapıştırılmış bazı yerli ağaçlarda çekmede makaslama dirençleri, Politeknik Dergisi, 10(3), 287-293.
30. Ulusoy, H., Nurgül, A., Peker, H. (2017), Ökseotu (ViscumAlbum L.)’nun Sarıçam odununun bazı mekanik özelliklerine etkisi, Tarım Bilimleri Araştırma Dergisi, 10(2), 15-22.
31. Valášek, P., Müller, M. (2016), Possibilities of adhesives filling with micro-particle fillers-Lap-Shear tensile strength, Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 64(1), 195-201, DOI: 10.11118/actaun201664010195.