Geri Dön

Introducing a single stage in-situ fibrillation of PA, PET, & PBT within pla matrix

Pla matris içindeki PA, PET ve PBT'nin tek aşamalı in-situ fibrilasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 556407
  2. Yazar: ELİF ÖZPERK
  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: 2019
  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: 70

Özet

Günümüzde çevre kirliliği ve küresel ısınma insan yaşamını tehdit eden en önemli konulardan biridir. Bu güncel sorunun başlıca sebebi olarak görülen petrol kaynakları kullanımının çevrede yarattığı olumsuz etkinin boyutlarının gün geçtikçe artması ve dikkat çekmesinin yanında, bu kaynakların tükenmeye başlaması da enerji ve ekonomi alanında daha farklı kaynakların araştırılmasına neden olmuştur. Bu sorunun çözümüne katkıda bulunmak adına son yıllarda malzeme literatüründe biyopolimerlerin kullanımı üzerine yapılan çalışmalar büyük oranda artış göstermiştir. Biyopolimerlerin en önemli olumlu özellikleri biyoçözünür, biyouyumlu ve biyobazlı olmalarıdır. Bununla birlikte diğer yaygın kullanılan ticari polimerler gibi kolay ve düşük maliyetli proses edilebilen malzemelerdir. En yaygın olarak kullanılan ve son zamanlarda üzerinde en çok araştırma yapılan biyopolimer Polilaktik asit (PLA)'dır ve çoğunlukla şeker kamışı ile mısır niştası gibi doğal kaynaklardan üretilmektedir. PLA çok iyi mekanik özelliğinin yanı sıra düşük tokluk (düşük esneklik) göstermektedir. Aynı zamanda PLA'nın dezavantajları da kopolimer yapılarak, moleküler yapı düzenlenerek, blend veya kompozit yapılarak iyileştirilebilmektedir. Özellikle, ambalaj gibi uygulamalar için PLA'nın mekanik özelliklerinden düşük yüzde uzama oranının geliştirilmesi önemli bir mühendislik uğraşıdır. PLA parlak bir görüntüye sahip olduğu için göze hitap eden alanlarda tercih edilebilmekte ve sağlığa zararlı olmadığı için insan vücudu ile temas halinde olabilecek alanlarda ve sektörlerde kullanılabilmektedır. Örnek vermek gerekirse; oyuncaklar, mimari ölçek modeller, mutfak gereçleri, kurabiye kalıpları, saklama kapları ve paketleme uygulamaları PLA'nın yaygın olarak kullanıldığı ve/veya kullanılma potansiyeli bulunan ürün ve proseslerdir. Son dönemlerde, kompozit malzemelerde inorganik fiberlerin yanı sıra organik fiberlerin kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Organik fiberlerin inorganik fiberlerin yerine geçmeye başlamasının sebebi PET, PBT ve PA gibi organik fiberlerin yüksek mekanik özellikleri ve polimer matrisi ile inorganik fiberlere kıyasla daha uyumlu olmalarıdır. Aradaki bu uyum mekanik ve termal özellikleri arttırmasının yanında üretimde uyumlaştırıcı kullanımını azaltarak son ürün maaliyetlerinde düşüşe sebep olmaktadır. Bu çalışmada klasik mikrofibrilli kompozit malzeme üretim yöntemi özelleştirilerek yeni bir fikir denenmiştir. Geleneksel yöntemlerde ektrüder ile mikrofibrilasyon prosesi üç basamaktan oluşmaktadır. İlk adımda kullanılacak malzemeler kurutulur ve karıştırılır. Ektrüderin sıcaklığı matris malzemesinin ve mukavemetlendirici malzemenin erime sıcaklıkları arasında bir sıcaklığa ayarlanır. Seçilen bu sıcaklık erime noktası daha yüksek olan malzemenin fiber formunun korumasını sağlar. Daha sonra ektrüderden çıkan malzemeye sıcak ya da soğuk çekme uygulanır. Çekme işlemi iki çift silindir ile yapılır ve bu silindirlerin dönme hızı çekme oranını verir. Çekme oranı fiberlerin hizalanmasında ve kalınlıklarında önemli bir rol oynar. Sonuç olarak, bu aşamada fiberler oluşur ve yönlenmeye başlar. En son basamak ise matrisi sağlamlaştırma basamağıdır. Bu aşamada en kritik nokta ise proses seçimidir. Örneğin enjeksiyonlu kalıplama seçilirse malzeme bir vida ile tek yönde kesme kuvveti uygulanarak üretileceğinden son ürünün mekanik özellikleri yöne bağımlı olur. Ancak, eğer basınçlı kalıplama seçilirse üretilen malzemenin mekanik özelliklerinin her yönde aynı değerleri vermesine (anisotropic) sebep olacaktır. Bu çalışmada, soğuk ya da sıcak çekme basamağı elimine edilerek mikrofibrilasyonun doğrudan ektrüder içerisinde gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu yüzden, proses sıcaklığı ve vidanın dönme hızı gibi proses şartlarının doğru ayarlanması büyük önem taşımaktadır. Bu yöntem literatürde tek aşamalı in-situ fibrilasyon olarak geçmektedir. Bu tezde, yüksek molekül ağırlıklı semi kristalin ve amorf PLA matris içinde % 2, 5 ve 10 oranında poliamit (PA), polietilen tereftalat (PET) ve polibütilen tereftalat (PBT)'nin tek aşamali in-situ fibrilasyonu çalışılmıştır. PET ve PBT kullanılmasının nedeni polimerlerin ikisi de poliester olması ve erime sıcaklıklarının birbirlerinden farklı olmasıdır. Erime sıcaklıkları arasındaki bu farkın aynı üretim şartları altında mikrofibrilasyona etkisi incelenmiştir. Malzemelerin üretimi çift vidalı ekstrüder ile yapılmış olup erime sıcaklığı iki bileşenin erime sıcaklıkları arasında yapılmıştır. Sıcaklık seçilirken PET, PBT ve PA'nın fibril formunda oluşmasını sağlamak için PLA'nın (matris fazın) erime noktasından yüksek diğer bileşenlerin erime sıcaklığından (mukavemetlendirici fazın) ise düşük bir sıcaklık değeri seçilmiştir. Aynı zamanda, yüksek molekül ağırlıklı amorf PLA, PLA/PA sistemlerinde matris malzemesi olarak kullanılmıştır. Semi-kristalin ve amof PLA'ların kullanılmasının amacı PLA kristalliğinin mikrofibril oluşumuna etkisini gözlemlemektir. Bütün sistemlerde üretim 200oC ve 600 rpm gerçekleştirilmiştir. Deney numuneleri ise üretilen son malzemenin özelliklerinin yöne bağımlı olmaması için basınçlı kalıplama cihazıyla proses edilmiştir. Basınçlı kalıplama sürecinde 175-180oC arasında bir sıcaklık seçilmiştir. Bu sıcaklığın seçilmesindeki amaç da aynı ektrüder prosesinde oluduğu gibi üretilen malzemenin içindeki mukavemetlendirici fazın erimesinin engellenip fiber ya da droplet formun bozulmamasını sağlamaktır. Her üretim ve deney basamağından önce numuneler, içinde proses sırasında bozulmaya neden olacak nemin kuruması için, vakum fırınında 50oC'de bir gece boyunca bekletilmişlerdir. PLA'nın camsı geçiş sıcaklığı 65oC olduğu için kurutma işlemi bu sıcaklıkta gerçekletirilmiştir. Malzemelerin mekanik, termal, viskoelastik özellikleri ve morfolojisi sırasıyla çekme testi, dinamik mekanik analiz (DMA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), termalgravimetrik analiz (TGA), reometre ve taramalı elektron mikroskopu (SEM) ile ölçülmüştür. Taramalı elektron mikroskopu (SEM) sonuçlarına göre, amaçlandığı gibi fibrilasyon gözlemlenmemiştir ancak litratürde genel olarak miscible (tek fazlı) olan PLA/PA, PLA/PET ve PLA/PBT karışımları immiscible (faz ayrışımı) olarak üretilmiştir. SEM görüntülerindeki damlacıklı yapı immiscible mikroyapının üretildiğini açıkça göstermektedir. Normal şartlar altında miscible olan PLA/PA, PLA/PET ve PLA/PBT karışımlarının immiscible üretilebilmesi doğru sıcaklığın ayarlandığını kanıtlamaktadır ve gelecek çalışmalar için umut vermektedir. Bu çalışmada PLA içerisine eklenecek PET, PBT ve PA'nın, saf PLA'nın mekanik özelliklerini (çekme mukavemeti, elastisite modülü, yüzde uzama) arttırması amaçlanmıştır ancak çekme testi sonuçlarında bunun başarılamadığı gözlemlenmiştir. Sonuçlarda, mekanik özelliklerinin iyileşmesi gözlemlenemediği gibi aynı zamanda çok az da olsa özelliklerin azaldığı gözlemleniştir. Bu duruma, mikroyapıdaki damlacık faz ve matris faz arasındaki arayüzey geriliminin sebep olabileceği düşünülmektedir. Bu düşünceye göre, ara yüzeyler malzeme içerisinde çatlak gibi davranmış olup numunelerin daha kolay kopmalarına neden olmuştur. Bu durumun önüne geçmek amacıyla gelecek çalışmalarda uyumlaştırıcı kullanılması düşünülmektedir. PLA'nın kristalleşme kinetiği non-isotermal DSC analizi ile incelenmiştir. Blend yapılan numunelerde birinci ısıtmadan sonra malzeme soğutulurken kristalizasyon piki gözlemlenmiştir. Ancak saf PLA'da pik gözlemlenmemiştir. Bu durum saf PLA'nın yavaş kristalleşme kinetiğini göstermektedir. Aynı zamanda, polimerin içine katılan PET, PBT ve PA çekirdeklendirici görev yaparak saf PLA'nın kristalleşme hızını arttırdığını kanıtlamaktadır. Grafiklerden çıkarılabilecek bir diğer sonuç ise PBT'nin kristalleşme hızının PET'den daha hızlı olduğudur. Bu yorum kristalizasyon pikinin altında kalan alana bakılarak yapılmaktadır. TGA testi ile malzemelerin artan sıcaklık altında (deney genelde oda sıcaklığından içerikteki tüm polimerlerin bozulma sıcaklığına kadar yapılır.) bozulma davranışları gözlemlenmiştir. Grafiklere göre saf PLA ve mukavemetlendirici faz içeren numunelerin hepsinde tek aşamalı dekompozisyon olmuştur. Numunelerin termal stabilitelerinde pek bir değişim olmamışır. Bu durum da bileşenler arasındaki uyumu kanıtlamaktadır. Malzemenin viskoelastik davranışları DMA ve reoloji testleri ile incelenmiştir. DMA testinde malzemenin elastik davranışının sıcaklık ve stres etkisi altındaki değişimi gözlemlenmiştir. Deney sonucunda saf PLA'nın saklama modülü (storage modulus) mukavemetlendirici fazın etkisiyle artmıştır. Aynı zamanda deney sürecinde sıcaklık arttıkça PET ve PA içeren numunelerde soğuk kristalizayon piki gözlemlenmiştir. PBT içeren numunelerde gözlemlenmemesi PBT'nin kristalizasyon hızının fazlalığını bir kez daha kanıtlamaktadır. PBT içeren numuneler zaten kristalleşmiş oldukları için sıcaklık artışı onlarda kristalleşme piki görülmesine sebep olmamıştır. Saf PLA numunesinin deney sonucunda yukarıda da belirtildiği gibi kristalleşme hızı yavaş olduğundan kristalizasyon piki oluşmamıştır. Amorf PLA matrisli numunelerin grafiklerinde camsı geçiş sıcaklıklarından (Tg) hemen sonra düz bir düşüş gözlemlenmiştir. Saf PLA'nın Tg'si de PET, PBT ve PA oranları arttıkça ayını oranda artmıştır. Bu durum matris faz ile mukavemetlendirici faz arasında uyumu bir kez daha kanıtlamaktadır. Reoloji cisimlerin gerilme altında zamana bağlı şekil değişimini (deformasyon) inceleyen bilim dalıdır. PBT, PET'ye göre daha uzun hidro karbon zincirleri içermekte olduğunda reoloji sonuçları farklılık göstermiştir. PBT içeren numunelerin değişik frekanslarda kesme kuvvetine karşı gösterdikleri direnç daha fazladır. Amorf PLA ve semi-kristalin PLA'nın da mikroyapıdaki düzen farkından dolayı reoloji sonuçları farklılık göstermektedir. Bu senaryoda semi-kristalin PLA'nın viskozitesi ve kesme kuvvetine karşı gösterdiği direnç daha fazladır. Tüm bu sonuçlar göz önüne alındığında, bir sonraki çalışmalarda üretim şartları değiştirerek ve/veya uyumlaştırıcı kullanarak damlacık formundaki mukavemetlendirici fazın ektrüder içerisinde (sıcak ya da soğuk çekme prosesi uygulanmadan) fiberli yapıya dönüşebileceğine dair düşünceler artmaktadır.

Özet (Çeviri)

In this study, we attempted to introduce a single-stage in-situ fibrillation of 2, 5, and 10 wt. % of polyamide (PA), polybutylene terephthalate (PBT) and polyethylene terephthalate (PET) within a high molecular weight semi-crystalline polylactic acid (PLA). This has been achived via reducing the twin screw extruder (TSE) processing temperature to very low temperatures below the melting temperature of the second phase (reinforcing phase) and above that of PLA (matrix phase). This spesific temperature was chosen to protect fibril form of reinforcing phase. A high molecular weight amorphous PLA was also used as the matrix in the PLA/PA system. Before both production and experimental processing, all specimens were kept in a vacuum oven at 50°C over night to dehumidify the samples. In all systems, the processing was carried out in a twin screw extruder at 200oC and 600 rpm. The testing specimens were produced by compression molding to produce isotropic specimens and the mechanical, thermal, viscoelastic and morphological properties of the samples were investigated by using tensile test, dynamic mechanical analysis (DMA), differential scanning calorimetry (DSC), thermal gravimetric analysis (TGA), rheometer and scanning electron microscpy (SEM), respectively. From the results it could be observed that fibrillation could not be introduced as expected, on the other hand, the immiscible blends of PLA/PET, PLA/PBT, and PLA/PA could be introduced as these blends are most of the times are considered as miscible blends. For that reason, more research must be conducted to reveal how the secondary phase could get fibrillated under more chaotic mixing or via the use of compatibilizers. According to the results, in few samples that the fibrillation could have been observed some properties of PLA could get improved. In this study, one of the reason of using PA, PET and PBT is, all three polymers have different melting temperatures beyond our processing temperature (200oC). Also, to investigate the effect of PLA's crystallinity, semi-crystalline and amorphous PLA is used in PA systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    897909

    Development of titanium oxide thin film as electron selective passivating contact in N-type silicon solar cells

    N-tipi silikon güneş hücrelerinde elektron seçici pasivasyon temasında titanyum oksit ince filmin geliştirilmesi

    NASER BEYRAGHI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK YERCİ

    PROF. DR. RAŞİT TURAN

  2. Tez No

    166281

    Electrochemical synthesis of N-methylpyrrole and N-methylcarbazole copolymer on carbon fiber microelectrodes: Electrochemical response to dopamine

    N-metilpirol ve N-metilkarbazol kopolimerinin karbon elyaf mikro elektrotlar üzerine elektrokimyasal sentezi: Dopamine karşı elektrokimyasal davranışı

    ERKAN DOĞRU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEZAİ SARAÇ

  3. Tez No

    14100

    Geliştirilmiş Ebers-Moll modelinin tranzistorlu gerilim kuvvetlendiricilerinde minimum distorsiyon şartına uygulanması

    Application of modified Ebers-Moll model to distortion minimization in bipolar transistor amplifiers

    SADRİ ÖZCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1989

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. ERTUĞRUL YAZGAN

  4. Tez No

    51076

    Ders geçme ve kredi sisteminde lise öğrencileri için bir matematik başarı testi tasarımı ve uygulanabilirliğinin araştırılması

    Design of a mathematics achievement test and examination of its applicability for high school students in subject promotion and credit system

    NEŞE BAŞER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Eğitim ve ÖğretimDokuz Eylül Üniversitesi

    Eğitim Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ENVER TAHİR RIZA

  5. Tez No

    879677

    Plant-wide process analysis targeting reliable estimation of biogas production from anaerobic sludge digestion

    Anaerobik çamur çürütme prosesinden biyogaz üretiminin güvenilir tahminine yönelik tesis geneli proses analizi

    GÖKŞİN ÖZYILDIZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL

Geri Dön