Geri Dön

Thermal stability investigation of recycled polyethylene terephthalate (PET) through dynamic rheological measurements

Geri dönüştürülmüş polietilen tereftalat'ın termal kararlılığının dinamik reolojik ölçümlerle incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 636191
  2. Yazar: MERVE GÜÇLÜ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  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: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 124

Özet

Günümüzde endüstride polimer kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Özellikle petrol türevi polimerler, düşük maliyetli olmaları, kolay işlenebilmeleri, kolayca temin edilebilmeleri ve kolay uygulanmaları nedeniyle endüstride sıklıkla kullanılmaktadır. Plastik endüstrisinin giderek büyümesi ile birlikte bazı çevresel sorunlar ortaya çıkmaktadır. En büyük sorun ise, plastiklerin doğadan kabolma süresinin yüz yılları almaktadır. Buna örnek verilecek olursa bir PET şişe atığı doğadan 400 yıl içersinde tamamen kaybolmaktadır. Tüm bu ekolojik kaygı nedeniyle endüstri bio-polimer ya da üretilmiş olan petrol bazlı polimer atıklarının geri dönüştürülmesine odaklanmıştır. Plastik atıklarının geri dönüştürülmesi kolay bir proses olmakla birlikte doğada birikmiş olan plastik atıklarının sanayiye yeniden adapte edilmesi ile atık plastik miktarını azalmaktadır. Günümüzde üretilen plastiklerin %30'u geri dönüştürülebilmektedir. Ancak 2030 yılına kadar hedeflenen üretilmiş plastiklerin %60'ının geri dönüştürülmesidir. Dolayısıyla günden güne geri dönüştürme işlemine ilgi ve yatırımlar artmaktadır. Geri dönüşüm işlemi doğada bozunmayan petrol bazlı polimerlerin aşırı kullanımının neden olduğu ekolojik sorunlara umut verici bir çözüm sunar. Poli (etilen tereftalat) etilen glikol ve ftalik asit/anhidrit'in poliesterifikasyon reaksiyonu ile üretilien yarı aromatik termoplastik poliesterdir. PET yüksek kimyasal, mekanik ve termal dayanım özellikleri nedeniyle endüstride en çok kullanılan polimerlerden bir tanesidir. PET yaygın olarak şişe ve gıda ambalajı üretiminde kullanılmaktadır. Bu uygulamalar neticesinde her yıl tonlarca PET atığı oluşmaktadır. Oluşan bu atıkların geri dönüşümü ile sanayiye kazandırılması gelecek açısından çok önemlidir. Ayrıca PET bazı uygulamalar için yavaş kristtalenme hızından dolayı uygun değildir ancak yapılan çalışmalarda geri dönüştürülmüş PET'nin kristallenme hızında artışlar meydana gelmiştir. Bu da uygulama alanının genişleyebilceğini göstermektedir. Geri dönüşüm işlemlerinin avantajları olduğu gibi çeşitli dezavantajları da olmaktadır. Ancak bu dezavantajlar geliştirilen yeni yöntemler ile giderilmeye başlanmıştır. Geri dönüştürülmüş PET'nin özellikleri, ham PET'nin özellikleri ile karşılaştırıldığında bazı özelliklerde düşüşler ya da kayıplar meydana gelmektedir. Bir malzeme geri dönüşüm işlemine tabii tutulduğunda karşılaşacağı en büyük kayıp molekül ağırlığında meydana gelmektedir. Bu da geri dönüştürülmüş malzemelerin molekül ağırlığının ham malzemelerin molekül ağırlığından düşük olduğu sonucunu vermektedir. PET'nin yapısında meydana gelen molekül ağırlığı kaybı diğer birçok özelliğide eş zamanlı olarak etkilemektedir. Özellikle, molekül ağırlığı kaybı ile PET'nin viskozitesi de düşmektedir. Eğer viskozite düşümü çok fazla olursa bu da PET'nin işlenebilirliğini ciddi derecede etkileyecektir. Çünkü malzeme herhangi bir termal sıcaklığa maruz bırakıldığında hızlıca akması gerçekleşecektir ve şekillendirilmesi açısından zorluk yaşanacaktır. Bunun yanı sıra, mekanik özelliklerde etkilenecektir. Geri dönüştürülmüş PET'nin mekanik özellikleri ham PET ile karşılaştırıldığında düşüktür. Tüm bu dezavantajların çözülebilmesi ve geri dönüştürülmüş PET'nin özelliklerinin iyileştirilebilmesi için literatürde bir çok yöntem sunulmuştur. Geri dönüştürülmüş polimerlerin endüstride kullanılabilmesi ve özelliklerinin iyileştirilmesi için ekstrüzyon ya da diğer yöntemlerle işlenmeleri sırasında zincir uzatıcılarla modifiye edilebilirler. Geri dönüştürülmüş polimerlerde zincir uzatıcı kullanımıyla birlikte molekül ağırlığı hızlı ve etkili bir şekilde yükseltilir. Zincir uzatıcının az miktarda kullanımı bile çok büyük etkilere yol açmaktadır. Ayrıca bu yöntem hızlı, ekonomik ve kolay uygulanabilirdir. Geri dönüştürülmüş polimerlerin özelliklerinin iyileştirilmesinde kullanılan diğer bir yöntem ise polimer harmanlarının hazırlanmasıdır. Bir polimer harmanı, tek bir faz elde etmek için fiziksel olarak karıştırılan iki veya daha fazla polimerin bir kombinasyonudur. Bu, her polimerin özelliklerini ayrı ayrı elde etmek yerine, birkaç polimerin harmanlanmasıyla bir özellik kümesi elde edildiği anlamına gelir. Bu nedenle, her polimer kendi istenen özelliğini göstermeyebilir. Özellikleri daha iyi olan başka bir polimerin kullanılmasıyla ve diğer polimerle karıştırılmasıyla amaca yönelik özellikler taşıyan yeni polimerik malzemelerin elde edilebilmektedir. Yapılan çalışmalar sonucunda, uygun polimer harmanlarının hazırlanması ve uygun zincir uzatıcıların polimerlerin kullanılşmasıyla polimerlerin mekanik özellikleri, termal özellikleri ve dinamik reolojik özellikleri üzerinde olumlu etkiler gösterdiği açıkca gözlemlenmiştir. Bu çalışmada amacımız geri dönüştürülmüş PET'lerin geri dönüştürme prosesi uygulandıktan sonra kaybettikleri termal kararlılıklarının incelenenip ve geliştirilmesidir. Geri dönüştürülmüş malzemelerin özelliklerinin iyileştirilip endüstri için kullanılabilir bir hale geldikten sonra hamadde olarak kullanabilir olduğunu göstermektir. Geri dönüştürülmüş polimer geri dönüşüm işlemi sırasında özelliklerini kaybettiği gibi bir de ekstra termal bir işlem uygulandığında, endüstride bir çok sorun yaşanmaktadır. Polimerler işlenebilmeleri ve son ürüne olarak şekillendirilebilmeleri için birçok farklı yöntemle sıcaklığa maruz bırakılmaktadırlar. Ayrıca sıcaklığa maruz kaldığında ortamda termal davranışı etkileyen bir çok parametre bulunmaktadır. Bu parametrelerden biri de kesme hızıdır ve bu şekilde bir çok proses parametresi bulunmaktadır. Dolayısıyla malzemelerin eriyik halde termal stabiliteleri son ürün özellikleri ve işlenebilirlikleri açısından çok önemlidir. Bu özellikleri belirmek için dinamik reoloji ölçümleri yapılabilmektedir. Bu bağlamda, geri dönüştürülmüş PET'lerin işlenebililiğini belirlemek amacıyla eriyik halde dinamik reolojik özellikleri incelenmiştir. Böylece geri dönüştürülmüş PET'nin eriyik halde nasıl davranacağı incelenmiştir. Bu denemelerde bir çok parametrenin geri dönüştürülmüş PET'nin eriyik halde davranışı üzerine nasıl etki yapacağı incelenmiştir. İlk olarak recycled PET'nin lineer viskoelastik bölgesi gerinim tarama testleri ile %1 olarak belirlenmiştir. Bu test uygulanan strainlerde malzemenin viskoelastik özelliklerinin değişmediği bölgeyi tanımlamak için yapılmaktadır. Ardından termal stabiliteyi tanımlamak amacıyla zaman taraması testleri farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilmiştir. Bu sayede malzemenin hangi sıcaklıkta ve % kaç degredasyona uğradığı gözlemlenebilmektedir. Zaman tarama testleri sırasında farklı gerinimler ayrıca parametre olarak kullanılmıştır. Termal stabilitesi belirlenen geri dönüştürülmüş PET'nin eriyik reolojik davraışının belirlenmesi için frekans tarama testleri yapılmıştır. Bu sayede işlenebilirliği açısından büyük önem taşıyan reolojik davranış belirlenmiştir. Son olarak stres büyüme testi de uygulanıp geri dönüştürülmüş PET'nin eriyik haldeki davranışları belirlenmiştir. Bu noktadan sonra geri dönüşüm işlemiyle meydana gelen dezavantajlar geri dönüştürülmüş PET'nin yapısında da gözlemlendi. Dinamik kompleks viskozitesi oldukça düşüktür. En önemlisi molekül ağırlığı kaybından dolayı ortaya çıkan viskozite düşüşü geri dönüştürülmüş PET'ler için zaman taraması testi ile gözlemlendi. Bu aşamadan sonra en önemli adım geri dönüştürülmüş PET'nin termal kararlılığının iyileştirilmesi olacaktır. Bu amaçla geri dönüştürülmüş PET'lerin yapısına 0.4 wt% ve 0.8 wt% oranlarında zincir uzatıcılar eklenerek termal stabilitenin nasıl değiştiği rapor edildi. Bu sonuçlar göz önünde bulundurulduğunda zincir uzatıcı eklenmesiyle birlikte termal stabilitenin arttığı ve geri dönüştürülmüş PET'nin işlenebilirlik özelliklerinde iyileşmeler gözlemlenmiştir. Ayrıca geri dönüştürülmüş malzemelerin işlenebilirlik özelliklerinin iyileştirilmesinde kullanılan yönremlerden bir tanesinin polimer harmanları hazırlamak olacaktır. Bu bağlamda, mekanik, kimyasal ve işlenebilirlik özellikleri çok iyi olan, yapısı PET'nin yapısı ile çok benzeyen ve bir poliester polimer olan PBT ile çift vidalı ekstrüder vasıtasıyla farklı oranlarda polimer harmanları hazırlanmıştır. Ayrıca PBT PET'nin yavaş kristalizasyon özelliğini de iyileştirecektir. Bu oranlar, %25-75, %50-50, %75-25 şeklindedir. Bu sayede hazırlanan polimer harmanlarının reolojik özellikler üzerine nasıl etki yaptığı incelenmiştir. Hem polimer harmanı hazırlamak hem de incir uzatıcı kullanmak hatta bu iki yöntemi aynı anda kullanmak geri dönüştürülmüş malzemelerin reolojik özelliklerine büyük katkı yaparak termal davranışını değiştirmiştir ve işlenebilirlik özelliklerini arttırmıştır. Ayrıca farklı sıcaklıklar kullanılarak sıcaklık etkisinin tüm malzemelerin termal stabilitesi incelenmiştir ve uygun sıcaklık aralığı seçilmiştir. Aynı zamanda reolojik ölçümler sırasında, geri dönüştürülmüş PET'nin, PBT'nin ve polimer harmanlarının yapısında meydana gelen değişiklikler FTIR cihazı ile test edilmiştir. sıcaklıkla ve zincir uzatıcıyla polikondenzasyon reaksiyonlarının devam ettiği ve bu sebeple viskozite artışının gözlemlendiği sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

Today, the use of polymers is becoming more and more common in the industry. Petroleum-derived polymers are frequently used in the industry because of their low cost, easy processing, availability, and easy application. With the growth of the plastics industry, some environmental problems have arisen. One of the biggest problems is that plastics take hundreds of years to disappear completely from nature as an example, a PET bottle wastes disappears completely from nature within 400 years. Due to all these ecological concerns, the industry has focused on recycling of petroleum-based polymer wastes. Recycling of plastic waste is an easy process, and it reduces the amount of plastic waste by re-adapting the plastic waste accumulated in nature to the industry. Today, 30% of the plastics produced can be recycled. However, the recycling of 60% of the produced plastics is what has been targeted for 2030. Therefore, interest and investments increase day by day recycling. The recycling process offers a promising solution to ecological problems caused by the excessive use of petroleum-based polymers that do not degrade in nature. Poly (ethylene terephthalate) is a semi-aromatic thermoplastic polyester produced by the poly esterification reaction of ethylene glycol and phthalic acid / anhydride. PET is one of the mostly used polymers in the industry due to its high chemical, mechanical and thermal resistance properties. PET is widely used in the production of bottles and food packaging. As a result of these applications, tons of PET waste are generated every year. In addition, PET is not suitable for some applications due to its slow crystallization rate, but studies have increased the crystallization rate of recycled PET. This shows that the field of application can expand. Recycling processes have advantages as well as various disadvantages. However, these disadvantages have been eliminated with the adoption of newly developed methods. When the properties of the recycled PET are compared with those of PET, some features appear to be decreased. When a material is recycled, the biggest loss will occur at the molecular weight. This results in the molecular weight of recycled materials being lower than the molecular weight of the raw materials. The loss of molecular weight in the structure of PET affects many other properties simultaneously. In particular, the viscosity of PET decreases with the loss of molecular weight. If the viscosity drop is too high, this will seriously affect the processability of PET. This is because of the fact that when the material is exposed to any thermal temperature, it will flow rapidly and accordingly will be difficult to shape. In addition, it will be affected by mechanical properties. The mechanical properties of recycled PET are low compared to raw PET. Many methods are presented in the literature in order to solve all these disadvantages and improve the properties of recycled PET. They can be modified with chain extenders when processing recycled polymers by extrusion or other methods in order to be used in the industry and to improve their properties. With the use of chain extenders in recycled polymers, the molecular weight is increased quickly and effectively. Even a small use of the chain extender causes huge effects. In addition, this method is fast, economical and easy to apply. Another method used to improve the properties of recycled polymers is the preparation of polymer blends. A polymer blend is a combination of two or more polymers that are physically mixed to obtain a single phase. This means that instead of obtaining the properties of each polymer individually, a set of properties is obtained by blending several polymers. Therefore, not all polymers may show their desired properties. By using another polymer with better properties and mixing with the other polymer, new polymeric materials having purposeful properties can be obtained. As a result of the studies, it has been clearly observed that the proper polymer blends and the proper chain extenders have positive effects on the mechanical properties, thermal properties and melt rheological properties of the polymers by the use of new polymers. In this study, our aim is to analyze and improve the thermal stability of recycled PETs after applying the recycling process. It is to show that recycled materials can be used as raw materials after their properties have been improved and become available for industry. Recycled polymer loses its properties during the recycling process, and when an extra thermal process is applied, many problems occur in the industry. Polymers are exposed to temperature by many different methods in order to be processed and shaped as final products. In addition, there are many parameters that affect on thermal behavior,when exposed to temperature. One of these parameters is the shear rate or frequency and in this way there are many process parameters. Therefore, the melt thermal stability of the materials is very important in terms of end product properties and processability. Dynamic rheology measurements can be made to determine these properties. In this context, in order to determine the processability of recycled PETs, their dynamic rheological properties were examined. Thus, how recycled PET will behave in melt state is examined. In these trials, how many parameters will affect the melt behavior of recycled PET is examined. First, the linear viscoelastic region of recycled PET was determined as 1% by strain sweep tests. This test is performed to identify the region where the viscoelastic properties of the material do not change when the strains applied. Time sweep tests were performed at different temperatures to identify thermal stability. In this way, it is possible to observe that how many percentage degredation occured for material. During the time sweep tests, different strains were also used as parameters. Frequency sweep tests were performed to determine the melt rheological behavior of recycled PET whose thermal stability was determined. In this way, rheological behavior, which is of great importance in terms of machinability, has been determined. Finally, melt behaviors of recycled PET were determined by applying stress growth test. After this point, the disadvantages that occurred with the recycling process were also observed in the structure of recycled PET. The dynamic complex viscosity is quite low. As a result of the studies, it has been observed that both the preparation of polymer blends and chain extenders have positive effects on the mechanical properties, thermal properties and rheological properties of polymers. Our aim in this study is to show that the melt rheological properties of recycled PET are improved and available for industry. In this context, we examined the dynamic rheological properties of recycled PETs to determine their processability. Thus, we have observed how rheological properties change or can be changed as a result of the recycling process. Disadvantages caused by the recycling process were also observed in the structure of recycling PET. Most importantly, the decrease in viscosity caused by loss of molecular weight was observed for recycled PETs during time sweep rheological experiments indicating its low thermal stability that could negatively affect the melt processing. After this stage, the most important step was to improve the thermal stability with the use of chain extenders and blending. For this purpose, 0.4 wt% and 0.8 wt% of chain extenders were melt mixed with recycled PET using a twin screw extruder and the thermal stability and these compounds were monitored. Considering these results, it has been observed that with the addition of a chain extender, the rheological properties change and the processability properties of the recycled PET vary as well. Moreover, blends of recycled PET with polybutylene terephthalate (PBT) at the blending ratios of 25-75%, 50-50%, 75-25% were prepared through melt blending in a twin-screw extruder. This was because PBT is a polyester polymer that has very similar to the structure of PET. Furthermore, it has very good mechanical, chemical and machinability properties that could also improve the processability and crystallization rate of recycled PET which are considered as PET's drawbacks. In this way, the effects of the prepared polymer blends on the rheological properties have been examined. Although not being used simultaneously, the preparation of the polymer blends and the use of a chain extender, could both contribute to the rheological properties of recycled materials, a change in their rheological behavior and an increase in their processability properties. In addition, by using different temperatures, the effect of the temperature, that is thermal stability, on the melt rheological properties of all materials was examined. Also, changes in the structure of recycled PET, PBT and their blends during rheological measurements were tested with the FTIR device. It has been concluded that polyesterification reacts to temperature and the use of a chain extender and therefore an increase in viscosity was observed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    198291

    PE ve PP polimerlerine ahşap tozu ilavesi ile oluşturulan karışımların mekanik, termal ve morfolojik özelliklerinin incelenmesi

    Synthesis and investigation of mechanical, thermal and morfological properties of PE and PP/wood flour composites

    HASAN BİLTEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara Üniversitesi

    Metal Eğitimi Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. MÜNİR TAŞDEMİR

  2. Tez No

    774724

    Otomotiv sektöründe kullanılan poliamid 6.6/cam elyaf kompozitlerinin mekaniksel geri dönüştürülebilirliğinin araştırılması ve geri dönüştürülmüş kompozitlerin özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of recyclability of polyamide 6.6/glass fiber composites used in automotive industry and analysis of recyled composite properties

    CANSU GÜLTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALE BERBER

  3. Tez No

    910366

    Endüktif kablosuz güç aktarım sisteminin kullanıldığı iletken asfalt yolların kendi kendini iyileştirme yeteneğinin incelenmesi

    Investigation of the self-healing ability of conductive asphalt roads with inductive wireless power transfer system

    EZGİ EREN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    UlaşımEge Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. PERVİZ AHMEDZADE

  4. Tez No

    775792

    Geri dönüşümlü PVC'den elde edilmiş kompozit malzemelerin mekanik ve termal özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the mechanical and thermal properties of composite materials made from recycled PVC

    SUNAY SÜRMELİOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Polimer Bilim ve TeknolojisiMarmara Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLYAS KARTAL

  5. Tez No

    677437

    Biyo-reçine esaslı tekstil kompozitlerinin performans özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of performance characteristics of bio-resin based textile composites

    SEMİH ÖZKÜR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İPEK YALÇIN ENİŞ

Geri Dön