Investigation of compositional effects on ternary polyamide/acrylonitrile butadiene styrene blend properties
Üçlü poliamid/akrilonitril bütadien stiren karışımlarının özellikleri üzerindeki bileşimsel etkilerin araştırılması
- Tez No: 1002442
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sürdürülebilir malzemelere olan yükselen talep ve geri dönüştürülmüş polimerlerin mühendislik uygulamalarına dahil edilmesine dair artan regülasyon baskıları, polimer harmanlama metodolojisini faydalı özellikleri tamamlayıcı olarak bir araya getirmek için etkili yöntemlerden biri olarak kullanılmaktadır. Bu bağlamda, poliamid (PA) ve akrilonitril-bütadien-stiren (ABS) harmanları, poliamidlerin yüksek sertliği, ısı direnci ve kimyasal dayanıklılığı ile ABS'nin tokluğu ve işlenebilirliğini birleştirme potansiyeli sayesinde literatürde ve endüstride uzun süredir çalışılmaktadır. İkili PA/ABS sistemleri kapsamlı bir şekilde araştırılmış ve ticarileştirilmiş olsa da birden fazla poliamid sınıfını (özellikle PA6 ve PA66) içeren üçlü PA/ABS karışımları, özellikle bileşimsel esneklik ve geri dönüşüm odaklı formülasyon tasarımıyla ilgili olarak yeterince araştırılmamıştır. Bu çalışma, bileşimsel etkiler, geri dönüştürülmüş ve saf malzeme kullanımı ve katkı sistemi verimliliğine odaklanarak, üçlü PA6/PA66/ABS karışımlarının yapı-özellik ilişkilerini sistematik olarak inceleyerek literatürdeki bu eksikliği kapatmayı amaçlamaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, ABS, PA6 ve PA66 oranlarındaki değişimlerin mekanik, termal ve reolojik özellikleri nasıl etkilediğini ortaya koymak ve farklı formülasyonlarda performans istikrarının sağlanıp sağlanamayacağını tespit etmektir. Bu tür formülasyon esnekliği, hammadde bileşiminin doğası gereği değişken olduğu ve katı malzeme ayrımının genellikle pratik olmadığı geri dönüşüm senaryoları için son derece önemlidir. Tez, tek bir formülasyonu optimize etmek yerine, farklı polimer oranlarının karşılaştırılabilir performans sağlamasına olanak tanıyan bileşim-özellik aralıklarını tanımlamayı ve böylece daha esnek ve ölçeklenebilir geri dönüşüm stratejilerini mümkün kılmayı amaçlamaktadır. Bu hedeflere ulaşmak için kapsamlı bir deneysel metodoloji kullanılmıştır. Temel polimerler olarak saf ve geri dönüştürülmüş ABS, PA6 ve PA66 polimerleri kullanılmış, böylece polimer kalitesinin etkisi doğrudan değerlendirilmiştir. Polimerlerin etkileşimlerini ve arayüzey davranışlarını incelemek için iki farklı uyumlulaştırıcı sistem ve iki farklı darbe mukavemeti artırıcı analiz edilmiştir. Formülasyonlar, aynı sıcaklık profilinde ve benzer tork aralıklarında eş dönen çift vidalı ekstrüder kullanılarak hazırlanmış, ardından ISO standartlarına uygun test numuneleri enjeksiyon kalıplama yöntemiyle üretilmiştir. Mekanik karakterizasyon, ilgili ISO standartlarına uygun olarak çekme testi ve çentikli/çentiksiz darbe testi yoluyla gerçekleştirilmiştir. Termal özellikler bileşimin ve katkı maddelerinin poliamid kristal fazları üzerindeki etkisine odaklanılarak diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) kullanılarak analiz edilmiştir. Ayrıca, işlenebilirliği ve üretim açısından formülasyon esnekliğini değerlendirebilmek için erime akış indeksi (MFI) ölçümleri yapılmıştır. Deneysel bulgular, uyumlulaştırıcı içeriği ve işleme koşulları sabit tutulduğunda bile, üçlü PA/ABS karışımlarının davranışında bileşimsel etkilerin fark yarattığını göstermektedir. PA66 içeriğinin artırılması, hidrojen bağlarının getirdiği yüksek kristailnite nedeniyle daha yüksek çekme modülleri sağlarken, PA6 içeriğinin artırılması, daha düşük kristalinite ve daha yüksek zincir hareketliliği nedeniyle sünekliği ve enerji sönümleme kapasitesini artırmıştır. ABS, poliamid kristalinitesini seyrelten, sertliği azaltan ve akış davranışını etkileyen amorf bir faz olarak işlev görmüş, kauçuk içeriği ise arayüzey verimliliğine bağlı olarak toklukta ikincil bir rol oynamıştır. Çalışmanın önemli bir sonucu olarak, mekanik performans açısından dengeli PA6/PA66 bileşimleri olduğu tespit edilmiştir. Ara PA6/PA66 oranlarına sahip karışımlar, PA6 veya PA66 baskın sistemlere kıyasla üstün tokluk sergilemiştir; bu durum ne aşırı kristalliğin ne de aşırı esnekliğin tek başına optimum performans sağlamadığını göstermektedir. Aksine, iki poliamid arasındaki sinerjik bir denge, daha etkili yük transferi ve plastik deformasyonu mümkün kılmaktadır. Bu bulgular, ikili sistemlerden davranış çıkarımı yapmak yerine üçlü etkileşimleri dikkate almanın önemini vurgulamaktadır. Saf ve geri dönüştürülmüş polimerler arasındaki karşılaştırma, kritik eğilimleri ortaya koymaktadır. Geri dönüştürülmüş ABS, polibütadien kauçuk fazının bozulması nedeniyle saf ABS'ye göre daha yüksek sertlik sergilerken kauçuk verimliliğinin azalması kırılganlığı artırmıştır. Geri dönüştürülmüş poliamidler, DSC ile gözlemlendiğinde, zincir kırılması ve lameller heterojenliği yansıtan daha geniş ve yüzeysel erime pikleri ortaya koymuştur. Bu etkilere rağmen, çalışma, bileşimin uygun şekilde seçilmesi koşuluyla, geri dönüştürülmüş bileşenler kullanılarak kabul edilebilir ve birçok bileşimde karşılaştırılabilir mekanik performansın elde edilebileceğini ortaya çıkarmıştır. Bu, üçlü PA/ABS karışımlarının geri dönüşüm odaklı malzeme tasarımı için aday olarak uygunluğunu güçlendirmektedir. DSC sonuçları, ABS içeriğinin artmasının poliamid kristalleşmesini baskıladığını ve erime tepelerini genişlettiğini, PA6/PA66 oranının ise tek veya çoklu erime endotermlerinin baskın olup olmadığını belirlediğini göstermiştir. Hem PA6 hem de PA66 içeren karışımlar, kristallenme esnasında karşılıklı etkileşimle bazı durumlarda birbiriyle örtüşen erime davranışı sergilemiştir. Katkı maddesi sistemleri, özellikle daha yüksek uyumlulaştırıcı veya darbe değiştirici yüklemelerinde, amorf ara yüzeyi artırarak ve kristal büyümesini engelleyerek bu etkileri daha da görünür hale getirmiştir. MFI ölçümleri yoluyla yapılan reolojik analiz, çalışmanın pratik açıdan önemli bulgularından biri olan işlenebilirlik açısından formülasyon esnekliğini ortaya koymaktadır. Özellikle yüksek derecede uyumlulaştırıcı-darbe değiştirici kombinasyonları içermeyen sistemlerde, bireysel polimer oranlarındaki farklılıklara rağmen, çeşitli kompozisyonlar benzer MFI değerleri göstermiştir. Bu, benzer enjeksiyon kalıplama koşulları altında birden fazla formülasyonun işlenebileceğini ve karşılaştırılabilir akış davranışı sağlanabileceğini göstermektedir. Endüstriyel ve geri dönüşüm açısından, bu esneklik hammadde değişkenliğine duyarlılığı azalttığı ve kabul edilebilir formülasyon aralığını genişlettiği için son derece avantajlıdır. Bu faydalı sonuçların yanında, çalışmanın önemli sınırlamaları da ortaya konmuştur. Çentikli darbe dayanımı değerleri, literatürde bildirilen iyi uyumlaştırılmış PA/ABS sistemlerine kıyasla düşük seviyelerde seyretmiştir. Bu, bu çalışma kapsamında uyumlulaştırma etkinliğinin, yük altında ara yüzeyi tamamen stabilize etmek için yetersiz olduğunu göstermektedir. Bu sınırlamalar, uyumlulaştırıcı kimyası, konsantrasyonu ve işleme koşullarıyla ilgili deneysel kısıtlamalara atfedilmektedir. Sonuç olarak, bu çalışma bileşimsel etkileri başarıyla açıklığa kavuştururken, aynı zamanda reaktif uyumlulaştırıcı verimliliği, ara yüzey morfolojisi ile işleme-yapı-özellik ilişkilerine odaklanan daha ileri araştırmaların gerekliliğini de vurgulamaktadır. Özet olarak, bu çalışma, üçlü PA6/PA66/ABS harmanlarının sistematik ve derinlemesine bir değerlendirmesini sunarak, bu tür sistemlerin hem bilimsel olarak yeterince araştırılmamış hem de teknolojik olarak önemli olduğunu göstermektedir. Mekanik, termal ve reolojik alanlarda bileşimsel davranışı kapsamlı bir şekilde inceleyerek, çalışma önemli yapı-özellik ilişkileri kurmakta ve dengeli performans ve işleme esnekliğini sunan bileşim aralıklarını belirlemektedir. Sonuçlar, farklı polimer oranlarının benzer performans sağlayabilmesini mümkün kılan formülasyon esnekliğinin elde edilebileceğini göstermektedir ve bu esneklik geri dönüşüm odaklı malzeme geliştirme için kolaylık sağlamaktadır. Elde edilen bilgiler, uyumluluk stratejilerini iyileştirmeyi ve geri dönüştürülmüş üçlü polimer karışımlarının zorlu mühendislik uygulamalarında kullanımını geliştirmeyi amaçlayan gelecekteki araştırmalar için güçlü bir temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
The increasing demand for sustainable polymeric materials and the increasing use of recycled plastic have brought specific attention on the potential role of polymer blending as an effective upcycling strategy. Blends of polyamide (PA) and Acrylonitrile-Butadiene-Styrene (ABS) are able to combine the rigidity, heat resistance, and chemical stability of PA materials with the impact resistance and processability offered by ABS. Although binary PA/ABS blends have already gained a prominent role in industry and have come into widespread use as a high-performance plastic product specifically in automotive industry, the potential of ternary blends containing more than one PA species (such as polyamide-6 (PA6) and/or polyamide-66 (PA66) and ABS has so far not been properly investigated. The main objective of the study is to explain the compositional effects on blends which comprise of ABS, PA6, and PA66 on mechanical, thermal, and rheological performance and evaluate if rather comparable performance levels could be reached in different ratios. The flexibility of different ratios in the formulation is especially valuable in the context of processing of recycled material, in which compounding of the material inherently varies due to the feedstock limitations and fluctuations. Rather than optimizing a blend to achieve the maximum performance, the current study aims to establish performance relationships in which different polymer ratios could be employed while still maintaining acceptable performance levels. To accomplish the aforementioned objectives, an extensive research methodology was developed. The base materials chosen include virgin and recycled grades of ABS, PA6, and PA66. The assessment of the properties of virgin and recycled materials has helped determine the impact of material quality on their final properties. The blend samples were prepared by co-rotating twin-screw extrusion. Standardized test samples have been produced by injection molding as dog-bone and rectangular shapes specified in the ISO standards. The mechanical properties of the samples were determined through tensile testing and both notched and un-notched impact testing. The testing methodologies followed the ISO standards. The thermal properties and crystallization behavior of the samples are determined through Differential Scanning Calorimetry (DSC). Melt Flow Index (MFI) testing is performed to test processability. In addition to the compositional effects, two different compatibilizers and impact modifiers were analysed. The results show that the dominant factor in determining the observed properties in PA/ABS ternary blends is composition. The higher the content of PA66, the higher was the tensile modulus, whereas an enhanced PA6 content improved ductility and the capacity to absorb energy. The ABS component had a prominent amorphous diluent effect, diminishing PA crystallinity as well as affecting flow properties. Blends showing an optimal value of PA6 to PA66 ratio and low ABS tend to possess the most favourable impact-resistant properties, indicating that compositions showing an optimal value are superior in performance to those comprising higher levels of PA6 or PA66. On the other hand, the result of the thermal analysis indicates the ABS content and the ratio of PA6 to PA66 significantly affect the crystallization process of both PAs. However, high ABS material lowers the perfection of the crystal and the melting points, while those with a combination of PA6 and PA66 display decreasing melting points, showing the effect of interference in the process of crystal formation. Also, the recycled PAs have broader melting points than the virgin PAs, showing the effect of degradation and impurities in the recycle feedstocks. Rheological evaluation showed that different samples with varying ratios of polymers had equal MFI, thus allowing a great degree of flexibility in terms of processing. This is especially important when considering recycling, as it means that feed composition may vary from time to time without requiring major processing changes. Even though several methods were explored for the purpose of compatibilization, the results for notched impact strength were still lower than those cited successfully compatibilized PA/ABS blends. This implies that the level of compatibilization that was reached within the framework of the work was likely not optimized, because of experimental restrictions associated with the choices made for the compatibilizer and the processing thereof. Further optimization on the above points will therefore be important. With this thesis, a systematic assessment on ternary PA6/PA66/ABS blends is introduced, showing that these compounds offer great flexibility in their composition and processing while maintaining competitive properties. Through the definition of certain criteria for the properties governed by composition, this thesis contributes not only to the understanding of multiphase polymer blends but also to the development of recycling-oriented engineering materials.
Benzer Tezler
- Farklı dolgu tipleri ve oranları kullanılarak polipropilen / poliamid / etilen-propilen-dien-monomer kompozitlerinin üretimi ve özelliklerinin incelenmesi
Preparation of polypropylene / polyamide / ethylene-propylene-diene-monomer composites by using different fillers and ratios and investigation of their properties
EREN DALGAKIRAN
Doktora
Türkçe
2018
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUALLA ÖNER
- Katodik ark plazma işlemi ile Al-Cu-Fe üçlü bileşiklerinin elde edilmesi
Production of ternary Al-Cu-Fe compounds with cathodic arc plasma treatment
SEDA ARPACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Viscosity predictions of fayalite slags by modified quasichemical model and Einstein-Roscoe equation route
Fayalit cüruflarinin viskozitesinin modifiye edilmiş kuasikimyasal model ve Einstein-Roscoe eşitliği kullanılarak modellenmesi
FARUK KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile yeni ve özel alaşımların üretimi ve geliştirilmesi
Investigation of new and noble alloys productions by self-propagating high-temperature synthesis method
MURAT ALKAN
Doktora
Türkçe
2014
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
- Homojenizasyonun AA 6063 alüminyum alaşımının iç yapısı ve özelliklerine etkisi
Effect of heat treatment on the mıcrostructure and properties of a AA6063 aluminium allory
SEMA ONURLU