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
- Tez No: 578817
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
20. yüzyılın başlarından itibaren polimer malzemeler ve bu konuda yapılan çalışmalar büyük önem arz etmektedir. Bunun altında yatan çeşitli sebepler vardır; metal ve seramik malzemeler için kaynak yetersizliği, hafif ve viskoelastik malzemelerin artan önemi, maliyet, üretim kolaylığı vb. Polimer sentezinden başlayan bu ilerleme başka birçok aşamalar da katetmiştir, bu bağlamda polimerlerin kullanılabilirliğinin artması adına. Polimer harmanları ve polimer kompozitler günümüzde öne çıkan önemli iki araştırma konusudur. Ama hem polimer harmanların hem de kompozitlerin teorik değerlerinden, yani beklenenden daha düşük mekanik özelliklere sahip oldukları açıkça görülmektedir, bu bağlamda hem polimer harmanların hem de kompozitlerin giderilmesi gereken birçok noksanlığı mevcuttur ve polimerik malzemelerin kullanım alanlarını ve performanslarını arttırabilmek adına, bu problemlerin çözümü konusunda çalışmalar günümüzde daha da hız kazanmıştır. Giderilmeye çalışılan bu problemlerden başlıcaları şöyledir; düşük adhezyon, düşük kristalinite ve kristalinite kontrolü, geri dönüşümdeki zorluklar, uyumlaştırıcı eklentisi gerekliliği ve bazı durumlarda ve polimerlerde üretilebilirliğin ya da verimin düşük olması. Polimer harmanların kompozitlere nazaran birçok avantajı mevcuttur, örneğin hafif ve ucuz olmaları, görece yüksek morfoloji kontrolü ve homojenlik, üretim prosesinin daha kolay olması gibi. Ama harman malzemelerde kompozitlerdeki mekanik özelliklere yaklaşmak bile pek mümkün değildir, kompozitlerde kullanılan karbon fiber, cam fiber gibi mukavemetli pekiştiriciler kullanılmadığı için, bu da pek tabii harmanların kullanımını kısıtlayan en önemli faktörlerden biridir. Bu ikilem, hem harmanların hem kompozitlerin avantajlarını bünyesinde toplayan, iki grubun dezavantajlarının elimine edilmesine olanak sağlayacak mikrofibril kompozitlerin doğmasına sebebiyet vermiştir. Mikrofibril kompozitler yapısında polimerik anayapı ve polimerik mikro boyuttaki fibrilleri ihtiva eder. Mikrofibril kompozitlerin üretimi kısaca şu şekildedir; belirli özelliklere sahip iki farklı polimer harmanlanır, sonrasında mekanik olarak çekme uygulanır, yapı soğuduktan sonra ısıl işleme tabi tutulur. Pekiştirici faz, çekme işlemi esnasında mikro çapta fibriller meydana getirir, bu da beraberinde yüksek mekanik özellikleri. Mikrofibril kompozitlerin üretimininde sağlanması gereken bir takım koşullar mevcuttur. Öncelikle kullanılacak iki polimer türünün erime noktaları arasında belirli derecede bir fark (30 oC'den az olmaması idealdir) olması istenir, çünkü mikrofibril kompozit malzemelerin üretiminin son aşaması olan ısıl işlem esnasında mekanik olarak çekilmiş yapıdaki anafaz eritilir ve izotropizasyonu sağlanır, fakat bu esnada mikro fibrillerin erimemesi şarttır, aksi takdirde yapı tipik harman yapıya dönüşecektir. Bu sebepten ötürü iki polimerin erime sıcaklıkları arasında bir fark olmak zorundadır, daha hassas yapılan üretim prosesleri polimerlerin erime sıcakları arasındaki farkın daha az olmasına olanak sağlayabilmektedir. Bunun yanı sıra polimer çiftinin birbiri içinde çözünmemesi şarttır. Bu çözünme gerçekleştiği takdirde, mikrofibril kompozitlerin üretimindeki birinci aşama olan harman yapı eldesinde tek bir faz elde edilir, ikinci aşamada gerçekleşen mekanik çekmede de yönlenmiş tek bir faz elde elde ederiz ki bu yapıya ısıl işlem uygulayıp izotropik anafaz ve mikrofibril formunda pekiştirici faz elde etmek mümkün olmaz. Mikrofibril kompozitlerin üretiminin ikinci aşaması olan mekanik çekmede dikkat edilmesi gereken en önemli husus; bu işlemin, kullanılan iki polimerin de camsı geçiş sıcaklığının üzerinde yapılmasıdır; aksi takdirde uygulanan yüksek mekanik kuvvet viskoelastik özelliklerini yitirmiş polimerlerde kırılmaya sebebiyet verecektir ve mikrofibril oluşumu mümkün olmayacaktır. Bu işlem camsı geçiş sıcaklığının hemen üstünde yapılabileceği gibi (soğuk çekme) erime sıcaklığının hemen altında ekstrüderden çıkan harmana direkt olarak da uygulanabilir (sıcak çekme). Sıcak çekmeyle daha hızlı mekanik çekme uygulanıp, daha ince fibriller elde edilebileceği gibi, soğuk çekmeyle daha kontrollü ve homojen boyutlarda fibriller elde edilmesi mümkündür. Mikrofibril kompozit malzemelerin üretimindeki son aşama olan ısıl işlem ya da spesifik olarak isotropizasyonda ise dikkat edilmesi gereken en önemli husus; bu işlem sıcaklığının anafaz polimerin erime sıcaklığının üzerinde olup, pekiştirici faz olarak kullanılan polimerin erime sıcaklığının altında olmasıdır. İşlem esnasında yönlenmiş olan anafaz erir fakat bir önceki aşamada elde edilen mikrofibriller katı formda kalır. Bu sayede anafazın izotropizasyonu sağlanmış olur ve malzeme birçok çalışma koşullarına göre daha kullanışlı hale gelir, mikrofibrillerin sağladığı mukavemet ise yapıda varlığını sürdürür. İzotropizasyon prosesi için birçok seçenek mevcuttur fakat enjeksiyon kalıplama ve basınçlı kalıplama en çok kullanılan iki yöntemdir. Seçilen proses de malzemenin özelliklerini etkileyebilmektedir; örneğin, enjeksiyon kalıplamada akış 3 boyutlu ve hızlı olduğundan mikrofibriller daha rastlantısal olarak dağılacaktır yapıda; basınçlı kalıplamada ise akış sınırlı ve 2 boyutlu olduğu için yapıdaki mikrofibrillerin aynı yöne bakmaları olasıdır. Malzemenin kullanım koşullarına ve istenen özelliklere göre proses seçimi yapılmalıdır. Bu tezde, yüksek yoğunluk polietilen ana yapı olarak, poliamid 66 ise pekiştirici faz olarak seçilmiştir, bu iki polimer de oldukça yaygın olarak günlük ve mühendislik uygulamalarda kendilere yer bulmaktadırlar. Bu güne kadar polietilen ve poliamidden oluşan mikrofibriller ile alakalı çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların ötesine geçebilmek adına, sisteme değişen oranlarda grafit nanoplaka ilavesi yapılmış ve yapıdaki grafik nanoplakaların sistemin çekilebilirliğini ve morfolojisini nasıl değiştirdiği ve bu değişikliklerin malzemenin özelliklerine nasıl etkilediği araştırılmıştır. Mikrofibril kompozisyonu yani polietilen/poliamid oranı hep sabit olarak %80'e %20 şeklinde tutulmuştur. İlk olarak harman ve mikrofibril kompozitlerin yapısının ve morfolojisinin grafit nanoplakaların eklentisiyle nasıl değiştiğine taramalı elektron mikroskobuyla bakılmıştır. Sonrasında, nanoplakaların yapı içerisinde hangi faza göç ettiği ve yapı içerisinde nasıl lokalize olduğu TEM ile araştırılmış, bu aynı zamanda termogravimetrik analizle de desteklenmiştir. İkinci olarak, farklı oranlarda grafit nanoplaka ihtiva eden ve farklı oranlarda çekilen mikrofibril kompozitlerin mekanik özellikleri test edilmiştir ve değişen özelliklerin ilgili morfolojilerle bağlantısı kurulmuştur. Eş zamanlı olarak, DSC yardımıyla kristalinite araştırılarak ve reolojik testler de yapılarak, kristalin yapıdaki değişiklerin ve mekanik özelliklerdeki değişimin olası sebeplerinin tespitine olanak sağlanmıştır. Bunun yanı sıra malzemenin kırılma mekanizması ve tokluğu J-integral ve çekme tokluk testiyle belirlenmiştir, kırılma yüzeyleri de taramalı elektron mikroskobuyla analiz edilmiştir. Son olarak, genel olarak mikrofibril malzemelerin sürünme dayanımına dair pek fazla çalışma yapılmadığı için, bu özellik üç noktalı sürünme testi ve çekme sürünme testiyle analiz edilmiştir. Yapılan çalışma bu bağlamda fazlasıyla yenilikçi olup, sonrasında yapılacak benzeri çalışmalara ışık tutacağına inanılmaktadır. Ayrıca belirli noksanlıklarının giderilmesi halinde, çalışılmış olan grafit nanoplaka ilaveli polietilen/poliamid mikrofibril kompozitlerin çeşitli kullanım alanlarında tatmin edici performans göstereceği öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
Since the beginning of 20th century, polymeric materials and researches based on polymers has been an important topic. There are various reasons behind it, shortage of resources for metals and ceramics, rising importance of lightweight and viscoelastic materials, cost, ease and cost of production etc. Since the first step starting with polymer synthesis was taken, there has been other achievements to develop the properties of polymeric materials to widen their usage. Polymer blends and polymer composites are popular research topics nowadays. But both are facing big shortages that cause worse resultants properties than theoretical limits. These problems that have been trying to be eliminated are mainly due to low interfacial adhesion between components, low crystallinity, recycling difficulties, need of compatibilizer, low crystallization control, and sometimes weak producibility. The advantages of polymer blends over polymer composites are many, such as lightweight, low cost, relatively high morphology control and homogeneous structure. But they are missing the high mechanical properties which is limiting their usage due to lack of stiff materials in the system which is not the case of polymer composites with glass fiber, carbon fiber etc. This has risen the idea of microfibrillar composites where benetifs from polymer blends and composites can marge. Microfibrillar composites (MFC) consist of polymeric microfibrils and polymeric fibrils. Preparation of MFC can be briefly explained; two different polymer are melt blended, and then it is mechanically drawn, cooled down and heat treated. The reinforcing phase generated in the matrix simply elongates and forms very fine fibrils which provide outstanding mechanical properties as compared to their spherical, droplet-like morphology can do. In this thesis, high density polyethylene (HDPE) as a matrix and polyamide 66 (PA66) as a reinforcing phase were chosen as they are quite important polymers for both commodity and engineering applications. There has been studies about HDPE/PA66 MFCs, to further investigate these systems, we added graphite nanoplatelets (GNP) into the system to study the drawability and morphological changes upon GNP addition and its reflection on properties. MFC composition, or specifically HDPE/PA66 ratio kept always constant, 80/20. Firstly, blend and MFC morphology were investigated with and without GNP addition with scanning electron microscopy (SEM). Then, the migration phenomenon was investigated by transmission electron microscopy to visualize if GNP has a preferential phase in this system, this was also wanted to be seen by varying blending sequence and this part of research was supported by TGA as well. Secondly, mechanical properties of specimens with varying GNP content and drawing ratio were measured to observe the GNP effect on the system. Simultaneously crystallinity was visualized by DSC and rheological tests were done in order to clarify reasons behind the mechanical changes and to see how crystallinity was effected. Besides, fracture mechanism was investigated by J-integral and tensile impact tests, also fracture surfaces were analyzed by SEM. Finally creep resistance was studied by tensile creep and three-point bending creep tests as there are not many studies generally about MFCs' in terms of creep resistance.
Benzer Tezler
- Grafen temelli polianilin gümüş nanotanecik nanokompozitlerinin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of graphene based polyaniline, silver nanoparticle nanocomposites
ZAFER ÇIPLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAY YILDIZ
- Effect of nano-additives on solidification of phase change material in a sphereenclosure
Başlık çevirisi yok
MİKAİL TEMİREL
- Alumina ve grafen tozlarının vakum altında yüksek frekanslı indüksiyon sistemiyle sinterlenmesi
Sintering of alumina and graphene powders by high-frequency induction system under a vacuum
AYBERK ALTINTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine MühendisliğiCelal Bayar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÇAVDAR
DOÇ. DR. İHSAN MURAT KUŞOĞLU
- İki boyutlu BN ilavesinin TiB2–SiC ve ZrB2–SiC kompozitlerinin mekanik özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
The effects of 2d BN addition on the mechanical properties of TiB2 – SiC AND ZrB2 – SiC composites
CANER ASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İPEK AKIN KARADAYI
- Design and fabrication of a graphite enhanced PVA/GNP composite piezoresistive ink
Grafı̇t tabanlı PVA/GNP kompozı̇t pı̇yezodirenç geliştirilmesi ve üretilmesi
MELİKE NUR ÖNDER
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜLGÜN
PROF. DR. MELİH PAPİLA