Geri Dön

Development of extruded high impact polystyrene foams

Ekstrüzyon yöntemiyle yüksek darbe dayanımlı polistiren köpük malzemesinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 510630
  2. Yazar: EMRE DEMİRTAŞ
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 104

Özet

İkinci dünya savaşından günümüze kadar, polimer endüstrisi yıldan yıla gelişerek büyümüştür. Günümüzde, kullanılan polimer malzeme miktarları oldukça fazla olup, yılda yüzlerce milyon polimer ürün üretilmektedir. Polimer sektörünün bu denli büyümesinin ana nedeni, polimer malzemelerin özelliklerinin diğer metalik ve seramik malzemeler ile kıyaslandığında avantajlarının oldukça fazla olmasıdır. Öncelikle, polimerler pek çok malzemeye oranla daha hafif materyeller olup, üretimleri oldukça kolaydır. Ayrıca polimerler metaller gibi korozyona uğrayarak aşınmazlar. Polistiren (PS) amorf kimyasal yapıdaki polimerlerden olup, 105 oC camsı geçiş sıcaklığına sahiptir. Fiyat olarak pahalı değildir ve en çok kullanım alanına sahip olan polimer malzemelerden biridir. Kullanım alanlarına örnek olarak ise: plastik çatal, bıçak ve tabak parçaları, oyuncaklar, otomotiv endüstrisi, beyazeşya endüstrisi ve elektronik olarak gösterilebilir. Genel amaçlı polistiren (GPPS) ve yüksek darbe dayanımlı polistiren (HIPS) polistiren malzeme türlerindendir. GPPS, şeffaf ve kırılgan yapıda bir malzeme olup, polimer sektöründe daha çok kristal adıyla bilinmektedir. HIPS ise, içeriğinde % 5-15 aralığında polibütadien (PB) kauçuğu bulundurmaktadır. Darbeyi daha iyi sönümleme özelliği, yapısındaki kauçuktan gelmektedir. HIPS, PS ve PB malzemelerinin birbiri içerisinde karışmayan harman yapısından oluşmaktadır. Köpürtülmüş polimerler, polimer matriksin içerisinde gaz boşlukları (hücre) ve porlar içeren polimerler olarak tanımlanabilir. Köprtülmüş polimerler oldukça hafif ve düşük maliyetli ürünlerdir. Ayrıca, geleneksel köpürtülmemiş polimerlerle kıyaslandığında, karşılaştırılabilir mekanik özelliklere ve ağırlıklarına oranla oldukça yüsek mukavemet değerlerine sahiptirler. Bu gibi avantajlarından dolayı, polimer köpük malzemeler otomobil parçaları, paketleme sektörü, sandviç kapları, inşaat yalıtım sektörü, spor ekipmanları endüstrisi gibi bir çok uygulama alanında kullanılmaktadır. Köpürtülmüş ürünler elde edebilmek için, polimer malzemenin yanı sıra köpürtücü ajanların da kullanılması gerekmektedir. Köpürtücü ajanlar, fiziksel köpürtücü ajanlar (PBAs) ve kimyasal köpürtücü ajanlar (CBAs) olmak üzere iki sınıfa ayrılmaktadırlar. Fiziksel köpürtücü ajanlar; gaz, sıvı veya süper-kritik faz formunda olup, proses esnasında polimer matriksin içerisine direkt olarak enjekte edilmektedir. Kimyasal köpürtücü ajanlar ise katı granül veya toz formunda malzemeler olup, proses esnasında sıcaklıkla beraber dekompoze olarak gaz açığa çıkarmakta, bu sayede polimer malzemede köpürtme sağlanmaktadır. Polimer köpük malzemeler hücre morfolojisine göre açık veya kapalı hücreli; şişme oranına göre yüksek yoğunluklu, orta yoğunluklu ve düşük yoğunluklu, hücre yoğunluğu ve hücre boyutuna göre mikro hücreli, ince hücreli ve geleneksel köpükler olmak üzere sınıflandırılırlar. Polimer köpük malzemeler üretebilmek için pek çok geleneksel polimer proses etme yöntemi kullanılabilir. Sürekli prosesler ve batch prosesi, iki farklı polimer köpük üretim yöntemine örnektir. Sürekli prosesler de kendi içerisinde ekstrüzyon köpürtme ve emjeksiyon köpürtme (yarı-sürekli) prosesleri olarak iki farklı grupta incelenebilir. Ekstrüzyon köpürtme prosesinde, proses esnasında direkt olarak fiziksel köpürtücü ajan enjeksiyonu veya kimyasal köpürtücü ajanın dekompozisyonu ile polimer/gaz karışımı yüksek basınç altında oluşturulur. Proses içerisindeki basınç, polimerin gaz çözünürlük limitinin altındayken gaz, polimer içerisinde çözünür. Polimer/gaz karışımı ekstrüderin kalıp bölgesine geldiğinde ise, burada oluşan ani basınç düşüşü termodinamik bir kararsızlık yaratır. Bu sayede, bu bölgede hücre çekirdeklenmesi ve büyümesi başlar. Bu tez çalışmasında, çift vidalı ekstrüderde, iki farklı kimyasal köpürtücü ajan kullanılarak, HIPS polimerinin köpürtme davranışı incelenmiştir. Köpürtülmüş numuneleri elde etmek için, 4 mm uzunluğunda ve 2 mm çapında filament kalıbı kullanılmıştır. Kimyasal köpürtücü ajanların birbirinden farklı tarafı ajanların dekompozisyon sıcaklıklarıdır. CBA-1 ve CBA-2 olarak adlandırılan bu iki kimyasal köpürtücü ajanın, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) cihazları kullanılarak termal özellikleri ve dekompozisyon sıcaklıkları belirlenmiştir. Proses sıcaklıklarının köpürtme davranışı üzerindeki etkisinin görülmesi amacıyla, CBA-1 için üç, CBA-2 için ise beş farklı ekstrüder kovan sıcaklık profili belirlenmiştir. Her iki köpürtücü ajan için de optimum proses sıcaklık profili belirlendikten sonra, beş farklı kalıp sıcaklığı kullanılarak (en düşük sıcaklıktan en yüksek sıcaklığa kadar), her iki köpürtücü ajan için de denemeler yapılmıştır. Bu deneyler ile, kalıp sıcaklığının HIPS polimerinin köpürtme davranışı üzerindeki etkisi incelenmiş, her iki köpürütücü ajan için de en uygun kalıp sıcaklıkları belirlenmiştir. Bir sonraki adımda, köpürtücü ajan oranının köpürtme üzerindeki etkisi incelenmiştir. Her iki köpürtücü ajandan da üç farklı oranda (düşük, ortalama ve yüksek oran) kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. En uygun köpürtücü ajan oranları belirlendikten sonra, ekstrüder vida dönüş hızının (RPM) HIPS polimerinin köpürtme davranışına etkisi incelenmiştir. Dört farklı vida dönüş hızı (düşük, ortalama, yüksek ve çok yüksek RPM) uygulanmış, ve her iki köpürtücü ajan için de en uygun RPM belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında, HIPS polimerinin köpürtme davranışının incelenmesine, GPPS ve HIPS polimerlerinin farklı oranlarda harmanlanmasıyla devam edilmiştir. Ağırlıkça farklı oranlarında (sadece HIPS, HIPS ve düşük oranda GPPS harmanı, HIPS ve yüksek oranda GPPS harmanı) harmanlar hazırlanarak, GPPS'in köpürtme üzerindeki etkisi, her iki köpürtücü ajan için de incelenmiştir. Sonrasında, çekirdeklendirici ajan olarak farklı oranlarda, üç farklı inorganik katkı kullanılmış ve farklı oranlardaki farklı çekirdeklendirici ajanların, HIPS polimerinin köpürtme davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çekirdeklendirici ajan olarak; düşük, ortalama ve yüksek oranlarda talk, kalsiyum karbonat ve mikro lamel yapılı talk kullanılmıştır. Köpürtülmüş HIPS filament numuneleri iki farklı açıdan karakterize edilmiştir. Öncelikle, köpürtülmüş numunelerin yoğunlukları saf su içerisinde ölçülüp, Arşimed eşitliği kullanılarak hesaplanmıştır. Sonrasında, her bir numunenin içerisindeki boşluk oranları hesaplanmışır. Ayrıca, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak, köpürtülmüş numunelerin hücresel yapıları incelenmiştir. İlk olarak, köpürtülmüş HIPS filamentleri sıvı azot altında kırılmış ve her bir numune altın ile kaplanmıştır. Elektron mikroskobunda hücresel yapı tayini yapıldıktan sonra ise, tüm numunelerin hücre boyutları, hücrelerin polimer matriks içerisindeki dağılımları incelenmiş, hücre yoğunlukları hesaplanmıştır.

Özet (Çeviri)

The use of polymers has been increaseed significantly since the second world war. Currently, hundreds of millions of polymeric products are being manufactured. This is due to the advantages that polymers could provide compared to other metallic or ceramic counterparts. Firstly, polymers possess low density and their manufacturing is cheaper and easier. In addition, polymers are corrosion resistant materials. Polystyrene (PS) is an amorphous polymer that has glass transition temperature of around 105 oC. It is cheap and one of the mostly used polymers in commodity applications. There are many areas for the use of PS such as plastic cutlery, pots, toys, automotive industry, whitegoods industry, electronics etc. General purpose PS (GPPS) and High impact PS (HIPS) are the types of PS that are widerly being used in various areas. GPPS is a transparent and brittle material and it is known as crystal in plastic industry. HIPS is also a blend of PS which contains around 5-15 wt % polybutadiene (PB) rubber. These two polymers form an immiscible blend of PS and PB. Foamed polymers can be defined as polymers include bubbles and pores. Foamed polymers are very light weight and cost-effective materials. In addition, they have comparable mechanical properties and very high strength to weight ratios as it is compared to conventional neat polymers. Because of such advantages, the polymeric foams are used in many applications such as automobile parts, packaging industry, sandwich caps, insulators in construction industry, sport industry etc. The use of blowing agents are required in order to obtain foamed structure in foaming process. Blowing agents are classified into two groups as physical blowing agents (PBAs) and chemical blowing agents (CBAs). PBAs are directly injected into the polymer matrix melt during processing and they are in the form of gas, liquid or supercritical phase. On the other hand, CBAs decompose and generate gases during processing and they are in the form of solid granules or powder. Polymeric foams can be classified as open or closed cell foams based on the morphology; microcellular, fine celled and conventional foams as the cell density; high density, medium density and low density based on void fraction or expansion ratio. Many of traditional polymer processing methods can be performed in order to produce polymeric foams. Batch process and continuous process are the two techniques for foam production. Continious process also classified into two groups as foam extrusion and foam injection molding (semi-continuous). In foam extrusion process, polymer/gas mixture starts to be generated by the directly injection of PBA or decomposition of CBA under higher pressure during processing. The gas dissolve in to polymer matrix when the pressure is under the solubility limit of polymer. When the polymer/gas mixture flew through the extruder die, the sudden pressure drop at the die nozzle creates thermodynamic instability and causes cell nucleation and growth during the foaming step. This thesis studies the extrusion foaming behavior of HIPS through a twin-screw extruder using two various types of CBAs. The filamentary die having 4 mm length and 2 mm diameter was used in order to obtain foamed filament samples for each experiment. The CBAs differences is about their decomposition temperatures. These CBAs were named as CBA-1 and CBA-2 and they were thermally analyzed in order to observe the thermal properties and decomposition temperatures by using differantial scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA). Three and five different extruder barrel temperature profiles were determined in order to observe the effect of processing temperature for CBA-1 and CBA-2, respectively. After the determination of optimum processing temperature profile for both CBAs, the five different die temperature profiles (from the highest to the lowest temperature) were tailored during the foaming of HIPS for two different CBAs. The effect of the die temperature on the foaming behavior of HIPS was observed, and the optimum die temperature profile was determined. The next step is to verify the CBA content effect on the foamed HIPS for both CBAs. Three different contents (i.e., low, moderate and high content) of chemical blowing agents were used for each CBAs and content of CBA on foamig was investigated. After the determination of optimum CBA content for both CBAs, effect of screw RPM (revolution per minute) on the foaming behavior of HIPS was, subsequently, illustrated for both CBAs. Four different screw RPM (low, moderate, high, very high RPM) were tailored during the foaming of HIPS for two different CBAs and the most proper RPM conditions were selected for CBA-1 and CBA-2. The HIPS extrusion foaming behavior was further investigated via blending it with GPPS at the various blending cotents (neat HIPS, HIPS with low content GPPS, HIPS with high content GPPS). The effect of GPPS and its blending content was investigated for both CBAs. After that, foaming behavior was also examined via compounding HIPS with three different inorganic fillers (i.e., microlamellar talc, talc, and calcium carbonate) at three different contents (i.e., low, moderate and high content). The effect of the inorganic fillers as a nucleating agent and the effect of inorganic filler type and content were investigated with this study. The foamed HIPS samples were characterized in two aspects. Firstly, the density of foamed samples were measured in pure water and calculated by using archimedes equation. After the determination of the density of foamed HIPS samples, the void fractions of each sample was calculated. On the other hand, the morphology of cellular structure in foamed samples were observed by using scanning electron microscope (SEM). Firstly the foamed HIPS filaments were broken under liquid nitrogen and the samples were coated with gold. After the observation of cellular morphology; cell distributions and cell dimensions were examined and the cell density of each of filamentary samples were calculated.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    809038

    Doğal elyaf takviyeli polimer köpük çekirdekli tabakalı kompozitlerin enerji sönümleme yeteneklerinin incelenmesi

    Investigation of energy dissipation capabilities of layered composites with natural fiber reinforced polymer foam core

    KENAN BUDAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM YAVUZ

    ÖĞR. GÖR. ERCAN ŞİMŞİR

  2. Tez No

    75578

    Atık depolanmasının ve endüstriyel atıklardan termik santral küllerinin maden ocaklarında depolanmasının incelenmesi

    Başlık çevirisi yok

    ELİF ALGURKAPLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞİNASİ ESKİKAYA

  3. Tez No

    566802

    Development of mechanical properties of recycledpolyethylene by fibrillation of a secondary recycledpolymer

    İkincil geri dönüştürülmüş polimerin fibrilasyonuyla geridönüştürülmüş polietilenin mekanik özellikleriningeliştirilmesi

    BERİL SAADET YENİGÜL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR

  4. Tez No

    66850

    Hızlı prototip üretim teknolojileri

    Başlık çevirisi yok

    LEVENT YAĞMUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN

  5. Tez No

    416893

    Karışım tasarımı yaklaşımı ile magnezyum esaslı nanokompozit malzeme üretilmesi ve malzeme özelliklerinin optimizasyonu

    Manufacturing of magnesium nanocomposite material and optimization of the material properties by mixture design

    YAHYA KAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BAKİ KARAMIŞ

Geri Dön