Advanced mechanical and microstructural characterization of rear bumper material produced from hosehold waste

Abstract

In this study, the usability of the composite material, which is the result of adding an organic decarbonizer to the talc reinforced polypropylene matrix, as a rear bumper in passenger buses, is investigated. In this context, it is aimed to obtain a cheap, sustainable and environmentally friendly composite. The mentioned organic decarbonizer is created from unsorted household waste and its average carbon footprint is -11.7 kg/CO2eq. The carbon footprint of polypropylene, which is used as a matrix material, is 2.8 kg/CO2eq. Four observation groups were formed based on the results of life cycle analyzes and carbon footprint contributions. These groups are respectively 10% decarbonizer + 20% talc, 20% decarbonizer +15% talc, 25% decarbonizer + 12% talc and 37% decarbonizer + 10% talc. In order to evaluate its usability as a rear bumper in passenger buses, advanced mechanical characterization and microstructural examination of the observation groups were carried out. In order to observe the performance decrease that may occur due to temperature over time, the same experiments were repeated on the samples that underwent accelerated thermal aging at 100 ˚C for 7 days. In the results obtained, it was seen that the decarbonizer behaves in a fibrous structure inside the material, but is not surrounded by the matrix. At the same time, it was seen that the distribution of the decarbonizer material in the matrix was random and did not have any orientation. It has been determined that as the ratio of decarbonizer increases, the matrix-decarbonizer interaction, which weakens the material by creating stress concentration areas in the material, increases and this situation deteriorates the mechanical properties of the material. In the tensile tests, impact tests and bending tests, it was observed that the strength and toughness of the material decreased as the decarbonizer ratio in the material increased and the talc ratio decreased, as well as the ductility of the material. As a result of thermal aging, a 1% decrease was observed in tensile strength in all observation groups, while an increase between 3% and 12% was observed in elongation at break. In the impact tests, a decrease of up to 18% was observed in the impact strength of the samples subjected to thermal aging. In the observation group containing 25% decarbonizer and 12% talc, results were obtained that do not comply with the trend of deterioration of mechanical properties due to the increasing decarbonizer ratio in the material in impact strength and flexural strength. The reason for this behavior has not been determined yet, and this issue will be emphasized in the next study.

Bu çalışmada 21. Yüzyılın en büyük problemlerinden biri olarak kabul edilen şirketlerin ve bireylerin artan karbon ayak izini azaltmaya yönelik geri dönüşüme yeni bir soluk getiren organik bir decarbonizer’in talc takviyeli polipropilen matrise eklenmesi sonucu ortaya çıkan kompozit malzemenin yolcu otobüslerinde arka tampon olarak kullanılabilirliği araştırılmaktadır. Bu bağlamda ucuz, sürdürülebilir, çevre dostu bir kompozit elde edilmesi amaçlanmıştır. Bahsi geçen organik decarbonizer ayrıştırılmamış ev atıklarından oluşturulmakta olup ortalama karbon ayak izi -11.7 kg/CO2eq’dir. Matris olarak kullanılan polipropilen ’in karbon ayak izi ise 2,8 kg/CO2eq’dir. Yaşam döngüsü analizleri sonucu ve karbon ayak izi katkıları göze alınarak dört adet gözlem grubu oluşturulmuştur. Bu gruplar sırasıyla 10% decarbonizer + 20% talc, 20% decarbonizer +15% talc, 25% decarbonizer + 12% talc ve 37% decarbonizer + 10% talc oranlarındadır. Yolcu otobüslerinde arka tampon olarak kullanılabilirliğini değerlendirmek adına gözlem grupların ileri seviye mekanik karakterizasyon ve mikroskobik yapı incelemesi yapılmıştır. Zamanla sıcaklığa bağlı meydana gelebilecek performans düşümünü de gözlemlemek amacı ile 7 gün 100 ˚C hızlandırılmış ısıl yaşlandırma yapılan numunelerde de aynı deneyler tekrarlanmıştır. Elde edilen sonuçlarda decarbonizer’in malzemenin içinde fibersi bir yapıda davrandığı fakat matris tarafından sarılmadığı görülmüştür. Aynı zamanda decarbonizer malzemenin matris içindeki dağılımının da rastgele olduğu ve bir yönlenmesi olmadığı görülmüştür. Decarbonizer’in oranı arttıkça malzemede gerilim konsantrasyon oranları yaratarak malzemeyi zayıflatan matris-decarbonizer etkileşiminin arttığı ve bu durumun malzemenin mekanik özelliklerinin kötüleştiği saptanmıştır. Çekme testleri, darbe testleri ve eğme testlerinde malzemedeki decarbonizer alanları arttıkça ve talc oranı azaldıkça malzemenin mukavemetinin ve tokluğunun azaldığı aynı zamanda duktilitesinin de düştüğü gözlemlenmiştir. Termal yaşlandırma sonucu çekme mukavemetinde bütün gözlem gruplarında %1 lik bir düşüş gözlemlenirken, kopma uzamasında %3 ila %12 arasında bir artış görülmüştür. Darbe testlerinde termal yaşlandırmaya tabi tutulan numunelerde darbe dayanımında %18’e kadar düşüş görülmüştür. 25% decarbonizer ve 12% talc içeren gözlem grubunun darbe dayanımında ve eğme dayanımında malzemedeki artan decarbonizer oranına bağlı olarak mekanik özelliklerin kötüleşmesi trendine uymayan sonuçlar elde edilmiştir. Bu davranışın nedeni henüz belirlenememiş olup gelecek çalışmada bu konuya ağırlık verilecektir.