Polimer Kompozitlerde Siderit Mineralinin Takviye Malzemesi Olarak Kullanımının Fiziksel, Mekanik ve Kalıcılık Özelliklerine Etkisi

Abstract

Bu çalışmada, siderit mineralinin polimer kompozitlerde takviye malzemesi olarak kullanımının fiziksel, mekanik ve kalıcılık özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Siderit minerali, farklı oranlarda (%0, %25, %50, %75 ve %100) polimer matris ile birleştirilerek polimer kompozit numuneler üretilmiştir. Üretilen numunelerin yoğunluk, ultrases geçiş hızı, basınç dayanımı ve eğilme dayanımı özellikleri incelenmiştir. Ayrıca kalıcılık özellikleri kapsamında sülfat etkisi ve donma-çözülme davranışları test edilmiştir. Sonuçlar artan siderit oranının polimer kompozitlerin yoğunluk ve ultrases geçiş hızı üzerinde belirgin ve olumlu bir etkiye sahip olduğu, kontrol numunesi (PS0) ile karşılaştırıldığında, PS100 kodlu numunenin yoğunluğunda yaklaşık %108 oranında bir artış tespit edilmiştir. Siderit oranının artışıyla birlikte polimer kompozitlerin mekanik dayanım özelliklerinde bir azalma gözlemlenmiş olsa da belirli bir takviye oranında (%75, %100) azalmaların daha düşük seviyelere indiği ve mekanik dayanım açısından daha dengeli bir yapı elde edildiği gözlenmiştir. Bu bulgular, polimer kompozitlerde siderit minerali kullanımının dikkatle optimize edilmesi gerektiğini ve bu tür kompozitlerin mekanik performansının, dolgu ve reçine oranlarının uygun bir şekilde ayarlanmasıyla iyileştirilebileceği belirlenmiştir.

Keywords

• Kalıcılık
• mekanik özellikler
• polimer kompozitler
• siderit minerali

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

1919B012301584

Thanks

1919B012301584 numaralı projemizi destekleyen TÜBİTAK Bilim İnsanı Destek Programları Başkanlığına (BIDEB) katkılarından dolayı teşekkür ederiz.

Effect of Using Siderite Mineral as a Reinforcement Material on the Physical, Mechanical, and Durability Properties of Polymer Composites

Abstract

In this study, the effects of using siderite mineral as a filler material in polymer composites on physical, mechanical, and durability properties were investigated. Siderite mineral was incorporated into the polymer matrix at varying proportions (0%, 25%, 50%, 75%, and 100%), and polymer composite materials were produced with these proportions. The properties of the produced samples, including density, ultrasonic pulse velocity, compressive strength, and flexural strength, were examined. Additionally, durability characteristics such as sulphate resistance and freeze-thaw behavior were evaluated. The results indicate that increasing the amount of siderite has a significant and positive effect on the density and ultrasonic pulse velocity of the polymer composites. Compared to the control sample (PS0), an approximate increase of 108.7% in density was observed in the PS100 sample. Although an increase in the siderite content led to a reduction in the mechanical strength properties of the polymer composites, it was observed that this decrease stabilized at lower levels once a certain filler amount was reached, resulting in a more balanced mechanical performance. These findings suggest that the use of siderite in polymer composites needs to be carefully optimized, and that the mechanical performance of such composites can be improved by appropriately adjusting the filler and resin ratios.

Keywords

• Durability
• mechanical properties
• polymer composites
• siderite mineral

Project Number

1919B012301584

References

1. [1] Jose J. P., Joseph K. Advances in Polymer Composites: Macro‐ and Microcomposites – State of the Art, New Challenges, and Opportunities. In Polymer Composites (pp. 1–16). Wiley, 2012.
2. [2] Nassar M. M., Arunachalam R., Alzebdeh K. I. Machinability of natural fiber reinforced composites: A review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 88(9-12):2985-3004, 2017.
3. [3] Thakur R. K., Singh K. K., Ramkumar J. Experimental investigation of abrasive waterjet hole cutting on hybrid carbon/glass composite. Materials Today: Proceedings., 21: 1551-1558, 2020.
4. [4] Reis J.M.L.D. Effect of textile waste on the mechanical properties of polymer concrete. Materials Research, 12(1):63-67, 2009.
5. [5] Tavares C.M.L., Ribeiro M.C.S., Ferreira A.J.M., Guedes.R.M. Creep behaviour of FRP-reinforced polymer concrete. Composite Structures., 57(1-4):47-51, 2002.
6. [6] Dharmarajan, N. Flexural creep behavior of polymer concrete systems., Rice University, 1987.
7. [7] ACI Committee 548. Guide for the use of polymers in concrete (ACI 548, IR-86)., American Concrete Institute, 1986.
8. [8] Wang L., Qiu H., Liang C., Song P., Han Y., Han Y., Guo Z. Electromagnetic interference shielding MWCNT-Fe₃O₄@Ag/epoxy nanocomposites with satisfactory thermal conductivity and high thermal stability. Carbon., 141, 506-51, 2019.

9. [9] Yang X., Guo Y., Luo X., Zheng N., Ma T., Tan J., Gu J. Self-healing, recoverable epoxy elastomers and their composites with desirable thermal conductivities by incorporating BN fillers via in-situ polymerization. Composites Science and Technology., 164:59-6, 2018.
10. [10] Guo Y., Ruan K., Shi X., Yang X., Gu J. Factors affecting thermal conductivities of the polymers and polymer composites: A review. Composites Science and Technology., 193- 108134, 2020.
11. [11] Spaeth V., Tegguer A. D. Improvement of recycled concrete aggregate properties by polymer treatments. International Journal of Sustainable Built Environment, 2(2):143-152, 2013.
12. [12] Hameed A.M., Hamza M.T. Characteristics of polymer concrete produced from wasted construction materials. Energy Procedia., 157,43-50, 2019.
13. [13] Velardo P., del Bosque I.S., Matías A., de Rojas M.S., Medina C. Properties of concretes bearing mixed recycled aggregate with polymer-modified surfaces. Journal of Building Engineering, 38:10221, 2021.
14. [14] Soykan O., Özel C. Mermer tozu tane boyutunun polimer beton özelliklerine etkisi. Uluslararası Teknolojik Bilimler Dergisi, 4(3):102-111, 2012.
15. [15] Özel C., İren, B. Polimer betonlarda gaz beton atıklarının kullanılabilirliğinin araştırılması. Teknik Bilimler Dergisi, 6(2):28, 2016.
16. [16] Barbuta M., Harja M., Baran I. Comparison of mechanical properties for polymer concrete with different types of filler. Journal of Materials in Civil Engineering., 22(7): 696-701, 2010.
17. [17] Barbuta M., Rujanu M., Nicuta A. Characterization of polymer concrete with different wastes additions. Procedia Technology., 22:407-412, 2016.
18. [18] Polat H., Üstün İ., Şafak A., Çakılcıoğlu AN. Atık tuğla tozunun polimer betonda katkı malzemesi olarak kullanımı: Mekanik özelliklerin incelenmesi. Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi., 4(2):76-86, 2023.
19. [19] Uygunoğlu T., Brostow W., Gencel O., Topcu I.B. Bond strength of polymer lightweight aggregate concrete. Polymer Composites, 34(12):2125-2132, 2013.
20. [20] Rebeiz K.S., Serhal S.P., Craft A.P. Properties of polymer concrete using fly ash. Journal of Materials in Civil Engineering, 16(1):15-19, 2004.
21. [21] Varughese K.T., Chaturvedi B.K. Fly ash as fine aggregate in polyester based polymer concrete. Cement and Concrete Composites, 18(2):105-108, 1996.
22. [22] Akman F., Ozkan I., Kaçal M. R., Polat H., Issa S. A., Tekin H. O., Agar O. Shielding features, to non-ionizing and ionizing photons, of FeCr-based composites. Applied Radiation and Isotopes., 167-109470, 2021.
23. [23] Turhan M.F., Akman F., Polat H., Kaçal M. R., Demirkol İ. Gamma-ray attenuation behaviors of hematite doped polymer composites. Progress in Nuclear Energy., 129:103504, 2020.
24. [24] Sharma A., Sayyed M. I., Agar O., Kaçal M. R., Polat H., Akman F. Photon-shielding performance of bismuth oxychloride-filled polyester concretes. Materials Chemistry and Physics., 241, 122330, 2020.
25. [25] Topçu, İ. B., Hocaoğlu, İ., & Adıl, F. M. A. Ağır Betonlardaki Güncel Gelişmelere Genel Bir Bakış. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 14(2), 385-399, 2023.
26. [26] Elyiğit, A., Başıyigit, C., & Alkayiş, M. H. Farklı mineral kökenli ağır betonların mekanik özelliklerinin araştırılması. Engineering Sciences, 19(1), 2024.
27. [27] Aşan B. B. Siderit Cevherindeki Demirin Farklı Sıcaklıklarda Bazı Metallerle Olan İlişkisi. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016.
28. [28] Topsakal A., Özel C. Faz malzeme oranının polimer beton özellikleri üzerindeki etkisinin araştırılması. Yapı Teknolojileri Elektronik Dergisi, 9(1):16-28, 2013.
29. [29] Neville, A. M. Properties of Concrete (5th ed.). Pearson Education, 2011.
30. [30] Li Z., Wang Y., Zhang X. Effect of admixtures on ultrasonic pulse velocity and mechanical properties of concrete. Construction and Building Materials, 234, 117210, 2020.
31. [31] Sevinc A.H., Durgun M.Y., Eken M. A Taguchi approach for investigating the engineering properties of concretes incorporating barite, colemanite, basaltic pumice and ground blast furnace slag. Construction and Building Materials., 135:343-351, 2017.
32. [32] Zhang Q., Wang Y. The influence of siderite mineral addition on the mechanical properties of cementitious composites. Construction and Building Materials, 78, 166-172, 2015.
33. [33] Kuo W.T., Huang J.S. Effect of aggregate gradation on mechanical properties of high-performance concrete. Cement and Concrete Research, 42(3), 720-728, 2012.
34. [34] Zhang H., Li C. High-density mineral fillers in composite materials: Effects on crack propagation and mechanical strength. Journal of Composite Materials, 49(15), 1897-1910, 2015.
35. [35] Özden Ç.A. Polimer betonların donma-çözülme etkisine dayanıklılığı, Namık kemal üniversitesi, Fen bilimleri enstitüsü, Tekirdağ, Türkiye, 2010.
36. [36] Rosu D., Cascaval C.N., Rosu L.. Synthesis and characterization of some composites with bioactive properties on the basis of vinyl ester resins. e-Polymers, 8(1):105, 2008.
37. [37] Özel F., Akman F., Kaçal M. R., Ozen A., Arslan H., Polat H., Agar O. Production of microstructure BaZrO3 and Ba2P2O7-based polymer shields for protection against ionizing photons. Journal of Physics and Chemistry of Solids., 158-110238, 2021.
38. [38] Adibelli Ü., Mutlu D., Çakir Y. N., Karagöz İ. Ceviz kabuğu dolgulu epoksi hibrit kompozit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu. 10. Uluslararası Lif ve Polimer Araştırmaları Sempozyumu., 13-14, 2022.