Investigation of mechanical, thermal and flame retardant properties of glass fiber reinforced PBT and PBT/PET blends
Cam elyaf katkılı PBT ve PBT/PET harmanlarının mekanik, termal ve alevlenmeyi geciktiricilik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 517540
- Danışmanlar: PROF. DR. NURSELİ UYANIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- 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: 111
Özet
Son yıllarda, özellikle yüksek performans kriterlerine ihtiyaç duyulan alanlarda mühendislik plastiklerinin kullanımı gitgide artmıştır. Bu performans özelliklerine örnek olarak; gelişmiş mekanik özellikler, yüksek aşınma dayanımı, termal ve elektriksel dayanıklılık ile gelişmiş yanmazlık özellikleri gösterilmektedir. Plastikler uzay ve havacılık, inşaat, savunma sanayi, otomotiv, elektrik ve elektronik gibi stratejik öneme sahip birçok farklı sektörde kullanılmaktadır. Bu sebeple de mühendislik plastiklerinin mekanik, termal ve yanmazlık özelliklerinin geliştirilmesi önem arz etmektedir. İstenen bu yüksek performans kriterlerine ulaşmak için birçok araştırmacı ve üretici, takviye ajanları ile katkılar kullanmaktadır. Cam elyaf genel olarak esneklik, dayanıklılık ve sertliğin sağlanması amacıyla polimerik yapıya takviye için kullanılır. Cam elyaf takviyeli plastikler, kullanılan reçineye göre farklı yanma davranışları sergilemektedir. Daha önce yapılan çalışmalarda, bilim insanları, yanma durumunda gösterdikleri üstün performanstan dolayı halojenli alev geciktiricileri kullanmayı tercih etmişlerdi. Ancak halojenli alev geciktiricilerinin yanma esnasında çıkarmış oldukları zehirli gazlar, çevre ve sağlık üzerinde yarattığı olumsuz etkiler göz önünde bulundurularak yasal kısıtlamaların oluşturulmasını (REACH) mecbur kılmıştır. Ayrıca plastiklerin termal özelliklerinin geliştirilmesi için yüksek sıcaklıklarda kararlılığını koruyan mineral katkılar kullanılmaya başlanmıştır. Halojensiz alev geciktiriciler ve mineral katkıların bir arada kullanılması ise mühendislik plastiklerinin alev dayanımı üzerine yeni bir bakış açısı kazandırmıştır. Bu katkı maddelerinin bir arada kullanılması performansı olumlu yönde etkilediği gibi maliyeti de düşürücü bir etki göstermiştir. Poli(bütilen tereftalat) (PBT) yüksek boyutsal kararlılığı, yüksek nem direnci, prodüktivitesi ve hızlı çevrim süresi sayesinde mühendislik plastikleri arasında sıkça tercih edilmektedir. Ancak geliştirilmiş mekanik özellikleri göz önünde bulundurulduğunda cam elyaf takviyeli PBT çeşitlerinin endüstride çok daha yoğun olarak kullanıldığını söyleyebiliriz. Cam elyaf takviyeli Poli(bütilen tereftalat) /Poli (etilen tereftalat) (PBT/PET) harmanlarının da parlak yüzey görünümü, yüksek sertlik, mukavemet ve yüksek sıcaklık dayanımı gibi özellikleri endüstride tercih sebebi olarak gösterilmektedir. Ancak cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanlarının kullanılmasındaki en önemli sebeplerden biri PET'nin PBT'ye oranla daha düşük fiyata sahip olması ve buna bağlı olarak da yüksek fiyat/performans yüzdesinin elde edilmesidir. Halojen bazlı alev geciktiricilerin kullanımının kısıtlanması ardından, halojensiz fosfor bazlı alev geciktirici katkılar mühendislik plastiklerinde yüksek alev dayanımı sağladığı için kullanılmaya başlanmıştır. Bu çalışmada tüm numuneler aynı yönlü çift vidalı ekstrüder kullanılarak hazırlanmış ve enjeksiyonlu kalıplama ile de şekillendirilmiştir. Ana alev geciktirici katkı olarak halojensiz fosfor bazlı alüminyum dietil fosfinat kullanılmıştır. Bu katkının ticari ismi DEPAL olarak geçmekle birlikte, bilimsel çalışmalarda daha çok AlPi – Et olarak tanımlandığı görülmüştür. Çalışmada yardımcı alev geciktirici olarak aynı kimyasal yapıdaki fakat parçacık boyutu ve spesifik yüzey alanı farklı iki çeşit alüminyum bazlı mineral katkı kullanılmıştır. Deneyin ilk aşamasında parçacık büyüklüğü 1,2 µm, ticari adı Actilox B60 olan mineral katkı; deneyin ikinci aşamasında ise parçacık büyüklüğü 2,3 µm, ticari adı Actilox B30 olan mineral katkı kullanılmıştır. Bu katkı bilimsel çalışmalarda boehmite olarak adlandırılır ve kimyasal formülü AlO(OH)'tir. Saf PBT olarak hazırlanan kontrol numunesi dışındaki tüm numuneler %20 alev geciktirici katkı içermektedir. Diğer tüm numuneler 3 ayrı matriste ekstrüde edilmiştir. Bu matrisler saf PBT, cam elyaf takviyeli PBT ve cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanı olarak sıralanmaktadır. Esas alev geciktirici ve yardımcı alev geciktiricinin optimum oranının belirlenmesi için her matriste 5 ayrı oranda deneme yapılmıştır. Deneylerin ilk aşamasında mineral katkı olarak Actilox B60 kullanılmış ve ana alev geciktirici/yardımcı alev geciktirici oranları şu şekilde belirlenmiştir: %20 DEPAL/%0 Actilox B60; %15 DEPAL/%5 Actilox B60; %10 DEPAL/%10 Actilox B60; %5 DEPAL/%15 Actilox B60 ve %0 DEPAL/%20 Actilox B60. Deneylerin ikinci aşamasında mineral katkı olarak Actilox B30 kullanılmış ve ana alev geciktirici/yardımcı alev geciktirici oranları ise şu şekilde belirlenmiştir: %20 DEPAL/%0 Actilox B30; %15 DEPAL/%5 Actilox B30; %10 DEPAL/%10 Actilox B30; %5 DEPAL/%15 Actilox B30 ve %0 DEPAL/%20 Actilox B30. Hazırlanan örneklerin yapısal özellikleri yoğunluk ve erime akış indisi (MFI) ölçülerek değerlendirilmiştir. Örneklerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla ise çekme modülü, çekme mukavemeti, kopmadaki uzama ve iki farklı sıcaklıkta (+23 ᵒC ve -30 ᵒC) Izod darbe mukavemeti ölçümleri yapılmıştır. Termal özellik incelemesi ise yük altında bozunma sıcaklığı (HDT), termal gravimetrik (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) analizleri ile yapılmıştır. Örneklerin yanma performansı da UL 94 yanmazlık testi, kızgın tel alevlenebilirlik indeks testi (GWFI) ve kızgın tel ile tutuşma sıcaklığı (GWIT) ölçümü ile belirlenmiştir. Örneklerin yoğunluk ölçümleri sonucunda en yüksek yoğunluk değerini deneyin ilk aşamasında cam elyaf katkılı PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 Actilox B60 eklenen 16 numaralı örnekte, ikinci aşamasında ise cam elyaf katkılı PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 Actilox B30 eklenen 28 numaralı örnekte ölçülmüştür. Deneyin ilk aşamasında cam elyaf takviyesiz PBT matrisinde Actilox B60 miktarı artmasıyla yoğunluk değerinin de oransal olarak arttığı gözlenmiştir. Cam elyaf takviyeli PBT matrisi ve cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına aynı oranlarda Actilox B60 eklenmesi yoğunluğun aynı trendle artmasını sağlamıştır. Deneyin her iki aşamasında da beklenildiği üzere en yüksek yoğunluk değerleri, cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına yalnızca %20 oranında mineral bazlı yanmaz katkının eklenmesi ile elde edilmiştir. Deneyin her iki aşamasında da erime akış indisi incelendiğinde 3 farklı matrise de yalnızca %20 oranında halojensiz fosfor bazlı alev geciktirici katkının eklenmesi akışı kolaylaştırıcı bir etki yaratırken yalnızca mineral bazlı alev geciktirici katkıların eklenmesi düşük oranda da olsa akışı zorlaştırmıştır. Saf PBT'ye %20 oranında cam elyaf takviyesi yapılması beklenildiği üzere akış hızını yarı yarıya düşürmüştür. Aynı oranlarda yanmaz katkı içeren cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanı ile cam elyaf takviyeli PBT karşılaştırıldığında ise PET'nin akış hızını arttıran bir etki yarattığı görülmüştür. Actilox B60 ve Actilox B30 katkıların 3 farklı matrise aynı oranlarda ve ayrı ayrı eklenmesiyle elde edilen sonuçların hemen hemen aynı olduğu gözlemlenmiştir. PBT matrisine ağırlıkça %5 DEPAL ve %15 Actilox B60 katkılarının eklenmesiyle elde edilen 4 numaralı örnek ile PBT matrisine ağırlıkça %5 DEPAL ve %15 Actilox B30 eklenen 19 numaralı örnek akış hızları en yüksek olan örnekler olarak belirlenmiştir. Örneklerin mekanik özellikleri incelendiğinde; çekme mukavemeti ölçümlerinde yalnızca ağırlıkça %20 DEPAL içeren 1 numaralı örneğin mukavemetinin %60 oranında düşürdüğü; deneyin ilk aşamasında 5 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 Actilox B60'ın ve deneyin ikinci aşamasında 20 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 oranındaki Actilox B30'un çekme mukavemetini değiştirmediği gözlemlenmiştir. Cam elyaf takviyesi örneklerin çekme mukavemetini hemen hemen %100 arttırmıştır. Saf PBT'ye eklenen %20 oranındaki DEPAL'in çekme modülünü %31 oranında arttırdığı hesaplanmıştır. Deneyin ilk aşamasında 5 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 Actilox B60'ın çekme modülünü %50 oranında arttırdığı; deneyin ikinci aşamasında 20 numaralı örnekte kullanılan ağırlıkça %20 oranındaki Actilox B30'un ise çekme modülünü hemen hemen hiç değiştirmediği gözlemlenmiştir. Beklendiği üzere deneyin her iki aşamasında da cam elyaf takviye edilen tüm örneklerin çekme modülü artmıştır. Ayrıca cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisine sahip örnekler diğer tüm örneklerden daha yüksek çekme modülü değerine sahiptir. Çekme mukavemetinin cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B60 içeren 16 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 28 numaralı örneklerde en yüksek, çekme modülünün cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %5 DEPAL ve ağırlıkça %15 Actilox B60 içeren 15 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 28 numaralı örnekte en yüksek ve kopmadaki uzama oranları ise ağırlıkça %20 Actilox B60 içeren 5 numaralı örnekte ve ağırlıkça %20 oranında Actilox B30 içeren 20 numaralı örneklerde en yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Kopmadaki uzama ölçümleri ayrıca incelendiğinde alev geciktirici katkıların matrise eklenmesi ile değerlerde yüksek oranda bir düşüşün gözlendiği belirlenmiştir. Özellikle cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisine yanmaz katkıların eklenmesi ile en düşük kopmadaki uzama oranları elde edilmiştir. Actilox B30 mineral katkı içeren örneklerin kopmadaki uzama oranlarının Actilox B60 mineral katkı içeren örneklere kıyasla daha düşük olduğu gözlemlenmiştir. 23 °C ve -30 °C'larda gerçekleştirilen Izod darbe mukavemeti testlerinde, en yüksek darbe mukavemeti 23 °C'de cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 DEPAL katkısı eklenen 12 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 Actilox B60 eklenen 16 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT matrisine ağırlıkça %5 DEPAL ile %15 Actilox B30 eklenen 23 numaralı örnekte; -30 °C'de ise cam elyaf takviyeli ağırlıkça %20 DEPAL içeren 7 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli PBT/PET harmanına ağırlıkça %20 DEPAL eklenen 12 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 24 numaralı örnekte ölçülmüştür. Termal özellikler incelenirken, yük altında bozunma sıcaklığı en yüksek olan örneklerin; cam elyaf takviyeli ağırlıkça %20 DEPAL içeren 7 numaralı örnek, cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %5 DEPAL ile %15 Actilox B60 içeren 10 numaralı örnek ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %15 DEPAL ile %5 Actilox B30 içeren 5 numaralı örnek olduğu görülmüştür. DEPAL ve Actilox B60 katkıları yük altında bozunma sıcaklığını arttırıcı yönde etki ederken Actilox B30 ise düşürücü yönde etki etmiştir. Termal gravimetrik analiz sonucunda, eklenen tüm katkıların; saf PBT dışında da kullanılan tüm matrislerin bozunmaya başladığı sıcaklık düşmüştür. En yüksek bozunmaya başlama sıcaklıkları deneyin ilk aşamasında cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B60 içeren 11 numaralı örnekte, ikinci aşamasında ise cam elyaf takviyeli PBT matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 24 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %20 Actilox B30 içeren 28 numaralı örnekte incelenmiştir. Örneklerin yanma performansı incelendiğinde ise halojensiz fosfor bazlı yanmaz katkının, yanma özellikleri üzerinde olumlu yönde büyük bir etkisi olduğu görülmüştür. Yalnızca mineral bazlı katkıların kullanıldığı örneklerin UL 94 standartlarına uymadığı ve %5 oranında bile fosfor bazlı yanmaz katkı içeren örneklerin UL 94 standardına uygun sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu durum mineral bazlı katkıların metal oksit içeriğinden kaynaklanmaktadır. Kızgın tel tutuşma sıcaklıkları incelendiğinde ise deneyin her iki aşamasında da Actilox B60 veya Actilox B30 mineral bazlı katkıların eklenmesi tutuşma sıcaklığını değiştirmemiştir. En yüksek tutuşma sıcaklıkları; yanmaz katkı içermeyen cam elyaf takviyeli 6 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli ağırlıkça %20 DEPAL içeren 7 numaralı örnekte, cam elyaf takviyeli ağırlıkça %15 DEPAL ile %5 Actilox B60 içeren 8 numaralı örnekte ve cam elyaf takviyeli ağırlıkça %10 DEPAL ile %10 Actilox B60 içeren 9 numaralı örnekte olduğu görüşmüştür. Kızgın tel alevlenebilirlik indeksi ölçümlerinde ise yine içinde halojensiz fosfor bazlı yanmaz katkı bulunmayan örneklerin testi geçemediği görülmüştür. Tüm deneyler sonucunda, %20 cam elyaf takviyeli PBT/PET matrisinde ağırlıkça %5 DEPAL ile %15 Actilox B30 içeren 27 numaralı örnek en iyi mekanik, termal ve yanma performansı sonuçlarını vermiştir.
Özet (Çeviri)
Engineering plastics are used more and more areas in a wide spread manner. Especially, need of special performance characteristics, engineering plastics are come to mind. These special characteristics can be defined as high mechanical properties, high abrasion resistance, high electrical and thermal resistance, improved fire retardant performance. Plastics are used in different significant areas such as aeronautics and space, construction, defense industry, automotive, electrical and electronical industry etc. Improvement of mechanical, thermal and fire retardant performance of these engineering plastics, become more of an issue. In order to reach these desirable performance characteristics, manufacturers use reinforcement agents and additives. Glass fibers are commonly used to support polymeric structure with the purpose of obtain stiffness, strength and flexibility. Glass fiber reinforced engineering plastics have also varied fire behavior depend on resins which are used. Previous studies show that scientists had preferred halogenated flame retardants because of their outstanding fire retardant performance in case of fire. By the reason of legislative restrictions (such as REACH), environmental and health considerations, halogen free flame retardant additives have become more and more important. Also, high temperature stable mineral fillers are used to improve thermal properties. The combination of halogen free flame retardants and mineral fillers, give a new impulse to fire retardant performance of engineering plastics. This combination also reduces the cost of high fire retardant performance plastics. Poly(butylene terephthalate) (PBT) is preferred among engineering plastics with its high dimensional stability, low moisture absorption, productivity and fast cycle time characteristics. However, glass fiber reinforced PBT grades have preferred due to modified mechanical properties. Glass fiber reinforced PBT/PET blends have desirable properties such as glossy surface appearance, high rigidity, high temperature and strength properties. Additionally, the most important characteristic of glass fiber reinforced PBT/PET blends is good cost-performance ratio. After the restriction of halogenated based flame retardant, halogen free high performance phosphorus based flame retardant additives are preferred to use in engineering plastics. In this study, samples were prepared by using co-rotating twin screw extruder and they were shaped by injection moulding machine. A halogen free phosphorus based flame retardant additive which is called aluminium diethyl phosphinate is used as main flame retardant. This halogen free phosphorus based flame retardant is also called DEPAL and especially identified as AlPi – Et in scientific researches. Two aluminium based mineral filler are used as a co-flame retardant which has the same chemical structure but they have different average particle size and specific surface area. In first stage of experiment, Actilox B60, which its particle size is 1.2 m, aluminium based mineral filler is used as co-flame retardant. In second stage of experiment, Actilox B30, which its particle size is 2.3 m, aluminium based mineral filler is used as co-flame retardant. This aluminium based mineral flame retardants are boehmite originated and its chemical formula is AlO(OH). All samples contain totally 20% flame retardant additives except control sample. The samples were extruded with different matrices which are neat PBT, glass fiber (GF) reinforced PBT and GF reinforced PBT/PET blend. In order to determine optimum combination of main flame retardant/co-flame retardant, five different ratios are selected. In first stage of the experiment, Actilox B60 is used and these main flame retardant/co-flame retardant ratios are aligned as 20% DEPAL/0% Actilox B60; 15% DEPAL/5% Actilox B60; 10% DEPAL/10% Actilox B60; 5% DEPAL/15% Actilox B60 and 0% DEPAL/20% Actilox B60. In second stage of experiments, samples were prepared with Actilox B30 as co-flame retardant and the main flame retardant/co-flame retardant ratios are 20% DEPAL/0% Actilox B30; 15% DEPAL/5% Actilox B30; 10% DEPAL/10% Actilox B30; 5% DEPAL/15% Actilox B30 and 0% DEPAL/20% Actilox B30. Structural properties of samples were evaluated by measurements of density and melt flow index (MFI). In order to obtain mechanical properties of samples; stress at break, tensile modulus, strain at break and Izod impact (+23 °C and -30 °C) values are calculated. Thermal properties of samples were investigated by heat distortion temperature (HDT), thermal gravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimeter (DSC) analysis. Flame retardant performance of the samples were obtained by UL 94, glow wire ignition temperature and glow wire flammability index tests. In consequence of all experiments; Sample 27, which is contained 5% DEPAL/15% Actilox B30 in 20% GF reinforced PET/PBT blend matrix, is given the best mechanical, thermal and fire retardant performance results.
Benzer Tezler
- Synthesis and applications of supramolecules and macromolecules containing multiple triazole units
Çoklu triazol üniteleri içeren supramolekül ve makromoleküllerin sentez ve uygulamaları
ÖZGE ÖZÜKANAR
Doktora
İngilizce
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM VOLKAN KUMBARACI
- Cam elyaf, karbon elyaf ve organik madde takviyeli kompozit poliüretan köpük malzemelerin ısıl bozunma ve yanma davranışlarının incelenmesi
Investigation the thermal degradation and fire behaviours of glass fibers, carbon fibers and organic matters reinforced composite polyurethane foam materials
FATİH DEMİRYUĞURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NAZIM USTA
- Uv ışınları ile sertleşebilen aşınma ve yanma dayanımlı, nanokompozit kaplamaların hazırlanması ve antimikrobiyal özelliklerinin incelenmesi
Preparation of UV-curable, abrasion and flame resistant nanocomposite coatings and investigation of their antimicrobial properties
RAİFE DENİZ TOKER
- Development of novel biopolyamide compounds as a green and sustainable alternative to petroleum derived polymers and their applications in medical field
Petrolden elde edilen polimerlere yeşil ve sürdürülebilir bir alternatif olarak özgün biyopoliamit bileşiklerinin geliştirilmesi ve tıbbi alanda uygulamaları
ŞEBNEM GÜLEL
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR
- Polimer esaslı kompozit malzemelere farklı dolgu maddelerinin ilavesinin mekanik ve ısıl özellikleri üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigations the effects of different fillers on mechanical and thermal properties of polymer based composite materials
ERKİN AKDOĞAN
Doktora
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NUMAN BEHLÜL BEKTAŞ