Molecular dynamıcs analyses and experımental ınvestıgatıon ın the effects of the nanoaddıtıves on the thermo-mechanıcal propertıes and fracture toughness of bıodegradable polylactıc thermoplastıc
| dc.contributor.advisor | Boğa, Cem | |
| dc.contributor.advisor | Seyedzavvar, Mırsadegh | |
| dc.contributor.author | Zehir, Burçak | |
| dc.date.accessioned | 2025-01-06T17:12:06Z | |
| dc.date.available | 2025-01-06T17:12:06Z | |
| dc.date.issued | 2022 | |
| dc.department | Enstitüler, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı | |
| dc.description | Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı | |
| dc.description.abstract | Günümüzde, Eklemeli İmalat teknolojisi, diğer ilgili teknolojilerin yayılmasıyla modern bir üretim tekniği haline gelmiştir. Eriyik yığma modelleme (Fused Deposition Modeling-FDM), polimer kompozit parçaların üretiminde düşük maliyet ve yüksek hız gibi bazı avantajları ile öne çıkan, iyi bilinen ve yaygın olarak kullanılan eklemeli imalat yöntemlerinden biridir. Bununla birlikte, geleneksel yöntemlere kıyasla eriyik yığma modelleme tekniği, polimerik filamentler olarak bilinen yapı malzemelerinin kolay işlenebilirlik, düşük maliyet ve iyi kimyasal direnç gibi avantajlarına rağmen termo-mekanik özelliklerindeki eksiklikler nedeniyle bazı sınırlamalara sahiptir. Bu nedenle, eriyik yığma modelleme ile baskı tekniği, yapı malzemelerinde nanopartiküllerin güçlendirilmesi ile uygulama alanlarını genişletebilir. Bu çalışmanın amaçları (i) hızlı ve uygun maliyetli bir FDM teknolojisi kullanarak üstün termo-mekanik özelliklere ve kırılma davranışlarına sahip polimer bazlı nanokompozit parçaların kullanımını yaygınlaştırmak ve (ii) parçaların mekanik performansının tahmin edilmesinde MD simülasyonlarının etkinliğini araştırmak amacıyla, üretilen parçaların mekanik özelliklerinin moleküler dinamik (MD) simülasyonlarının sonuçlarıyla karşılaştırılması için enjeksiyonlu kalıplama işlemi kullanılarak polimer bazlı nanokompozit parçalar üretmektir. Bunun için matris malzemesi olarak biyolojik olarak parçalanabilen polimerlerin başında gelen polilaktik asit (PLA) ve takviye malzemesi olarak kalsiyum karbonat (CaCO3) nanopartikülleri kullanılmıştır. Bu amaçla, PLA/CaCO3 nanokompozit filamentler, polimer matrise farklı ağırlık oranlarında nanopartikül takviyesi edilerek (%0, %0.5 ve %1) eriyik karıştırma tekniği ile çift vidalı ekstrüder sistemi kullanılarak sentezlenmiştir. Bu filamentler, nanopartiküllerin ve baskı parametrelerinin PLA nanokompozitlerinin mekanik özellikleri ve karışık mod kırılma yükleri altında kırılma davranışı üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla, FDM tekniği ile farklı baskı parametrelerinde numuneler üretmek için kullanılmıştır. Bu bağlamda, bu çalışma, baskı hızı, nanoparçacık ilavesinin ağırlık fraksiyonları, katman kalınlığı, doldurma oranı ve iç mimari olarak adlandırılan bu farklı parametrelerin FDM 3D baskılı PLA'nın kırılma özellikleri ve mekanik davranışı üzerindeki etkilerini ve önemini araştırmaktadır. Bu amaçla, maksimum malzeme özelliklerinin elde edilebileceği optimize edilmiş faktör seviyelerini belirlemek için deneysel sonuçlara dayalı olarak Taguchi L27 tasarımının analizi yapılmıştır. Böylece gelecek çalışmalarda PLA tabanlı malzemelerin FDM 3D baskısında hangi kombinasyonun kullanılabileceği veya hangi faktör seviyesinin uygun olacağı belirlenmiştir. Farklı ağırlık oranlarında ve farklı FDM baskı parametrelerinde üretilen PLA bazlı nanokompozitlerin mekanik ve karışık mod kırılma özelliklerini modellemek ve tahmin etmek için bir yanıt yüzeyi metodolojisi (RSM) kullanılmıştır. Mekanik karakterizasyon için üretilen numuneler tek eksenli çekme testlerine tabi tutulmuştur. Numunelerin karışık mod kırılma davranışı, tek eksenli çekme test makinesine monte edilmiş laboratuarda geliştirilmiş bir fikstür kullanılarak ön çatlağa sahip numunelere karışık mod yüklemeleri uygulanarak incelenmiştir. Bu tür numunelerdeki çatlak açıklığını simüle etmek ve farklı yükleme açılarında kırık numunelerinin geometri şekil fonksiyonlarını hesaplamak için sonlu eleman simülasyonları kullanılmıştır. Son olarak, deneysel prosedürlerden sonra, parçaların kırılma morfolojisini ortaya çıkarmak ve nanoparçacıkların varlığını doğrulamak için test numunelerinin kırık yüzeyleri üzerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) incelemeleri yapılmıştır. Ek olarak, PLA matrisine CaCO3 nanoparçacıklarının eklenmesiyle PLA polimerinin cam geçişindeki ve ısı kapasitesindeki değişiklikleri belirlemek için diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizleri yapılmıştır. İkinci olarak, enjeksiyon kalıplama ile elde edilen farklı ağırlık oranlarına sahip (% 1, %3 ve %5) PLA/CaCO3 nanokompozitlerinin fiziksel davranışını araştırmak ve bir yüzey üzerinde moleküller ve nanopartiküller arasındaki etkileşimlerin ayrıntılarını atomik ölçekte sağlamak için Material Studio yazılımı kullanılarak moleküler dinamik (MD) simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Deneysel prosedürlerden elde edilen sonuçları doğrulamak için moleküler dinamik analizleri yapılmıştır ve moleküler dinamik simülasyonlar ile deneysel sonuçların birbiriyle uyumlu olması nedeniyle, enjeksiyonla kalıplanmış PLA/GR nanokompozitlerin mekanik özelliklerini tahmin etmek için farklı ağırlık fraksiyonlarında PLA/GR nanokompozit malzemeleri simüle edildi. Materials Studio yazılımının malzemelerin mekanik özelliklerini tahmin etmede doğru sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. | |
| dc.description.abstract | Nowadays, Additive Manufacturing (AM) has become a modern manufacturing technique with the spread of other related technologies. Fused deposition modeling (FDM) is one of the well-known and widely used AM methods that emerges some advantages, such as low cost and high speed, and has been used in the production of polymer composite parts. However, FDM 3D printing has some limitations due to shortcomings in the thermo-mechanical properties of its building materials, known as polymeric filaments, although they have advantages such as easy processability, low cost, and good chemical resistance. Therefore, the FDM technique may be able to extend its application areas with the reinforcement of nanoparticles in building materials. The aims of this study are to (i) expand the use of polymer-based nanocomposite parts with superior thermo-mechanical properties and fracture behaviors by using a rapid and cost-effective FDM technology and (ii) produce polymer-based nanocomposite parts by utilizing the injection molding process to investigate the effectiveness of molecular dynamics (MD) simulations in forecasting the mechanical performance of parts through the comparison of mechanical properties of produced parts with the results of MD simulations. In order to accomplish the first objective, polylactic acid (PLA), one of the foremost biodegradable polymers, was chosen as the matrix material, while calcium carbonate (CaCO3) nanoparticles were used as reinforcement materials. For this purpose, the PLA/CaCO3 nanocomposite filaments, containing different weight ratios (0, 0.5, and 1 wt%) of nanoparticles in the matrix, have been synthesized by melt-blending technique using a twin-screw extruder system. These filaments were used to produce samples by FDM technique with different printing parameters to study the effects of nanoparticles and printing parameters on the mechanical properties and fracture behavior of the PLA nanocomposites under mixed-mode fracture loadings. In this regard, this study investigates the effects and significance of these different parameters, which are called printing speed, weight fractions of nanoparticle addition, layer thickness, filling ratio, and internal architecture, on the fracture characteristics and mechanical behavior of FDM 3D printed PLA and PLA/CaCO3 nanocomposites. To this end, the analysis of the Taguchi L27 design has been conducted based on the experimental results to determine the optimized levels of factors by which the maximum level of material properties could be obtained. Thus, it has been determined which combination can be used in further FDM 3D printing of PLA-based materials, or which factor level will be appropriate. A response surface methodology (RSM) was employed to model and predict the mechanical and mixed-mode fracture properties of the PLA-based nanocomposites produced in different weight ratios and different FDM printing parameters. The produced samples were subjected to uniaxial tensile tests for mechanical characterization. Mixed-mode fracture behavior of the synthesized samples were studied by applying mixed-mode loadings on the pre-cracked samples using an in-lab developed fixture mounted on the uniaxial tensile test machine. Finite element simulations are employed to simulate the crack opening on such specimens and calculate the geometry shape functions of the fracture samples at different loading angles. Finally, after the experimental procedures, scanning electron microscopy (SEM) examinations have been conducted on the fractured surfaces of the test samples to reveal the fracture morphology of parts and validate the presence of nanoparticles. In addition, differential scanning calorimetry (DSC) analyses are conducted to determine the variations in the glass transition and heat capacity of the PLA polymer by the incorporation of CaCO3 nanoparticles in the PLA matrix. Secondly, uniaxial tensile test specimens of PLA and PLA/CaCO3 nanocomposites have been produced with the injection molding process to verify the MD simulations. Material Studio software is employed to investigate the physical behavior of injection molded PLA/CaCO3 nanocomposites in different weight ratios (1, 3, and 5 wt%) and to research the details of interactions between the molecules and nanoparticles on an atomic scale. For the reason that the molecular dynamics simulations verify the experimental results, graphene (GR) reinforced PLA nanocomposites were simulated to predict the mechanical properties of injection molded PLA/GR in different weight fractions. It has been observed that Materials Studio software provides accurate results in estimating the mechanical properties of materials. | |
| dc.identifier.endpage | 231 | |
| dc.identifier.startpage | 1 | |
| dc.identifier.uri | https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/TezGoster?key=sELqxhTlFGAjsbjOuuiyCAp0mVrjIxPSJv3P64iqcQ6db8BT4eDj1Q-jVGzr-DyO | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.14669/291 | |
| dc.identifier.yoktezid | 748612 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.publisher | Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi | |
| dc.relation.publicationcategory | Tez | |
| dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | |
| dc.snmz | KA_20241211 | |
| dc.subject | Makine Mühendisliği | |
| dc.subject | Mechanical Engineering | |
| dc.title | Molecular dynamıcs analyses and experımental ınvestıgatıon ın the effects of the nanoaddıtıves on the thermo-mechanıcal propertıes and fracture toughness of bıodegradable polylactıc thermoplastıc | |
| dc.title.alternative | Parçalanabilen polilaktik asit termoplastiklere nano katki maddelerinin ilavesinin termo-mekanik özellikleri ve kırılma tokluğu üzerindeki etkilernin moleküler dinamik analizleri ve deneysel olarak incelenmesi | |
| dc.type | Master Thesis |
