Characterization of baroplastics
Baroplastiklerin karakterizasyonu
- Tez No: 327320
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN HAYRİ ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Ticari plastikler termoplastik ve termoset olarak iki sınıfa ayrılırlar. Günlük yaşantımızda daha sık kullandığımız termoplastikler, çoğunlukla eriyik şekillendirme yöntemleri kullanılarak ürün haline gelirler ve bu amaçla erime sıcaklığı (Tm) üzerine ısıtılırlar. Böylece yapıda fiziksel bir çapraz bağ gibi davranan kristal, sert fazlar yumuşayarak malzemenin akmasına neden olurlar. Böylece madde kolaylıkla kalıplanabilir ve şekillendirilebilir. Bu ısıl şekillendirme yönteminde temel faktör olan yüksek sıcaklık, hem erişilebilmesi için bir enerji sarfiyatı yaratır, hem de malzemenin fiziki veya kimyasal olarak bozulmasına neden olur. Özellikle endüstride plastiklerin özelliklerini iyileştirici olarak kullanılan plastifiyanlar, kaydırıcılar, stabilizatörler ve renklendiriciler gibi birçok yardımcı maddeler yüksek sıcaklığa tekrar ısıtıldığında malzemenin kalitesinin düşmesine yol açar ve bu nedenle malzemenin geri dönüşümünün de sınırlı kalmasına neden olur.Altmış yıl kadar kısa bir mazisi olmasına rağmen plastik ürünlerin tüketimi hızla artış göstermiş ve günümüzde dünya genelinde 250 milyon tona ulaşmıştır. Bu tüketimin öne çıkan sektörü ambalaj endüstrisi olduğundan genelde tek kullanımlık olan bu ürünlerin bertaraf edilmesi için üç yöntem kullanılmaktadır. Bunlar, yığılarak veya gömülerek doğaya bırakılması, yakılması veya geri dönüşümü. İlk iki yöntemin doğaya ciddi tehditler oluşturması nedeniyle, geri dönüşüm en iyi çözüm olsa da yukarıda belirtilen nedenlerle ancak toplam plastik atıklarının %3 gibi düşük bir oranı geri dönüştürülebilmektedir.Yakın geçmişte termoplastiklerin eriyik şekillendirme işleminde şart olan yüksek sıcaklığın yarattığı bu geri dönüşümü sınırlama sorununa çözüm olabilecek alternatif bir polimer malzeme üzerinde birçok çalışma yapılmıştır. Bu doğrultuda yapılan araştırmalar kapsamında biri yüksek diğeri düşük camsı geçiş sıcaklığına (Tg) sahip oda sıcaklığında karışamaz ve belli bir sıkıştırma katsayısı aralığındaki polimer çifti kullanılarak özel blok kopolimerler sentezlenmiştir. Ortam koşullarında faz ayrımı göstermelerine rağmen basınç etkisiyle artan karışabilirlik özelliği sayesinde oda sıcaklığında uygulanan basınç ile eriyiğe benzer bir akma göstermişlerdir. Basınç altında soğuk şekillendirilebilen bu özel plastikler ?Baroplastik? olarak adlandırılmışlardır.Baroplastik malzemelerin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar kapsamında, bu projenin amacı, bu iyi tanımlanmış blok kopolimerlerin davranışlarını incelemektir. Bu amaç doğrultusunda sentezlenmiş olan baroplastik özellik gösteren polimer tozlarının çeşitli kalıplar kullanılarak farklı boyut ve geometrilerde şekillendirilmiş ve şekillendirme öncesi ve sonrası ısıl, mekanik, yapısal ve yüzeysel ölçümler gerçekleştirilerek örneğin camsı geçiş sıcaklığı, çekme ve bükme mukavemetleri, elastik modülleri, serbest yüzey enerjileri gibi özellikleri ve bu özelliklerin farklı parametreler altında değişimleri incelenmiştir.Baroplastik özelliğin açıklanmasında karışabilirlik veya faz ayrımı kavramı önemli rol oynamaktadır. Baroplastiklerde, oda sıcaklığında düzenli olan faz yapısı, basınç uygulandıktan sonra yani şekillendirme sonrasında hem karışık hem ayrık faz içeren bir yapı haline gelmesi olduğundan, incelemeler bu yapısal davranış üzerine yoğunlaştırılmıştır. Bu morfolojik davranışın tespiti için ise sıkça kullanılan yöntemler optik ve termal yöntemlerdir.Birbirleriyle olumsuz etkileşimleri ve düşük karışım entropileri nedeniyle farklı moleküller düzenli şekilde dizilim gösterirler. Bu dizilimlerin geometrisi faz diyagramlarına göre farklılık gösterir ki bu çalışmadaki baroplastiklerde çoğunlukla %50 civarında bir kompozisyon olduğundan faz diyagramına göre beklenen lamelar bir yapı Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ile de gözlemlenmiştir. Bu düzgün faz ayrımının basınç uygulanarak yapılan şekillendirme sonrası yapıdaki bazı bölgelerde bozulduğu ve karışık hale geldiği, böylece yapıda aynı anda hem düzgün hem karışık fazların varlığı görsel olarak ortaya koyulmuştur.Bunun yanında ayrık fazlar kendilerini oluşturan polimerlerin camsı geçiş sıcaklıklarını yakın olarak ayrı ayrı korurken, karışık fazlar bu iki polimerin ağırlıksal oranına bağlı olarak yeni tek bir camsı geçiş sıcaklığı oluştururlar. Sonuçta oda sıcaklığında fazları karışamaz olan bir blok kopolimerin davranışı gibi baroplastik bir malzemede de proses edilmeden önce, ayrık faz halinde olduğundan görülmeyen bir karışım Tg si, Tg mix, proses sonrası basıncın etkisiyle kısmi olarak oluşacak karışık faz nedeniyle açıkça gözlenebildiğinden bu durum Diferansiyel Tarama Kalorimetresi (DSC) ölçümleri ışığında değerlendirilmiştir. Bu bağlamda öncelikle DSC ölçümlerinin standardizasyonu için değişik ölçüm parametreleri denenerek optimum değerler tespit edilmiştir. Her ne kadar Tg termal bir davranış olsa da malzeme bu sıcaklığın aşılması durumunda ani olarak mukavemet kaybedeceğinden Dinamik Mekanik Analizör (DMA) Tg ölçümünde kullanılan en hassas yöntemlerdendir. DSC termogramlarında gözlenen ve Tg,mix olarak nitelendirilen endotermik sinyaller, yapılan DMA ölçümlerinde de elde edilen benzer bulgular ile desteklenmiştir.Bu çalışmada etkisi incelenen diğer parametreler ise baroplastik malzemelerin şekillendirilmesinde kullanılan basınç ve süredir. Aynı baroplastik malzemenin değişik basınçlar altında aynı sürede ve aynı basınç altında değişik sürelerde şekillendirilmesi ile elde edilen numuneler incelenerek uygun değerler tespit edilmiştir.Ayrıca malzemenin molekül ağırlığı, topolojisi ve kompozisyonunun da şekillendirme üzerinde yarattığı etki, çeşitli kompozisyonlardaki, molekül ağırlığındaki düz ve yıldız blok kopolimerler üzerinde incelenmiştir. Belli sınırlar içindeki yumuşak faz artışının şekillendirme işlemini kolaylaştırarak gerekli basıncı azalttığı fakat bunun yanında mukavemeti de düşürdüğü, bunun yanında star blokların kompakt yapıları nedeniyle düşük viskozitelerinin lineer polimerlere göre kolay şekillendirilmelerini sağladığı gözlemlenmiştir. Yüksek molekül ağırlıklı baroplastiklerde, düşük molekül ağırlıklı zincirlerin oluşturduğu kaydırıcı etkinin aksine kalıp çeperinde tutunmaya neden olacağından, artı olarak basınç altında birbirine dolaşan moleküllerin basınç kalktığında çözülmeler göstereceğinden, diğer endüstriyel plastiklerde olduğu gibi yüzey hatalarına neden olabileceği ve bunun yumuşak fazı arttırarak çözülebileceği gösterilmiştir.Diğer bir özellik olarak, çözelti olarak dökülerek hazırlanmış, proses edilmiş ve geri dönüştürülmüş baroplastik filmlerin her biri üzerinde beş farklı çözücü kullanılarak temas açısı ölçümleri yapılmış ve elde edilen bu bulgular yardımı ile Zisman eğrileri çizilerek malzemelerin serbest yüzey enerjileri ölçülmüş, bu değerler karşılaştırılarak şekillendirmeyle ve geri dönüşüm sayısı ile oluşan değişime bakılmıştır. Fakat iki metal plaka arasında basınç uygulanarak elde edilen polimer filmlerinin yüzey düzgünsüzlüğü ve nem kontrolsüz test ortamı nedeniyle tutarlı sonuçlar elde edilememiştir.Ek olarak, bir baroplastik tri-blok kopolimer şerit ekstrüzyon kalıbında proses edildikten sonra mekanik olarak parçalanıp tekrar kalıptan geçirilmiş, bu çevrim ardı ardına tekrar edilerek 20 kez proses edilmiştir. Malzemenin toz hali ve yirminci proses sonrası hali Jel Geçirgenlik Kromatografisi (GPC) de incelenerek bozunma ve madde kaybı gerçekleşmeden %100 geri kazanım sağlandığı tespit edilmiştir. Her 5 çevrimde bir numune alınarak yapılan DSC ölçümlerinde elde edilen Tg mix değerlerinde artan çevrim sayısı ile yumuşak fazın Tg na doğru bir kayma gözlemlenmiş, bu tespit ile bir şekillendirme işlemi sonrası tam karışımın oluşmadığı, fakat adım adım karışık fazın arttığı sonucuna varılmıştır. Bu yaklaşımla, DSC termogramlarından elde edilen Tg,mix değerleri Fox eşitliğinde yerine koyularak kendini oluşturan karışık fazın kompozisyonu hesaplanmış ve ardından kullanılan baroplastiğin % kompozisyonu da Fox eşitliğinde yerine koyularak tam karışık fazın oluşması durumunda yapının Tg,mix değeri de hesaplanmış, tüm bunlar kulanılarak tam karışımın oluşması için gereken çevrim sayısı da grafiksel bir yaklaşımla hesaplanmıştır. Bu yaklaşımda hesaplanan çevrim sayısı sonrası elde edilecek yapıda, baroplastiklerin camsı geçiş sıcaklığı altındaki sıcaklıklarda şekillenebilirliğinin temel faktörü olan ayrık faz hiç kalmayacağından yapı baroplastik özellik göstermeyecektir. Bu nedenle tekrar karışık fazın oluşumu konusunda çalışmalar yapılmış ve baroplastik malzemelerin kendisini oluşturan fazların camsı geçiş sıcaklıklarının üzerinde bir sıcaklıkta yeteri sürede bekletildiklerinde karışık fazın tekrar düzenli hale geldiği ve malzemenin tekrar baroplastik özellik gösterebileceği tespit edilmiştir.AFM görüntülerinden elde edilen bulgular da geri dönüşüm konusunda yapılan çalışmaları ve DSC ile elde edilen bulguları destekler nitelikte, başta tam düzenli fazdaki yapının şekillendirme sonrası bozulduğu, proses sayısının artışı ile adım adım yapıdaki karışık fazın da arttığı, geri dönüştürülmüş malzemenin şartlandırılmasından sonra malzemenin ilk haline yakın şekilde düzenli bir yapı oluşturduğu görülmüştür.Bunun yanında, baroplastiklerin oda sıcaklığında yapılan şekillendirme işlemlerinde kullanılan kalıp ve presler endüstride standart olarak kullanılan tipler olduğundan, bu malzemelerin şekillendirilmesinde alışılagelmişin dışında bir teçhizat gerekmediği de göz önüne konmuştur.
Özet (Çeviri)
Commercial plastics are classified into two common groups; thermoplastics and thermosets. For melt processing of thermoplastics that are more often used in our daily life, they are heated above melting temperature (Tm). This relatively high temperature, as the key factor of thermal processing, causes both high-energy consumption and substantial degradation of polymer. Moreover, it causes limited performance and recyclability of plastics. Recently, many studies were undergone on an alternative polymer that can be solution for the problems cited above. For this purpose specific block copolymers were synthesized using immiscible pair of a high Tg and a low Tg polymer. Although they present microphase separation under ambient conditions, they show pressure-induced miscibility that leads melt like flow at room temperature. Relied to this specification, they are named as ?Baroplastics?.As part of researches and developing studies on baroplastic materials, this project has the aim of investigating the behaviors of these well defined block copolymers in various topologies. Thermal, mechanical, morphological and surfacial measurements were performed to baroplastics, before and after processing under the pressure to probe their different properties such as glass transition temperature, elastic and flexural modulus and surface free energy.As the featuring property of baroplastics is containing both ordered and disordered segments in a single structure after pressure application, observations were focused especially on this original morphological behavior. As immiscible segments of block copolymers, phase separated domains presents glass transition temperatures separately and nearly its constituents. However, mixed domains compose a single Tg relative to the ratio of its constituents likewise miscible segments of block copolymers. Consequently, for unprocessed baroplastic block copolymer, immiscible at room temperature and therefore having microphase separated structure, Tg,mix, the Tg of the mixed domain, doesn?t exist however it appears after processing according to pressure induced miscibility. Thus, Tg,mix, as an ndicator of processability, observed in the light of differential scanning calorimeter, DSC, and dynamic mechanical analyzer, DMA measurements.Accordingly, effects of processing time and pressure were studied and optimum values were defined. The influences of baroplastics? molecular weight, topology and composition on processing were observed by processing tri-block and star-block copolymers in various compositions. Surface energy measurements were carried out in order to expose the change after processing. In addition, the effect of baroplastic materials? recycle number on morphology and surface were described and 100% recovery was achieved during the recycle of material. Moreover, the idea of infinite recyclable material was raised.On the other hand, it was demonstrated that baroplastics could be processed at room temperature with standard equipment similarly used for commercial plastics.
Benzer Tezler
- Farklı bitki temelli bileşenler kullanılarak nişasta bazlı biyoplastiklerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of starch-based bioplastics by using different plant-based ingredients
YAĞMUR DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESHUDE AKBULUT SÖYLEMEZ
- Comparative evaluation of mycosporine-like amino acids producing psychrotolerant klebsormidium strains isolated from extreme regions (Antarctica, Arctic, Alpine, Alaska, Atacama)and film production from antarctic Klebsormidium sp. ASYA19
Ekstrem bölgelerden (Antarktika, Arktik, Alpler, Alaska, Atacama) izole edilen psikrotolerant klebsormidium suşları tarafından üretilen mikosporin benzeri aminoasitlerin karşılaştırmalı değerlendirilmesi ve antarctic Klebsormidium sp.ASYA19'dan film üretimi
BARIŞ BALLIK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Medeniyet ÜniversitesiMoleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURGAY ÇAKMAK
- Poli-β-(3)hidroksibütirat (PHB) sentezleyen mikroorganizmaların izolasyonu, karakterizasyonu ve PHB üretiminin optimizasyonu
Isolation and characterization of poly-β-(3)hydroxybutyrate (PHB) producing microorganisms and optimization of PHB production
NUR BETÜL KARTAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyoteknolojiAtatürk ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER FARUK ALGUR
- Portakal kabuğundan biyoplastik film üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of bioplastic film from orange peel
MERVE MAY
- Bulgur kepeği hemiselülozu temelli nanoselüloz katkılı biyobozunur filmlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of bulgur bran hemicelulose based nanocelulose reinforced biodegradable films
MERVE ERKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Gıda MühendisliğiKaramanoğlu Mehmetbey ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİDEM SUTAY KOCABAŞ