Research on the mechanical and morphological properties of microfibrillar reinforced PET/PP blends at various processing routes
Mikrolif takviyeli PET/PP harmanlarının farklı proses aşamalarındaki mekanik ve morfolojik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 513899
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- 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: 107
Özet
Polipropilen (PP) ambalaj, otomotiv, alt yapı ve tekstili de içeren pek çok endüstride kullanılan ticari polimerlerden biridir. Ancak, düşük mekanik özellikleri nedeniyle, uygulama aralıklarında bazı kısıtlamalar vardır. Cam elyaf gibi fonksiyonel katkılar ile harmanlamak PP'nin mekanik özelliklerini büyük ölçüde artırabilir. Ancak bu katkılar üretim hattı için aşındırıcıdır, çevreci değildir ve pahalıdır. Bundan ötürü günümüz pazar koşullarında üretciler daha ekonomik ve daha çevreci çözümler sağlayacak yollar arayışındadır. Son yıllarda, polimer harmanlama yeni malzeme eldesi için ekonomik bir yol haline gelmiştir. Harmanlamanın bazı avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir; • Harmanlama, müşteri odaklı ürün tasarımı fırsatı sunabilir. • Matris polimerinin alev direnci, tokluk veya boyutsal kararlılık gibi özellikleri iyileştirilebilir. • Harmanlama, endüstriyel plastik atıkların geri dönüşümü için bir yol sunabilir. • Düşük viskoziteli polimer ile harmanlama, işlenebilirliği artırabilir. • Harmanlama, verimlilik artışı sağlayabilir. • Ayrıca, harmanlama teknolojisi çok katmanlı yapılarda da kullanılabilir. Plastik endüstrisinde, polimer harmanlarının hazırlanmasında eriyik karıştırma, blok veya aşı kopolimerizasyonu, eriyik çözeltisi gibi farklı yollar kullanılmaktadır. Ancak bu tekniklerin arasında, istenen özellikleri elde etmek için en yaygın kullanılan yöntem eriyik harmanlamadır. Bu yöntem, polimer harmanlarını daha ekonomik bir şekilde hazırlama fırsatı sunmaktadır. Bilindiği üzere, pek çok polimer kimyasal yapılarındaki farklılıklar nedeni ile termodinamik açıdan uyumsuzdur. Bu nedenle, karıştırmaları sırasında fibril, damlacık ya da tabakalı gibi pek çok faz morfolojileri oluşur ve harmanın nihai özellikleri oluşan bu morfolojye son derece bağlıdır. Örneğin, genellikle film ekstrüzyonu ya da üflemeli kalıplama ile elde edilen tabakalı yapılar harmanın bariyer özelliklerini geliştirirken fibril yapı mekanik özellikleri geliştirir. Çalışmalar göstermiştir ki, fazlar arasıdaki arayüzey yapışması, proses şartları, bileşenlerin özellikleri ve bileşim oranı bu yapıların oluşmasında baskın bir rol oynadığını göstermiştir. Son yıllarda, iki karışmaz polimerin harmanlanmasına dayanan mikrofibril takviyeli kompozitler (MFC) olarak adlandırılan yeni bir malzeme türü geliştirilmiştir. Bu malzemelerde daha yüksek mekanik performans elde etmek için, minör faz matris polimeri içinde fibril formda dağıtılmıştır. Genel kompozitlerin aksine, MFC malzemeleri herhangi bir inorganik katkı maddesi olmadan hazırlanabilir. Ayrıca, bu teknoloji cam elyaf takviyeli kompozitlere kıyasla ağırlık azaltma ve kolay geri dönüştürülebilirlik imkanı sunar. Tez çalışmasının temel amacı, mikrolif takviyeli PET / PP harmanları üretmek ve vida hızı, proses sıcaklığı, gerdirme yöntemi, gerdirme oranı, PET içeriği ve uyumlaştırıcı gibi çeşitli parametrelerin morfolojik ve mekanik özelliklere olan etkisini araştırmaktır. Çalışmada, mikrofibril takviyeli kompozitler üç aşamalı bir süreçle hazırlanmıştır. İlk aşamada, iki polimer bir çift vidalı ekstrüder de harmanlanmıştır. İkinci aşamada, PET liflerinin eldesi için, kalıptan çıkan harman gerdirilmiştir. Son adımda, MFC malzeme elde etmek için, gerdirilen PET/PP harmanları (MFB) granül hale getirilmiş ve enjeksiyon ile kalıplanmıştır. MFC üretiminin her bir aşamasından sonra, taramalı elektron mikroskobu (SEM), geniş açılı X-Ray kırınımı (WAXD) ve mekanik testler ile analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın başında, harmanlama için uygun vida oranını belirlemek için, PET ve PP çeşitli vida devirlerinde harmanlanmıştır. SEM görüntülerinden, 300 rpm'den daha düşük veya daha yüksek vida hızlarının, homojen olarak dağılmış harman morfolojisi elde etmek için uygun olmadığı gözlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, mikrolif takviyeli harman (MFB) eldesi için iki farklı gerdirme yöntemi kullanılmıştır. İlk yöntemde, ekstrüde edilmiş harman birinci gode ile ekstruder kalıbı arasında, birinci godenin dönüş hızının kademeli olarak arttırılması ile gerdirilmiştir. İkinci yöntemde, ekstrüde edilmiş harman iki gode arasında gerilmiştir. Analiz sonuçlarına göre, takviye polimeri her iki yöntemde de fibril şeklinde başarıyla dağıtılabilmiştir. Bununla birlikte, ikinci yöntemde, karışımın her iki bileşeninin de iyi bir şekilde oryante olması nedeni ile daha yüksek mekanik özellikler elde edilmiştir. PET konsantrasyonuna ve uygulanan gerdirme oranına bağlı olarak, MFB numunelerinin çekme özellikleri, ekstrüde edilmiş harmanlardan yaklaşık 6-7 kat daha fazla artmıştır. Çalışmada, ayrıca uyumlaştırıcının ve miktarının harman özelliklerine etkisi araştırılmıştır. SEM görüntüleri uyumlaştırıcı, maleik anhidrit aşılanmış polipropilen (PP-g-MA), ekledikten sonra daha homojen bir harman morfolojisinin ortaya çıktığını göstermiştir. Ayrıca, PET lifler ile PP matris arasındaki yapışma uyumlaştırıcı ile geliştirilmiş ve böylece mekanik özellikler artmıştır. Çalışmanın son aşamasında, mikrolif takviyeli PET/PP kompozit eldesi için, gerdirilmiş harman örnekleri farklı enjeksiyon sıcaklıklarında kalıplanmıştır. SEM görüntüleri, enjeksiyon sıcaklığı PET'in erime sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa ayarlanmış olmasına rağmen, birçok lifin şekillerini kaybettiğini ve damlacık formuna döndüğünü göstermiştir. Buna rağmen, ekstrüde edilmiş harmana kıyasla daha iyi darbe direnci ve gerilme özellikleri gözlenmiştir. Sonuç olarak, mikrolif takviyeli polimer kompozitlerinin üç aşamasını (ekstrüzyon, gerdirme ve enjeksiyonla kalıplama) göz önüne aldığımızda, PET fiberlerin varlığı ekstrude edilmiş harmanların mekanik özelliklerinin artmasına neden olmuştur ancak en yüksek artış gerdirilmiş harman örneklerinde elde edilmiştir. Bu nedenle, MFC malzemelerinin yanı sıra, MFB'ler de endüstriyel uygulamalar için bir fırsat sunabilir. Örneğin, teknik tekstiller gibi dokunabilir veya plastik boru gibi ürünler üzerinde doğrudan sarma olabilir. Diğer taraftan, MFC'ler, bağlantı parçaları olarak adlandırılan enjeksiyonla kalıplanmış plastik boru parçalarında kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Polypropylene (PP) is one of the commodity polymers used in a number of industries including packaging, automotive, infrastructure, and textile. However, because of its low mechanical properties, there are some restrictions in its application ranges. Compounding with functional fillers like glass fiber can greatly enhance the mechanical properties of PP. However, this kind of filler is abrasive for production line, not eco-friendly and expensive. Because of that in today's market conditions, producers have been looking for a way to provide more economic and eco-friendly solutions. In recent years, polymer blending has become an economic way for preparing new materials. Some advantages of blending can be listed as below; • Blending can offers customer-driven product design opportunity. • The properties of matrix polymer such as flame resistance, toughness or dimensional stability can be improved. • Blending can offers a way for recycling of industrial plastic wastes. • Blending with low viscosity polymer can improve processability. • Blending can provide to increase of productivity. • Additionally, blending technology can be also used in multi-layer structures. In plastic industry, different ways are used to prepare polymer blends such as melt blending, block or graft copolymerization, melt solution. However, among of these techniques, melt blending is the most commonly used method to achieve desired properties. This method offers opportunity to prepare polymer blends in more economically. As known, most of polymers are thermodynamically incompatible due to differences in their chemical structure. Therefore, during the mixing numerous types of phase morphologies such as fibrillar, droplet or laminar occur and, final properties of blend strongly depend on this morphology. For example, laminar structure of the dispersed phase which is often generated via film extrusion or blow molding improves the barrier properties of blend, whereas fibril structure enhances the mechanical properties. In resent years, a new type of material named as microfibrillar reinforced composites (MFCs) based on blending of two immiscible polymers have been developed. In this materials, to achive higher mechanical performance, minor phase is dispersed in fibrillar form in the matrix polymer. In contrast to the common composites, MFC materials can prepare without any inorganic additives. Additionally, this technology offers opportunity to weight reduction and easy recyclability in comparison to glass fibre reinforced composites. The main aim of thesis study is to produce microfibrillar reinforced PET/PP blends and investigate the effects of various parameters such as screw speed, process temperature, drawing method, drawing ratio, PET content and compatibilizer on the morphological and mechanical properties. In study, microfibril reinforced composites were prepared by a three step process. In the first step, two polymers were blended in a twin screw extruder. In second step, to obtain PET fibers, the extrudate was stretched. In last step, to achive MFC material, drawn PET/PP blends (MFB) were pelletized and molded by injection molding. After each stage of MFC production, analyzes were carried out by scanning electron microscopy (SEM), wide angle X-Ray diffraction (WAXD) and mechanical tests. At the beginning of study, to determine appropriate screw rate for blending, PET and PP were mixed at various screw rates. It was observed from the SEM images that lower or higher screw speeds than 300 rpm were not suitable to obtain homogeneously dispersed blend morphology. In second step of study, to generate microfibril reinforced blend (MFB), two different stretching methods were used. In the first method, the extruded blend was stretched between the first godet and extruder die by increasing rotation speed of first godet. In the second method, the extruded blend was stretched between the two godets. According to the analysis results, reinforcer polymer was able to successfully distributed in fibrillar shape in both methods. However, in second method higher mechanical properties were achieved as a result of well orientation of both component of blend. Depend on the PET concentration and applied draw ratio, the tensile properties of MFB samples greatly increased almost 6-7 times higher than extruded blends. In study, the influence of compatibilizer and its amount on the blend properties were also investigated. SEM images showed that after adding of compatibilizer, maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MA), more uniform blend morphology was occured. Additionally, adhesion between the PET fibers and PP matrix was improved through compatibilizer and thus, mechanical properties increased. In the last step of study, in order to achive microfibril reinforced PET/PP composites, drawn blend samples were molded at different injection temperatures. SEM images showed that even though injection temperature was set to temperature which is lower than melting temperature of PET, many of fibers lost their shapes and returned into droplet structure. Despite this, better impact resistance and tensile properties were observed in comparison with extruded blend. In conclusion, when take into consideration three stage of microfibrillar reinforced polymer composites (extrusion, drawing and injection molding), the presence of PET fibers caused to increased mechanical properties of extruded blends but the highest increase was obtained in drawn blend samples. Therefore besides of MFC materials, MFBs may also offer an opportunity for industrial applications. For example, it can be weaved like technical textiles or it can be directly winding on products like plastic pipe. On the other hand, MFCs can be used in injection molded plastic pipe parts called as fittings.
Benzer Tezler
- Development of new generation, high performance polypropylene composites
Yeni nesil, yüksek performanslı polipropilen kompozitlerin geliştirilmesi
ORKUN KAYMAKÇI
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSELİ UYANIK
- Effect of graphite nanoplatelets on morphology and properties of high denstiy polyethylene (HDPE)/polyamide66 (PA66) microfibrillar composites
Grafit nano plakaların yüksek yoğunluklu polietilen/poliamid 66 mikrofibril kompozitlerin morfoloji ve özelliklerine etkisi
ÜMİTCAN BAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. MOHAMMADREZA NOFAR
- Üstün mekanik özelliklere sahip ipek fibroin iskeletlerinin yüksek fibroin konsantrasyonlarında üretimi
Production of silk fibroin scaffolds with remarkable mechanical properties at high fibroin concentrations
CANER AKINCI
- Design of biocompatible hydrogels with regions of different chemical and mechanical properties
Farklı kimyasal ve mekanik özellikte bölgeler içeren biyouyumlu hidrojel tasarımları
ASLIHAN ARĞUN
- Haloysit nanotüp dolgu malzemesi ile termoplastik ve termoplastik elastomer polimer matris kompozit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of halloysite filled thermoplastic and thermoplastic elastomer composite materials
TUĞÇE ÖNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURAK ÖZKAL