Geri Dön

Effect of soft segment length on foam structure of expanded thermoplastic polyurethane (ETPU) bead foams

Yumuşak segment uzunluğunun genleştirilmiş termoplastik poliüretan (ETPU) tanecik köpük yapısına etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 533012
  2. Yazar: BİGE BATI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 98

Özet

İkinci dünya savaşından bu yana, birçok çeşit polimer ve polimer ürünleri geliştirilmiştir. Bunun nedeni, metaller ve kompozitler gibi diğer malzemelere kıyasla, polimerlerin viskoelastisite, camsı yapı ve yarı kristal oluşturma eğilimi gibi geniş yelpazedeki özellikleridir. Ancak polimerlerin en göze çarpan özellikleri, düşük yoğunlukları, imalat kolaylığı ve dolayısıyla düşük maliyetli olmalarıdır. Termoplastik poliüretan, termoplastik esaslı bir elastomerdir. Isıtıldığında yumuşayan, soğutulduğunda sertleşebilen ve bu özellikleri ile ekstrüzyon, enjeksiyon gibi ısıl-işlem proseslerinde rahatça işlenebilen bir özelliğe sahiptir. TPU yüksek aşınma direnci, geniş bir sıcaklık aralığında esneklik, yüksek bir uzama kuvveti, hava koşullarına karşı iyi direnç, yağ ve kimyasallara karşı direnç gibi birçok ayırt edici özellik gösterir. Bu özellikler, TPU'yu otomotiv gösterge panelleri, döküm tekerleri, elektrikli el aletleri, spor malzemeleri, tıbbi cihazlar, tahrik kayışları, ayakkabılar, şişme sallar ve çeşitli ekstrüde film, levha ve profil uygulamaları gibi yüzlerce uygulama için son derece yararlı kılmaktadır. TPU, NCO fonksyonel grubuna sahip diizosiyanatlar, OH fonksyonel grubuna sahip dioller ve zincir uzatıcıları olarak işlev gören kısa zincirli diollerin oluşturduğu kopolimerlerdir. Diizosiyanatlar ve kısa zincirli dioller sert, dioller ise yumuşak segmentleri oluşturur. Reaksiyon bileşiklerinin oranını, yapısını veya molekül ağırlığını değiştirerek, farklı özellikte TPU'lar üretilebilir. Bu varyasyonlar malzemenin istenen nihai özelliklerinin yaratılmasına izin verir. Örneğin, yumuşak segmentlerin sert segmentlere oranla daha çok olması, daha yumuşak bir TPU ile sonuçlanacak, tersi ise daha sert bir TPU ile sonuçlanacaktır. TPU'nun poliol zinciri polieter bazlı ya da poliester bazlı olabilir. Poliester TPU'lar polar plastiklerle uyumludur, iyi bir fiziksel özellik dengesi sunar ve harman polimerle kullanım için mükemmeldir. Polieter TPU'lar ise poliesterden özgül ağırlıkta biraz daha düşüktür. Düşük sıcaklık esnekliği ve iyi sürtünme ve yırtılmaya karşı dayanıklılık sunarlar. Mükemmel hidroliz direncini sağlarlar; bu da suyun dikkate alındığı uygulamalar için çok önemlidir. TPU'lar ayrıca aromatik ve alifatik izosiyanatlar olarakta sınıflandırılabilir. Metilen difenil diizosiyanat (MDI) gibi aromatik izosiyanatlı TPU'lar esneklik, dayanıklılık ve tokluk gerektiren uygulamalarda kullanılabilir. Metilen disikloheksil diizosiyanat (H12MDI), heksametilen diizosiyanat (HDI) ve izoforon diizosiyanat (IPDI) gibi alifatik izosiyonatlara sahip TPU'lar optik netlik, yapışma ve yüzey korumasının gerekli olduğu projelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Polimer köpükler, kabarcıklar (hücreler) içeren bir polimer matrisinden oluşur. Bu hücreler hava tünelleriyle bağlantılı ise açık hücreli, değilse kapalı hücreli köpük olarak adlandırılır. Açık hücreli köpükler genellikle esnektir, kapalı hücreli köpükler ise genellikle daha serttir. Köpükte kullanılan gaz, kimyasal veya fiziksel olabilen köpürtme ajanı olarak bilinir. Fiziksel köpürtme ajanları, köpürme işleminde kimyasal olarak reaksiyona girmeyen gazlardır, kimyasal köpürtme ajanları ise reaksiyona girer ve işlem sırasında kimyasallar açığa çıkarır. Polimer köpükler, ayrıca sert veya esnek köpüklere ayrılan termoplastik veya termosetlere ayrılabilir. Termoplastikler genellikle kırılabilir bağlara sahiptir ve geri dönüşümü mümkündür, termosetler ise çokca çapraz bağa sahiptirler ve geri dönüşümü daha zordur. İlk polimer köpük 1930'larda üretilmiş olan köpürtülmüş polistirendir. İkinci Dünya Savaşı sırasında ilk poliüretan üretilmiştir. Savaştan sonra, esnek poliüretan köpük mobilya ve otomotiv endüstrisi için üretilmiş ve kullanılmıştır. Sonraki yıllarda polimer köpükler, enjeksiyon köpürtme ve çeşitli ekstrüzyon teknikleri gibi yeni teknolojiler ile üretilerek daha yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Son yıllarda, tanecik köpürtme teknolojileri, örneğin sualtı peletleme ile köpük ekstrüzyonu, köpürtme ajanı ile süspansiyon polimerizasyonu ve otoklav köpürme işlemi gibi çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Otoklav prosesi genellikle polimerlerin köpürme davranışını incelemek için kullanılır fakat bazı endüstriyel uygulamalar için de mevcut olan bir işlemdir. Bu işlemde polimer yüksek basınçlı bir kapalı bir sistemde ilk olarak fiziksel köpürtme ajanı ile (genellikle CO2 ya da N2) doyurulur. Daha sonra köpürme, bir termodinamik dengesizlikle tetiklenmelidir. Bunun için iki yöntem bulunmaktadır; ani basınç düşüşü yöntemi (basınç metodu) ya da anı sıcaklık artışı yöntemi (sıcaklık metodu). Ani basınç düşüşü yönteminde, basınç düşüş oranının kabarcık nükleasyonu üzerindeki etkisi incelenebilir, ani sıcaklık artışı yöntemi ise polimerin işlem aralığını araştırmak için kullanılabilir. Polimer köpüklerin çok yaygın kullanılmasının nedeni, oldukça hafif ve düşük maliyetli ürünler olmalarının yanısıra, düşük yoğunluk ve yalıtım özellikleri gibi birçok avantajlı özelliğe sahip olmalarıdır. Tanecik köpükler ise diğer köpük teknolojilerine kıyasla üç boyutlu kompleks ürünler oluşturabilir. Bu tez, genleştirilmiş termoplastik poliüretanın (ETPU) tanecik köpürme işlemiyle köpürme davranışına odaklanmaktadır. Farklı molekül ağırlığına ve farklı poliol tiplerine sahip TPU'lar incelenmiştir. Proses koşullarının (doyma basıncı, sıcaklığı ve zamanı) köpük morfolojisine etkisi ve basınç düşüş oranının kabarcık nükleasyonuna etkisi araştırılmıştır. İlk olarak, bozulma başlangıcı ve termal ayrışma davranışını araştırmak için TPU örnekleri termal gravimetrik analiz (TGA) ile analiz edilmiştir. Malzemenin eriyik davranışını daha iyi anlamak için, malzemenin reolojik özellikleri salınımlı reometre ve eriyik akış indeksi ölçüm cihazlarıyla ölçülmüştür. Daha sonra, moleküler ağırlığın ve TPU'nun poliol tiplerinin kristalizasyon davranışı üzerindeki etkisi, diferansiyel taramalı kalorimetrisinde (DSC) non-izotermal eriyik analizi ile araştırılmıştır. Ayrıca köpürtme prosesinin de bir adımı olan izotermal tavlamanın kristalleri nasıl modifiye edebileceği ve kabarcık nükleasyonunu nasıl etkileyebileceğini anlamak amacıyla, DSC'de izotermal erime analizi yapılmıştır. Termal analizlerden sonra numunelerin optimum işlem sıcaklıklarını bulmak için 30 dakika boyunca 2000 psi basınç altında farklı sıcaklıklarda köpürtme deneyleri yapılmıştır. Tüm numuneler için optimum sıcaklıklar belirlendiğinde, doyma basıncının köpük yapısı üzerindeki etkisinin görülmesi için, 30 dakika boyunca 1000psi ve 1500psi basınç altında da optimum sıcaklıklarıyla köpürtme işlemi yapılmıştır. Daha sonra doyma zamanının etkisinin görülmesi için 15 dakika ve 60 dakika boyunca 2000 psi basınç altında optimum sıcaklıklarında da tekrarlanmıştır. Dahası, kristallerin CO2 altında izotermal tavlama ile nasıl modifiye edildiğini anlamak amacıyla, tüm numuneler için köpürtmeye sebep vermeyecek yavaşlıkta bir basınç düşüşü ile tüm işlem koşulları tekrarlanmıştır. Köpürtülmüş termoplastik poliüretan örnekleri farklı açılardan karakterize edilmiştir. İlk olarak, köpürtülmüş numunelerin yoğunlukları suda ölçülmüş ve arşimet denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sona genleşme katsayıları yoğunluklarından yola çıkarak hesaplanmıştır. Diğer yandan, köpürtülmüş numunelerin hücresel yapıların morfolojisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak gözlenmiştir. Taramalı elektron mikroskobunda hücresel yapı tayini yapıldıktan sonra ise tüm numunler için hücrelerin polimer matrixi içerisindeki dağılımları ve hücre boyutları incelenmiş ve her bir numunenin hücre yoğunlukları hesaplanmıştır. Son olarak köpükleşmenin sert segment kristallerine olan etkisini gözlemlemek için, köpürtülmüş numunelerin DSC ile termal analizleri de yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

Since the second world war, many types of polymers and their products have been produced. This is because of their broad range of properties compared to other materials such as metals and composites, including toughness, viscoelasticity, and a tendency to form glasses and semicrystalline structures rather than crystals. The most prominent features of polymers are, however, their low density, ease of manufacturing, and hence cost-effective. Thermoplastic polyurethane (TPU) is a thermoplastic based elastomer, which means it is meltable and processable when heated, formable and shapable when cooled, and capable of being reprocessed multiple times. TPU is well-known for its many features including; high abrasion resistance; flexibility over a wide range of temperatures; high tensile strength; good resistance to weathering; good resistance to oil, grease, solvents and chemicals. These properties make TPU extremely useful for hundreds of applications such as automotive instrument, caster wheels, power tools, sporting goods, medical devices, drive belts, footwear, and a variety of extruded film, sheet and profile applications. TPU is a block copolymer including alternating sequences of hard and soft segments formed by the reaction of diisocyanates with short-chain diols and diisocyanates with long-chain diols. By varying the ratio, structure and/or molecular weight of the reaction compounds could be changed, and different TPU with varying properties can hence be produced. This allows to tailor the desired final properties of the material. For instance, a greater ratio of soft segments to hard segments will result in a softer TPU, while the reverse will result in a more rigid TPU. The polyol chain of TPU can be either polyether based or polyester based. Polyester TPUs are compatible with polar plastics, offer a good balance of physical properties and are perfect for use in polyblends. Polyether TPUs are slightly lower in specific gravity than polyester. They offer low temperature flexibility and good abrasion and tear resilience. They provide excellent hydrolysis resistance – making them suitable for applications where water is a consideration. TPUs can also be subdivided into aromatic and aliphatic isocynates. TPUs with aromatic isocynates like Methylene diphenyl diisocyanate (MDI) can be used in applications that require flexibility, strength and toughness. TPUs with aliphatic isocyantes like-Methylene dicyclohexyl diisocyanate (H12 MDI), hexamethylene diisocyanate (HDI), and isophorone diisocyanate IPDI are commonly used in projects where optical clarity, adhesion and surface protection are required. Polymeric foams are made up of a polymer matrix with either closed bubbles (cells) or interconnected tunnels, which are known as either closed-cell or open-cell structures. Open-cell foams are mostly flexible, while closed-cell foams are generally more rigid. The gas that is used in the foam is known as blowing agent, which can be either chemical or physical. Physical blowing agents are gases which do not react chemically in the foaming process, while chemical blowing agents take part in a reaction or decompose, giving off chemicals in the process. Polymer foams can be divided into either thermoplastics or thermosets, which are further divided into rigid or flexible foams. The thermoplastics are usually breakable and able to recycle, while thermosets are harder to recycle because they are usually heavily crosslinked. The first polymer foam was foamed polystyrene in the 1930's. During second World War polyurethane was invented. After the war, the flexible polyurethane foam was produced and used for furniture and automotive industry. In the following years, polymer foams were more widely used as new technologies developed, such as injection molding and several extrusion techniques. Recenlty, bead foaming technologies are developed including several methods, for instance foam extrusion with underwater pelletizer, suspension polymerization with blowing agent, and batch foaming process. Batch foaming is noncontinuous process that is qualified to study the foaming behavior of polymers and also exist for industrial applications. In this process, polymer is firstly saturated with physical blowing agent in a high pressure cell. Later, foaming is initiated by either a pressure drop or increase in temperature which results in a thermodynamic disequilibrium. In pressure drop method, pressure drop rate effect on the cell nucleation can be investigated, while increase in temperature method suits to evaluate the processing window of the polymer. The reason why polymer foams are widely used is that they have a lot of advantageous such as low density, cheaper, tailored properties which could influence the final funactional properties such as insulation properties. Bead foams have an extra advantages compare to foam extrusion and foam injection molding, which is its ablity to form low density three dimensional complex geometry foam products. This thesis focus on foaming behavior of expanded thermoplastic polyurethane (ETPU) through batch foaming process. TPUs samples that have different molecular weights and different polyol types are examined. The effect of process conditions; saturation pressure, time and temperature on foam morphology; also, the effect of pressure drop rate on cell nucleation are investigated. At first, to investigate the onset of degradation and thermal decomposition behavior, TPU samples were analyzed by thermal gravimetric analysis (TGA). To know the materials better, the rheological properties of the TPUs were also measured using a rheometer under oscilatory shear loads and using melt flow indexer. Later, the effect of molecular weight and polyol types of TPU on the crystallization behavior was expolered with non-isothermal melt anaylsis in differantial scanning calorimetry (DSC). The next step was isothermal crystallization analysis in DSC, which simulates foaming process without blowing agent, to understand how isothermal annealing in DSC can modifie the crystals and influence the cell nucleation. After the thermal analysis, samples were foamed at different temperatures under 2000psi for 30min to find the optimum process temperature. When optimum temperatures were determined for all samples, they were also foamed at 1000psi and 1500psi for 30 min to manitor the saturation pressure effect on TPU's foaming behavior, also at 2000psi for 15min and 60 min to investigate the saturation time effect. Furthermore, to understand how the hard segment crystals were modified by isothermal annealing under CO2, all process conditions were repeated with extremly slow pressure drop rate that would not cause foaming for all samples. The foamed TPU samples were characterized in two aspects. Firslty, the density of foamed samples and their expansion ratio were measured in pure water and calculated using archimedes equation. One the other hand, the morphology of cellular stucture in foamed samples were observed using scanning electron microscope (SEM). After the observation of cellular morphology; cell distributions and cell dimensions were examined and the cell density of each of samples was calculated. Thermal analysis performed for foamed samples by DSC to monitor the foaming effect on further modification of hard segment crystals.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    216316

    Preparation and characterization of novel silicone-urea copolymers and composites

    Silikon-üre kopolimer ve kompozitlerinin sentez ve karakterizasyonu

    TUĞBA EYNUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKoç Üniversitesi

    Malzeme Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. İSKENDER YILGÖR

    ÖĞR. GÖR. EMEL YILGÖR

  2. Tez No

    310629

    Polietilen glikol ve Hint yağı temelli şekil hafıza özelliği gösteren poliüretan filmlerin sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of polyethylene glycol and castor oil based-shape memory polyurethane films

    MİREY BONFİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. F. SENİHA GÜNER

  3. Tez No

    478644

    Experimental and theoretical approaches in macromolecules design, synthesis, modification and nanosensor applications

    Makromoleküllerin dizayn, sentez ve modifikasyonunda teorik ve deneysel yaklaşımlar ve nanosensör uygulamaları

    MERVE SENEM AVAZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve TeknolojiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU

  4. Tez No

    338596

    Synthesis and characterization of poly(ether/ester) based thermoplastic elastomer nanocomposites

    Poli(eter/ester) bazlı termoplastik elastomerler nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu

    FADİLE EZEROĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜLKÜ YILMAZER

  5. Tez No

    557460

    Synthesis and applications of amphiphilic graft copolymers

    Amfifilik aşı kopolimerlerin sentezi ve uygulamaları

    GÖZDE AKTAŞ EKEN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN HAYRİ ACAR

Geri Dön