Preparation of Epoxy Resin-Based Hybrid Biocomposites and Investigation of Their Properties

Abstract

Hibrit kompozitler günümüzde hem ekonomik hem de çevresel açıdan artan bir öneme sahiptir. Bu çalışmada kiraz çekirdeği kabuğu (KÇK) ve tavuk yumurtası kabuğu (YK) gibi doğal atıkların, ilk kez yeni bir hibrit dolgu karışımı olarak kullanım potansiyeli değerlendirilmiştir. KÇK ve YK kullanımı, kompozitlerin maliyetini düşürmenin yanı sıra biyobazlı içeriği artırma potansiyeli sunmaktadır. Lignoselülozik yapıdaki KÇK, dolgu-matris arayüz etkileşimini iyileştirmek amacıyla %5'lik NaOH çözeltisi ile kimyasal olarak modifiye edilmiştir. Epoksi reçine (ER) matris içerisinde, hem organik (NaOH ile işlenmiş KÇK) hem de inorganik (YK) hibrit dolgular birlikte kullanılmıştır. Hibrit kompozitlerin morfolojik özellikleri, su emilimi davranışları, termal dayanımı ve mekanik performansı kapsamlı şekilde incelenmiştir. Çekme dayanımı açısından, saf ER'ye kıyasla alkali ile işlenmiş KÇK (NaOH-KÇK) ve YK'nin 1:1 ve 1:3 oranlarında karıştırıldığı hibrit dolgular, sırasıyla %17,98 ve %14,27 oranında artış sağlamıştır. Buna karşılık, ham KÇK ve YK içeren kompozitlerde bu artış sırasıyla %5,73 ve %7,3 olarak gözlenmiştir. Ayrıca, deniz suyu ve hidrotermal ortamlar gibi farklı yaşlanma koşullarında kompozitlerin termal kararlılığı termogravimetrik analiz (TGA) ile, dinamik-mekanik davranışları ise dinamik mekanik analiz (DMA) ile değerlendirilmiştir. Hidrotermal yaşlanma, kompozitlerin özelliklerini en fazla etkileyen koşul olarak belirlenmiştir. Son olarak, hibrit dolgu oranlarının mekanik özellikler üzerindeki etkisini istatistiksel olarak belirlemek amacıyla varyans analizi (ANOVA) uygulanmıştır.

Hybrid composites have become increasingly important in terms of both economic and environmental compatibility. In this study, the potential use of cherry stone shell (CPSh) and chicken eggshell (ChESh) as a novel hybrid filler blend was evaluated for the first time. The use of CSS and ES offers the potential to reduce the cost of composites while increasing their biobased content. The lignocellulosic CSS was chemically modified with a 5% NaOH solution to enhance the filler–matrix interfacial interaction. In the epoxy resin (ER) matrix, both organic (NaOH-treated CPSh) and inorganic (ES) hybrid fillers were incorporated together. The morphological characteristics, water absorption behavior, thermal stability, and mechanical performance of the hybrid composites were thoroughly investigated. In terms of tensile strength, compared to neat ER, hybrid fillers prepared by mixing NaOH-treated CPSh and ChESh at a ratio of 1:1 and 1:3 showed increases of 17.98% and 14.27%, respectively. In contrast, composites containing untreated CPSh and ChESh exhibited increases in tensile strength of 5.73% and 7.3%, respectively. Additionally, the thermal stability of the composites under various aging conditions (seawater and hydrothermal environments) was investigated using thermogravimetric analysis (TGA). At the same time, their dynamic mechanical behavior was evaluated using dynamic mechanical analysis (DMA). Hydrothermal aging was identified as the most influential condition affecting the composite properties. Finally, analysis of variance (ANOVA) was conducted to determine the statistical significance of different hybrid filler ratios on the mechanical properties of the composites.