Hibrid kompozitin özellikleri içerdiği her tip fiberin oriyantasyonuna, fiber-matris bağlanmasına, fiberlerin karışabilmelerine ve dilişlerine ve miktarların göre değişir. İki komponentten oluşan hibrid sistemin özelliklerinin belirlenmesinde karışma kuralından yararlanılabilir. Ayrıca, fiber/matris sistemin fiziksel kararlılığı ve mekanik, kimyasal özelliklerinin incelenmesiyle hibrid kompozitlerin performansı saptanır.
Hibrid ve non-hibrid (hibrid olmayan, konvensiyonal) kompozitlerin mekanik özelliklerinin kıyaslanmasına bir örnek olarak epoksi matrisli dört laminat sistem ele alınmıştır (Tablo-7).
Her iki tip (fabrik ve filament sargı) hibrid kompozit gerilme yükü testlerinde benzer sonuçlar verirken, sıkıştırma yükünde filament laminatlar hibrid laminatlara kıyasala daha iyi performansa sahip olduğu görülür. Non-hibrid kompozitlerin performansları relatif olarak daha iyidir.
Laminat
|
Tow oranları: Karbon/Cam
|
Yoğunluk, g/cm3
|
Karbon fiber, % (hac.)
|
Cam fiber, % (hac.)
|
Porözite, % (hac.)
|
Karbon/Cam/Epoksi (fabrikler )
|
1/4
|
1.73
|
17.8 ± 0.2
|
32.0 ± 0.2
|
1.1 ± 0.4
|
Karbon/Cam/Epoksi (Filament sargı)
|
1/4
|
1.84
|
20.6 ± 0.7
|
37.8 ± 1.0
|
0.0 ± 0.1
|
Cam/Epoksi
|
0/1
|
1.99
|
58.7 ± 0.9
|
0.0 ± 0.1
| |
Karbon/Epoksi
|
1/0
|
1.51
|
53.0 ±0.2
|
-
|
0.1 ± 0.2
|
Tablo-8: Doğal Fiber Hibrid Kompozitler
Doğal Fiber
|
Matris
|
Doğal Fiber
|
Matris
|
palmiye/cam
|
rooflite reçine
|
kenaf/cam
|
epoksi reçine
|
bambu/cam
|
vinil ester
|
selüloz/cam
|
epoksi reçine
|
jüt/cam
|
Poliester
|
jüt / pamuk
|
novolak fenolik
|
coir/cam
|
fenolik reçine
|
jüt / cam
|
PP
|
muz/kenaf
|
Poliester
|
keten / cam
|
PP
|
doğal fiber/cam
|
epoksi vinil ester
|
kenaf/ cam
|
doğal kauçuk
|
jüt/biyokütle
|
BFC formaldehit
|
pamuk / ipek
|
PC
|
sisal/kapok
|
USPE
|
odun unu / cam
|
PVC
|
palmiye yağı/jüt
|
epoksi reçine
|
Lignoselülozik Kompozitler
Üzerinde araştırma çalışmaları yapılmış bazı selülozik/sentetik ve selülozik/selülozik fiber takviyeli hibrid kompozit sistemler Tablo-8’da toplanmıştır.
Lignoselülozik kompozitlerin özelliklerini geliştirmede çeşitli yöntemler uygulanmaktadır; hibridizasyon tekniği bunlardan biridir. Hibridizasyonda örneğin, cam fiber dolgulu malzemeler kullanılarak malzemenin kuvveti yükseltilir.
Plastiğin kimyasal kompozisyonuna bağlı olarak, lignoselülozikler veya diğer tip fiberlerle bağlanma yapması farklıdır. Örneğin, poliolefin plastikler (polietilen ve polipropilen gibi) genellikle hidrofobiktir; dolayısıyla plastik ve fiber faz arasındaki bağlanmayı geliştirmek için bir yüzey aktif madde veya arayüz modifier kullanılabilir. Bu tür maddeler aynı zamanda fiberlerin matris içinde dağılmasına da yardımcı olur. Diğer bir örnek polistiren bazlı organik fiber kompozitlerdir; bunlarda yüzey aktif madde veya arayüz modifiere gerek olmaz; organik fiber proses sırasında polistirenle yeterli bağlanmayı sağlar ve iyi bir fiziksel karışmayla polistirende fiberlerin dispersiyonu sağlanır.
Lignoselülozik fiberlerin defibrilasyonuyla hidrojen bağları ayrılır ve fiberlerin yüzeyinde fiberlerden daha küçük çaplı mikrofiberler oluşur. Mikrofibriller oluşumuyla fiberlerin kuvveti yükselir; nedeni, fiber çapının düşmesiyle fiber kusurlarının azalmasıdır.
Defibrilasyondan sonra yüksek makaslamalı (shear) termokinetik bir karıştırıcıda fiberler matrisle ergiyik halinde harmanlanır. Ergiyik harmanlama süresi karıştırıcının özelliklerine ve uygulanan sıcaklığa göre ayarlanır.
Elde edilen organik fiber ve plastik kompozisyonuna, ergiyik harmanlama prosesinden sonra inorganik cam fiberlerin dağıtılıp harmanlanmasıyla bir proses daha uygulanır. Proses sıcaklığı fiberlerin bozunma sıcaklığının altında olmalıdır. Burada önemli nokta karıştırıcının shear etkisi ve alıkonma zamanıdır (residence time). Dispersiyon aşamasında yüksek shear ve alıkonma zamanı daha iyi bir dağılım sağlamasına karşın inorganik fiberlerin uzunluklarında düşüşe neden olabilir.
İnorganik fiber olarak cam, karbon, aromatik poliamid, boron , v.s. kullanılabilir. Matris malzeme termoplastik polimerlerdir; örneğin, polipropilen, polietilen, bazı polipropilen kopolimerleri, polistiren, polivinilklorür, naylon, .. gibi. Ayrıca çeşitli uygun arayüz modifierler (yüzey aktif maddeler) ve kapling maddeler bulunur. Şekil-23’de organik ve inorganik fiber dolgulu tipik bir hibrid kompozit proses şeması verilmiştir.
Şekil-23: Organik ve inorganik fiber dolgulu tipik bir hibrid kompozit proses şematik diyagramı
Aşağıda, kalıplanabilir termoplastik kompozisyonlar ve lignoselülozik fiberlerle hazırlanan bazı hibrid kompozitler ve özellikleri ile ilgili tipik örnekler verilmiştir. Matris malzeme olarak polipropilen alınmıştır; gerilme kuvveti 31.6 MPa, gerilme modülü 1.21 GPa, bükülme kuvveti 50 MPa ve bükülme modülü 1.41 GPa’dır.
Örnek 1: Kalıplanabilir termoplastik kompozisyonlar Tablo-9’da, lignoselülozik hibrid kompozitlerin (A, B, C, D) performans özellikleri Tablo-10’da toplanmıştır. Tablo-10’nun son kolonunda görülen PP performans değerleriyle kıyaslandığında hibrid kompozitlerin yüksek kuvvet (93, 90, 91, 95 MPa) ve sıkılık (stiffness; sırasıyla 5.6, 6.1, 6.2, 6.5 GPa) gerektiren uygulamalara cevap verebilecek performansa sahip oldukları görülmektedir.
Malzeme , %ağ.
|
Örnek
| |||
A
|
B
|
C
|
D
| |
Polipropilen (PP)
|
40
|
40
|
40
|
40
|
Ağartılmış kâğıt hamuru
|
35
|
—
|
—
|
—
|
Termomekanik kâğıt hamuru
|
—
|
35
|
—
|
—
|
Ağartılmamış kraft hamuru
|
—
|
—
|
35
|
—
|
Kemitermomekanik kâğıt hamuru
|
—
|
—
|
—
|
35
|
Cam fiber
|
15
|
15
|
15
|
15
|
Polipropilen maleat
|
10
|
10
|
10
|
10
|
Performans özelliği
|
Örnek
| ||||
A
|
B
|
C
|
D
|
PP
| |
Gerilme kuvveti, MPa
|
93
|
90
|
91
|
95
|
31.6
|
Gerilme modülü, GPa
|
4.6
|
4.7
|
4.1
|
5.0
|
1,21
|
Bükülme kuvveti, MPa
|
143
|
142
|
144
|
155
|
50
|
Bükülme modülü, GPa
|
5.6
|
6.1
|
6.2
|
6.5
|
1.41
|
İzod darbe kuvveti (çentikli), J/M
|
87
|
70
|
78
|
72
| |
İzod darbe kuvveti (çentiksiz), J/M
|
421
|
312
|
399
|
405
|
Örnek 2: Hibrid kompozitlerin mekanik özelliklerine fiber tipinin etkisi incelendiğinde (aynı defibrilasyon zamanı), farklı fiberler için farklı değerler elde edilir. Bu durum fiberlerin hazırlanma metodu gibi, fiberin özelliklerini belirleyen etkenlerden kaynaklanır; örneğin, mekanik olarak oluşturulan hamur, veya kimyasal işlenmiş hamur, veya ağartılmış hamur farklı karakteristikler gösterir. Kimyasal işlem uygulanmış fiberlerdeki (hamur) lignin miktarı düşük olduğundan defibrilasyon daha kolaydır ve mekanik performansı, mekanik olarak oluşturulan hamurla kıyaslandığında daha yüksektir. Sabit defibrilasyon zamanında fiber tipinin hibrid kompozitin mekanik özelliklerine etkisi Tablo-11’de toplanmıştır. Yumuşak odun hamuru için, diğer hamur fiberlerden daha uzun defibrilasyon zamanına gerek vardır; bunlarda hidrofobik selüloz miktarı yüksek olduğundan defibrile olmaları ve matriste dağılmaları zordur.
Performans özelliği
|
Örnek
| ||
TMP
|
BCTMP (sert odun)
|
BCTMP (yumuşak odun)
| |
Gerilme kuvveti, MPa
|
90
|
95
|
79.2
|
Gerilme modülü, GPa
|
4.7
|
5.0
|
4.8
|
Bükülme kuvveti, MPa
|
142
|
155
|
139
|
Bükülme modülü, GPa
|
6.1
|
6.5
|
5.6
|
İzod darbe kuv. (çentiksiz), J/M
|
312
|
405
|
302
|
TMP: termomekanik hamur (pulp), BCTMP: ağartılmış kemitermomekanik fiber
Örnek 3: Aynı defibrilasyon zamanı ve proses koşullarında hazırlanan hibrid kompozitlerin mekanik özelliklerine cam fiber yüklemenin etkisi Tablo-12’de toplanmıştır; değerler, hibridizasyonun istenilen özelliklere göre değiştirilebileceğini göstermektedir.
Performans özelliği
|
Örnek
| |
%40 BCTMP (sert odun) + %10 GF
|
%35 BCTMP (sert odun) + %15 GF
| |
Gerilme kuvveti, MPa
|
85
|
95
|
Gerilme modülü, GPa
|
4.6
|
5.0
|
Bükülme kuvveti, MPa
|
137
|
155
|
Bükülme modülü, GPa
|
5.7
|
6.5
|
İzod darbe kuv., (çentiksiz), J/M
|
329
|
405
|
Örnek 4: Fiberler ve polimer matris arasındaki yüzey arası etkileşimin geliştirilmesi için fonksiyonel polimerler kullanılır. Aynı miktarda fiber içeren ve aynı proses koşullarında hazırlanan hibrid kompozitlere fonksiyonel modifier miktarının etkisi Tablo-13’da görülmektedir.
Performans özelliği
|
Örnek
| |||
E
|
F
|
G
|
H
| |
Gerilme kuvveti, MPa
|
83.5
|
85
|
90
|
95
|
Gerilme modülü, GPa
|
4.6
|
4.6
|
4.9
|
5.0
|
Bükülme kuvveti, MPa
|
134
|
137
|
145
|
155
|
Bükülme modülü, GPa
|
5.7
|
5.7
|
6.1
|
6.5
|
İzod darbe kuv., (çentiksiz), J/M
|
321
|
329
|
413
|
405
|
E: %40 BCTMP + %10 GF + %5 katkı, F: %40 BCTMP + %10 GF + %10 katkı, G: %35 BCTMP + %15 GF + %5 katkı, H: %35 BCTMP + %15 GF + %10 katkı
Örnek 5: Organik fiber/cam fiber hibrid termoplastik kompozitlerin performansı uygulanan prosese bağlı olarak değişir; proseste, cam fiber, organik fiber termoplastik kompozit pelletler veya granüllerle karıştırılır. Aynı kompozisyondaki hibrid kompozitin fiber uzunluğuna ve performans özelliklerine karıştırma (veya harmanlama) prosesinin etkisi Tablo-14’da toplanmıştır.
Tablo-14: Hibrid Kompozitlerin Mekanik Özelliklerine Proses Koşullarının (Organik Fiber Kompozit Pelletlerle Cam Fiber Harmanı) Etkisi
Performans
özelliği
|
Örnek
|
||
I
|
J
|
K
|
|
Gerilme kuvveti, MPa
|
68.8
|
69.4
|
82.2
|
Gerilme modülü, GPa
|
4.6
|
4.5
|
4.5
|
Bükülme kuvveti, MPa
|
119
|
115
|
134
|
Bükülme modülü, GPa
|
5.5
|
5.4
|
5.8
|
İzod darbe kuvveti (çentikli), J/M
|
62
|
32
|
51
|
İzod darbe kuv., (çentiksiz), J/M
|
321
|
329
|
355
|
I: İnjeksiyon
kalıplama sırasında fiziksel karıştırma ve harmanlama, J: İnjeksiyon kalıplama
öncesinde ekstruderde harmanlama, K: İnjeksiyon kalıplama öncesinde
karıştırıcıda (low shear) harmanlama
