Development of mechanical properties of recycledpolyethylene by fibrillation of a secondary recycledpolymer
İkincil geri dönüştürülmüş polimerin fibrilasyonuyla geridönüştürülmüş polietilenin mekanik özellikleriningeliştirilmesi
- Tez No: 566802
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Polimer bilimi uzun yıllardır çalışılmakta olan malzeme konularından biridir. Mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılan polimerler genel olarak termoplastikler, termosetler ve elastomerler olmak üzere üç başlık altında incelenirler. Tekrar tekrar proses edilebilen termoplastikler, çeşitli mekanik ve kimyasal özellikleri ve düşük maliyetleri sayesinde birçok sektörde geniş kullanım alanı bulmuşlardır. Harmanlama iki ya da daha fazla termoplastik polimerin daha iyi mekanik, fiziksel, kimyasal özellik sağlamak, maliyeti iyileştirmek ya da geri dönüşüm yaparak daha çevreci malzemeler üretmek amacıyla ekstruder yardımıyla karıştırılarak yeni bir malzeme üretilmesidir. Polietilen (PE) polyoolefin ailesine bağlı, kimyasal olarak (-C2H4 )n olarak gösterilen etilenin polimerizasyonu ile üretilen ve en çok kullanılan termoplastik türlerinden biridir. Etilen monomerinin dallanmasına bağlı olarak kristalizasyon derecesi değişir. Bu kristalizasyon derecesine göre polietilen; yüksek yoğunluklu, alçak yoğunluklu ve lineer alçak yoğunluklu polietilen olarak isimlendirilir. Yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE), kristallenmeye engel olan dallı yapının en az olduğu PE çeşididir. Bu sebeple yoğunluğu ve mekanik dayanımı diğer PE tiplerinden fazladır. YYPE yüksek mekanik özellikleri ve kimyasal direnci sebebiyle boru imalatında, deterjan ve şampuan kutularının imalatında sıklıkla kullanılır. Alçak yoğunluklu polietilen (AYPE) ise kristaliniteyi yavaşlatan dallı yapıları içerisinde bulundurur. Bu yapılar uzun ana zincire rastgele bağlanırlar ve bu dallı yapı yoğunluğu düşüren etmendir. Yüksek darbe mukavemeti gerektiren uygulamalarda dallı yapısı sayesinde darbeyi kolaylıkla absorbe edebilen AYPE ve lineer alçak yoğunluklu (LAYPE) tercih edilir. Saf haldeki kullanım alanlarının yanı sıra, PE diğer polimerlerle harmanlanarak da kullanılmaktadır. Örneğin, kırılgan yapıdaki poli (etilenterefitalat) (PET) malzemesinin darbe dayanımını artırmak, ekonomik yeni malzemeler üretmek amacıyla PE/PET harmanları, daha rigid bir yapı elde etmek için ise PE/PA harmanları otomotivde ve beyaz eşya sektöründeki mühendislik uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında artan plastik kullanımı ve buna bağlı olarak artan çevre kirliliği göz önünde bulundurularak kullanılan tüm malzemeler geri dönüşüm malzemelerden seçilmiştir. Bebek bezlerinden geri dönüştürülmüş polipropilen, tekstil atıklarından geri dönüştürülmüş poliamid 6 ve PET su şişeleri ikincil takviye fazı olarak kullanılmıştır. Polimerler geri dönüştürüldüklerinde, proseste meydana gelen kesme gerilimleri sebebiyle uzun polimer zincirlerinde kopmalar meydana gelmektedir. Bu kopmalar mekanik özellikte düşüşlere sebebiyet vermektedir. Bu sebeple geri dönüştürülmüş polietilen fazı mikrofibrilasyon yöntemi kullanılarak mukavemetlendirilmiştir. Mikrofibrilasyon yöntemine temel olarak 3 temel aşamadan oluşur: karıştırma, çekme ve ısıl işlem. Bu yöntem ile erime noktaları arasında en az 50 °C fark olan iki polimer istenilen oranda ekstruderde karıştırılır ve çekme cihazı yardımıyla takviye polimerin (ikincil faz) matrisin içerisinde fibrilleşmesi sağlanır. Fibrillasyon sıcak veya soğuk olarak gerçekleştirilebilir. Fibrlasyonu etkileyen bir diğer önemli nokta ise boy/çap oranını belirleyen çekme hızıdır. Son aşamada ise, ikincil fazın erime noktasından düşük, matrisin erime noktasından yüksek olarak belirlenen özel bir sıcakta malzeme kalıplanır bu sayede matris eritilir ancak fiberler korunur. Son aşamada ise kalıplama işlemi yapılır. Fiberlerin dağımı ve oryantasyonu mekanik özellikleri belirleyen en önemli parametrelerden biridir. İzotropik dağılımın gerektiği uygulamalarda enjeksiyon ile kalıplama yapılırken, anizotropik dağılıma ihtiyaç duyulan uygulamalarda basınçla kalıpma yöntemi uygulanır. Erimeyen fiberler malzemenin mekanik özelliklerini klasik harmanlama metoduna göre daha çok artırır. Bu tez çalışmasında, matris olarak rPE ve takviye polimer olarak da polyolefin ailesinden rPP, ester ailesinde rPET ve amidlerden rPA6 kullanılmıştır. Üretim metodu olarak harmanlama tekniğinden daha efektif mekanik özellik sağladığı bilinen fibrilasyon yöntemi seçilmiştir. Tüm formüller çift vidalı ekstruder kullanarak karıştırılmıştır. Çift vidalı ekstruderde üretilen granüllerden enjeksiyon makinası yardımıyla test çubukları basılmıştır. Çalışmanın ilk etabında, farklı takviye polimer tipinin rPE matrisine etkisi araştırılmıştır. Yapılan tüm deneylerde rPE ağırlıkça %80 oranında, takviye polimerler ise %20 oranında kullanılmıştır. rPE/rPP, rPE/rPET ve rPE/rPA6 kompozitleri 250 °C'de çift vidalı ekstruder yardımıyla karıştırılmıştır. İkincil fazların erimesini önlemek için enjeksiyon sıcaklığı takviye faz ile matrisin erime noktasının arasında seçilmiştir. Karakterizasyon yöntemi olarak taramalı electron mikroskobu, diferansiyel taramalı kalorimetreye ek mekanik testler yapılmıştır. SEM analizleri yapılarak fibrilasyonun sağlanıp sağlanmadığı, oluşan fibrillerin boyutu ve dağılımı incelenerek matrisle takviyenin uyumluluğu araştırılmıştır. Farklı polimer tiplerinin polietilen matrisinin kristalizayonu üzerindeki etkisi diferansiyel taramalı kalorimetre analizleri ile hesaplanmıştır. Üretilen tüm kompozitlere çekme, eğme ve darbe testleri yapılarak farklı polimer tiplerinin rPE matrisinin mekanik özelliklerini nasıl değiştirdiği incelenmiştir. İkinci aşamada ise proses parametrelerinin (ektruzyon ve enjeksiyon sıcaklığı) morfolojiye, termal ve mekanik özelliklere olan etkisi araştırılmıştır. Ekstruzyon sırasında rPET malzemenin tam olarak erimediği fakat yumuşadığı 250 °C' de ve erimenin tamamlandığı 275 °C'de iki farklı üretim yapılmış ve birinci etapta yapılan analizler tekrarlanmıştır. Ekstruzyon sıcaklığına ek olarak, enjeksiyon sıcaklığının mekanik özelliklere etkisi araştırılmıştır 150 ve 190 °C'de enjeksiyon yapılmıştır. Bu noktaya kadar yapılan çalışmalar belirlenen sistemler için proses koşullarının optimize edilmesini sağlamıştır. Proses optimizasyonu sırasında, rPET ve rPA6 fazlarının rPE matrisi ile uyumsuz olduğu ve bu uyumsuzluğun heterojen yapılara sebebiyet verdiği gözlenmiştir. Çalışmanın üçüncü aşamasında, birbiriyle uyumsuz olan rPE ve rPET malzemelerinin birbiri içerisinde daha homojen dağılmasını sağlamak amacıyla ticari ismi Elvaloy PTW olan etilen/n-bütil akrilat/glisidil metaakrilat (EnBAGMA) terpolimeri 3,6,9 phr oranlarında kullanılmıştır ve uyumlaştırıcı miktarının morfolojiye, mekanik özelliklere ve termal özelliklere etkisi araştırılmıştır. Buna ek olarak, geri gönüştürülmüş poliamid fazı ile geri dönüştürülmüş polietileni uyumlaştırabilmek amacıyla ticari olarak Fusabond E226 olarak bilinen anhidrat ile modifiye edilmiş polietilen 0,3,6,9 phr oranlarında kullanılmıştır. Çalışmanın son aşamasında, çekme hızının fibrilasyona etkisini inceleyebilmek için uyumlaştırıcılı ve uyumlaştırıcısız tüm formüller 2,10 ve 1,40 çekme oranları kullanarak üretilmiştir. Morfoloji, mekanik ve termal analizleri yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
Polymer science is a branch of materials science that has been developing since long time ago. Polymers that are used in engineering applications mainly divided into 3 categories as thermoplastics, thermosets and elastomers. Thermoplastics which can be melted and reshaped are commonly used in various sectors thanks to their promising chemical, mechanical properties and low prices. Blending is a processing method in which two or more polymers are mixed to obtain a new material with tailored mechanical and physical properties. It is also possible to recycle thermoplastics and produce cheap, environmental-friendly materials by blending. Polyethylene (PE) is a member of polyolefin family that is obtained by the polymerization of the ethylene monomer which has represented chemically as (-C2H4 )n . PE is named based on its degree of crystallinity as high-density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE) and linear low-density polyethylene (LLDPE). High density polyethylene (HDPE) is a type of PE whose branching structure is the least that is why its density and mechanical properties are superior than the other types of PE. Due to its high mechanical properties and chemical resistance, HDPE is frequently used in the manufacturing of pipes, detergents and shampoo boxes. Low density polyethylene (LDPE) contains branched structures which hinders crystallinity. These structures are connected randomly to the long chain and this branchy structure is the factor that reduces the density. It is preferred to use LDPE and linear low density (LLDPE) which can easily absorb the impact due to their branched structure in applications requiring high impact strength. PE is also used by blending with other polymers to obtain tailored features. For example, PE / PET blends are used to increase the impact strength of brittle poly (ethylenterephthalate) (PET), to produce new economical materials. PE / polyamide (PA) blends are also used commonly in engineering applications such as automotive and white goods sector in order to obtain a more rigid structure. All the materials used in this thesis are selected from recycled materials by considering the importance of developing new and strong recycled materials to reduce environmental pollution. Recycling may cause reductions in the mechanical properties of the polymers because when the polymers are recycled, long polymer chains would be broken due to the shear stresses occurring in the process. Microfibrillation is another method that could generate a new polymer/polymer composites with further enhanced properties. According to the microfibrillation method, the two polymers with a difference of at least 50 ° C between the melting points are mixed in the extruder in the desired ratio and the fibrillation of the reinforcing polymer (secondary phase) in the matrix is achieved by means of a drawing device. After granules are obtained, injection molding could be done at temperatures between the melting points of these polymers. By doing so, secondary phase which was already fibrillated remains unmelted and in the fiber form similar to glass fiber. The solid fibers could increase the mechanical properties of the material more than the classical blending method. In this thesis, recycled PE (rPE) was used as the matrix. Different types of recycled econdary polymers such as rPP from the polyolefin, rPET from the ester family and rPA6 from amides, were selected to reinforce the rPE matrix. All formulas were melt mixed using a twin screw extruder while rPE was used at 80% by weight. After the ejection of the blends from the extruder, spagetthi formed polymers were dived into the cooling bath and pulled to obtain fibrillated structure. In the last step, they were pelletized. The test rods were molded from the granules produced in the twin screw extruder by the injection molding machine. In the first stage of the study, the effect of different reinforcement recycled polymer types on the mechanical behavior of rPE matrix was investigated. In all experiments, the rPE / rPP, rPE / rPET and rPE / rPA6 composites were first analyzed by using scanning electron microscope (SEM) to determine if the fibrillation was achieved, the size and distribution of the fibrils and the compatibility of the matrix with the reinforcing phase. Tensile, three-point bending and impact tests were performed on all composites to understand how different polymer types changed the mechanical properties of rPE matrix. In the second stage, the effect of the process parameters (extrusion and injection molding processing temperature) on the morphology changes and hence the mechanical properties were investigated. To understand the effect of extrusion temperature on the rPE/rPET composites similar formulations were extruded at two different temperatures (i.e., 250 and 275 oC). During the extrusion at 250 °C which was close to the melting point of rPET, the rPET might have not completely melted. Second extrusion temperature was chosen as 275 °C to allow complete melting of the reinforcing phase. SEM analysis, mechanical and thermal tests were repeated for those samples. In addition to the extrusion temperature in twin screw extruder, the effect of the barrel temperature of injection molding machine on the mechanical properties was investigated and injection was carried out at barrel temperatures of 150 and 190 °C. In the third phase of the study, the ethylene / n-butyl acrylate / glycidyl methacrylate (EnBAGMA) terpolymer, whose commercial name is Elvaloy PTW, was added to the rPE/rPET composties in 3,6,9 phr ratios to ensure homogenous distribution of rPET fibrils. Also, MAH-g-PE, whose commercial name is Fusabond E226, was added to the rPE/rPA6 system to understand the effect of compatibilizer amount on the morphology, mechanical and thermal properties of the rPE/rPET and rPE/rPA6 systems. In the last step of the study, all formulas with and without compatibilizer were produced using drawing ratios of 2.10 and 1.40 to examine the effect of drawing speed on fibrillation. Morphology, mechanical and thermal analyzes were performed and results were analyzed.
Benzer Tezler
- Boraksın biotabanlı polimerik kompozitler üzerindeki termal ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Investigation of the thermal and mechanical properties of borax on bio based polymeric composites
SELEN YAKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiHitit ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM BİLİCİ
- Termal oksidasyon işleminin geri dönüştürülmüş polietilende okso-biyobozunurluğuna etkisinin farklı çevre koşullarında incelenmesi
Investigation of the effect of thermal oxidation process on the oxo-biodegradability of recycled polyethylene in various environmental conditions
SEMANUR YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU DİDEM ÇORBACIOĞLU
- Nanopartikül takviyeli geri dönüşüm PET (rPET) polimeri esaslı cips ve lif formuna sahip nanokompozit üretimi ve karakterizasyonu
Production of nanocomposites with the form of chips and fiber from nanoparticle-reinforced recycling PET (rPET) polymers and analysis of their properties
HANDAN KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DEMET YILMAZ
- Elektroforetik infiltrasyon tekniği kullanılarak SiC partikül takviyesiyle yoğunluğu artırılan karbon malzemelerin mekanik özelliklerinin geliştirilmesi
Development of mechanical properties of carbon materials with increased density by particle reinforcement of SiC electrophoretic infiltration technique
RIFAT BAŞAR ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENBİYA TÜREDİ
- İnce soda kireç silika float camların kimyasal temperleme yöntemiyle mekanik özelliklerinin geliştirilmesi
Development of mechanical properties of thin soda lime silica float glasses by chemical tempering method
AYDIN SÜLEYMAN GÜZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Metalurji MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN USTA