Experimental and mathematical modeling studies on thermoplastic composites filled with organic and inorganic residues Organik ve inorganik atık katkılı termoplastik kompozitler üzerine deneysel ve matematiksel modelleme araştırmaları

ÖZETBu tez çalışmasında inorganik dolgu maddeleri (kırmızı çamur (Boksit cevheri atığı) ve kağıt hamur ve üretim çamuru endüstriyel atıkları veya bor bileşikleri) katkılanmış polimer kompozit üretimi yapılmıştır. Üretim işleminde dolgu oranları bir deneysel dizayn (D-optimal karışım ve tam bileşenli) sistematiği ile planlanmış ve üretimler termo-kinetik mikser ve çift vidalı ekstrüder ile gerçekleştirilmiştir. Kompozitlerin ve hammaddelerin karakterizasyonunda çeşitli test ve analiz cihazları kullanılmıştır. Kompozitlerin mekanik davranışlarının optimizasyonu amacıyla deneysel veriler ilk olarak regresyon analiziyle matematiksel olarak modellenmiştir. Daha sonra dört farklı (Genetik Algoritma, Diferansiyel Gelişim, Nelder-Mead, ve Benzetimli Tavlama) optimizasyon algoritması ile mekanik özelliklerin maksimizasyonu için optimum üretim parametreleri elde edilmiştir. Deneysel karakterizasyonun yanı sıra kırmızı çamur/polipropilen kompozitlerin termal iletkenlik davranışı teorik (Russell, Maxwell-Eucken, Bruggeman, Hamilton-Crosser ve Cheng-Vachon) ve empirik (Nielsen, Agari, Karışık-emprik ve perkolasyon) modeller kullanılarak ortaya konmuştur. Ayrıca, teorik modeller (Kissinger, Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Horowitz-Metzger, Achar ve Coats-Redfern) ile hem dolgu maddeleri hem de kompozitlerin termal degradasyon davranışları araştırılmıştır. Termal degradasyon davranışlarının araştırılması çalışmalarında Coast-Redfern metodu modifiye edilerek nihai çözüme ulaşılması sağlanmıştır. Daha sonra ise geleneksel Coast-Redfern metodu ile modifiye metod kıyaslanarak fark grafikleri ortaya konmuştur.ABSTRACTIn this thesis, red mud (bauxite ore waste) and pulp and paper mill sludge industrial wastes or boron compounds, polymer composites with inorganic fillers were produced. Filler ratios in the production process were planned with experimental design (D-optimal mixture and full component) systematic, and the productions were carried out with thermo-kinetic mixer and twin-screw extruder. Numerous test and analysis techniques have been used to characterize composites and raw materials. To optimize the mechanical behavior of composites, experimental data was first mathematically modeled by regression analysis. Then optimum production parameters were obtained for the maximization of mechanical properties with four different (Genetic Algorithm, Differential Evolution, Nelder-Mead, and Simulated Annealing) algorithm. Additionally, experimental characterization, the thermal conductivity behavior of red mud/polypropylene composites, has been demonstrated using theoretical (Russell, Maxwell-Eucken, Bruggeman, Hamilton-Crosser, and Cheng-Vachon) and empirical (Nielsen, Agari, Mixed-empiric, and Percolation) models. Also, thermal degradation behaviors of both fillers and composites were investigated with theoretical models (Kissinger, Friedman, Flynn Wall Ozawa, Horowitz Metzger, Achar, and Coats-Redfern). In the studies for the investigation of thermal degradation behaviors, the Coast-Redfern method has been modified to reach the exact solution. Then, the difference between the traditional Coast-Redfern method and the modified method is presented.