Effect of Thermal Aging on the Mechanical Properties of High Density Polyethylene/Nut Shell Polymer Composite

Abstract

Cellulosic-based natural materials have been widely used as a reinforcement material in plastics for many years. Among the reasons for using these materials are their low cost, high physical and mechanical resistance. Ground hazelnut shells are also used as filling material in plastic composites. Hazelnuts are produced on a large scale in Turkey and are in the first place in the world, but their shells are generally burned in homes and used for heating purposes. In this study, the effects of additions of hazelnut shell powder content and thermal aging time (0, 15 and 30 days) on the mechanical properties of polyethylene composites were investigated. Nutshell powder, in four different concentrations (5, 10, 15 and 20 wt %) were added to HDPE to produce composites. The tensile, Izod impact, hardness, density tests were conducted on specimens produced by means of injection molding method. It was observed that, increasing the hutshell powder content in HDPE, values for elasticity modulus, yield strength, tensile strength at break, % elongation, density, hardness and Izod impact strength decreased. On the other hand, mechanical properties (except % elongation) of HDPE/nutshell powder polymer composites increased as the thermal aging time increases from 0 days to 30 days.

Keywords

• high density polyethylene
• hazel nutshell
• powder
• mechanical properties.

Isıl Yaşlandırmanın Yüksek Yoğunluklu Polietilen/Fındık Kabuğu Polimer Kompozitinin Mekanik Özelliklerine Etkisi

Öz

Selülozik bazlı doğal malzemeler uzun yıllardan beri plastiklerde güçlendirilme malzemesi olarak yaygın bir biçimde kullanılmaktadırlar. Bu malzemelerin kullanılma nedenleri arasında maliyetlerinin düşük olması, yüksek fiziksel ve mekanik dirençe sahip olmaları sayılabilir. Öğütülmüş fındık kabuğu plastik kompozitlerde dolgu malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Türkiye’de fındık büyük ölçüde üretilmekte ve dünyada ilk sırada yer almaktadır ancak kabukları genellikle evlerde yakılarak ısınma amaçlı kullanılmaktadır. Bu çalışmada, fındık kabuğu tozu oranının ve 100 oC’de ısıl yaşlandırma süresinin (0, 15 ve 30 gün) yüksek yoğunluklu polietilen kompozitinin mekanik özelliklerine etkileri incelenmiştir. İlk olarak fındık kabukları halkalı öğürücüde öğütülmüştür. Ağırlıkça %5, 10, 15 ve 20 oranlarında fındık kabuğu tozu yüksek yoğunluklu polietilene eklenerek çift vidalı ekstrüzyon makinesinde karıştırıldı. Daha sonra elde edilen kompozitten enjeksiyon makinesinde çekme, Izod darbe, sertlik ve yoğunluk test numunelere basılarak testler gerçekleştirildi. Yapılan testler sonucunda yüksek yoğunluklu polietilene fındık kabuğu tozunun ilavesiyle elastiklik modülü, akma mukavemeti, çekme mukavemeti, % uzama değeri, yoğunluk, sertlik ve Izod darbe dayanımı değerlerinin azaldığı görüldü. Ayrıca yüksek yoğunluklu polietilen/ fındık kabuğu tozu polimer kompozitlerinin mekanik özellikleri (% uzama hariç), ısıl yaşlandırma süresinin (15 ve 30 gün) artmasıyla arttığı görüldü.

Anahtar Kelimeler

• Yüksek yoğunluklu polietilen
• fındık kabuğu tozu
• mekanik özellikler
• ısıl yaşlandırma

Kaynakça

1. [1] Eichhorn, S.J., Dufresne, A., Aranguren, M., Marcovich, N.E., Capadona, J.R., and Rowan, S.J., (2010), Review: Current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites J. Mat. Sci., 45(1), 1-33.
2. [2] Kızıltaş, A., Nazari, B., Gardner, D.J., and Bousfield, D.W. (2013). Polyamide 6-cellulose composites: Effect of cellulose composition on melt rheology and crystallization behavior, Polym. Eng. Sci, 54(4) 739-746.
3. [3] Peng, Y., Liu, R., Cao, J., and Chen, Y. (2014). Effects of UV weathering on surface properties of polypropylene composites reinforced with wood flour, lignin, and cellulose, Appl. Surf. Sci. 317, 385-392.
4. [4] Ifuku, S., and Yano, H. (2015). Effect of a silane coupling agent on the mechanical properties of a microfibrillated cellulose composite, Int. J. Biol. Macromol, 74, 428-432.
5. [5] Zulkifli, N.I., Samat, N., Anuar, H., and Zainuddin, N. (2015). Mechanical properties and failure modes of recycled polypropylene/microcrystalline cellulose composites, Mater. Des. 69, 114-123.
6. [6] Spoljaric, S., Genovese, A., and Shanks, R.A. (2009). State of the art manufacturing and engineering of nanocellulose: A review of available data and industrial applications, Compos. Part A-Appl. Sci. 40 (6-7), 791-799.
7. [7] Dönmez, C.A., Kalaycıoglu, H., Mengeloğlu, F., (2011). Tea mill waste fibers filled thermoplastic composites: the effects of plastic type and fiber loading, J. Reinf. Plast. Compos. 30(10), 833-844.
8. [8] Dong, C., Davies, I.J., (2012). Flexural properties of macadamia nutshell particle reinforced polyester composites, Compos. Part B-Eng. (43), 2751-2756.

9. [9] Sutivisedsak, N., Cheng, H.N., Burks, C.S., Johnson, J.A., Siegel, J.P., Civerolo, E.L., Biswas, A., (2012). Use of nutshells as fillers in polymer composites, J polymer Environ, 20:305-314.
10. [10] Candemir, M., Özcan, M., Günes, M., Deliktaş, E., (2011). Technical efficiency and total factor productivity growth in the hazelnut agricultural sales cooperatives unions in Turkey. Math. Comp. Appl., 16(1), 66-76.
11. [11] Copur, Y., Güler, C., Akgül, M., Taşçıoglu, C., (2007). Some chemical properties of hazelnut husk and its suitability for particleboard production, Build. Environ. 42 (7), 2568-2572.
12. [12] Idi, A., Mohammad, S.E., (2011). Bioethanol from second generation feedstock (lignocellulose biomass), Interdiscip. J. Contemp. Res. Bus. 3(8), 919-935.
13. [13] Aziz, S.H., Ansell, M.P., (2004). Green composites, Polymer composites and the environment, woodhead pub. Cambridge, UK, pp 154-180.
14. [14] Raj RG., Kokta BV, Nizio JD (1992). Studies on mechanical properties of polyethylene–organic fiber composites. I. Nut shell flour, J Appl poly sci. 45 (1):91.
15. [15] Yerleşen, U., Taşdemir, M., (2015). Effect of zinc oxide and zinc borate on mechanical properties of high density polyethylene, Romanian J. of Materials, 45 (3), 240-243.
16. [16] Taşdemir, M., (2021). Effects of thermal aging on physical and wear properties of high-density polyethylene/hazelnut shell polymer composite, Int. J. Adv. Eng. Pure Sci. 33(2): 329- 336.
17. [17] Akbaş, S., Güleç, T., Tufan, M., Taşcıoğlu, C., Peker, H., (2008). Fındık kabuklarının polipropilen kompozit üretiminde değerlendirilmesi, artvin Çoruh Üni. Orman Fakültesi dergisi, cilt:14, sayı:1, sayfa. 50-56.
18. [18] Mengenoğlu, F., Karakuş, K., (2008). Thermal degradation, mechanical properties and morphology of wheat straw flour filled recycled thermoplastic composites, Sensors 8(1), 500- 519.
19. [19] Korkmaz, B., Özhan, A., Peksanlı, A., Tepeyurt, G.N., Taşdemir, M., (2018). Investigation on phsical and mechanical properties of high density polyethylene/artichoke leaf powder polymer composites, International conferance on physical chemisry and functional materials, Fırat university, Elazıg- Turkey, pp:136-140, june 10-21
20. [20]Teke, Z., Sırtıkara, M., Şahin, K.A., Taşdemir, M., (2019). The investigation of the effects of carbonized and uncarbonized orange peel powder on the mechanical properties of polypropylene, The international conference on materials science, Mechanical and automotive engineering and technology, 21-23 Jun Kapadokya/Nevşehir/Turkey
21. [21] Ulutaş, E., Taşdemir, M., Koçak, E.D., (2019). Investigation of mechanical properties of recycled polypropylene/rice husk polymer composites, The international conference on materials science, Mechanical and automotive engineering and technology, 21-23 Jun Kapadokya/Nevşehir/Turkey
22. [22] Aka, A., Tekerek, A.Y., Güler, G., Taşdemir, M., (2019). High density polyethylene/uncarbonized and carbonized waste corn husk polymer composites: physical and wear behaviors 35th International conference of the polymer processing society (PPS-35) 26 – 30 May Radisson blu resort & Spa, Çeşme-İzmir/Turkey
23. [23] Taşdemir, M., (2019). Mechanical properties of polypropylene biocomposites with sea weeds, Nanomaterials science and engineering, vol 1, no. 1 pp. 22-29