Improvement of polyethylene fibers wettability and mechanical properties through an environmentally sustainable spinning process
Sürdürülebilir çevreci bir üretim yaklaşımı ile polietilen elyafın ıslanabilirlik davranışı ve mekanik özelliklerinin geliştirilmesi
- Tez No: 666254
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ KILIÇ, DOÇ. DR. HÜSEYİN AVCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Termoplastik polimerler günlük kullanımdan, karmaşık mühendislik sorunları içeren uygulamalarda faydalanılan yapı birimleri olmuşlardır. Bu kapsamda fonksiyonel yüksek performans lif üretimi ve karakterizasyonu literatürde önemli bir yer tutmaktadır. Amorf ve yarı-kristalin termoplastik polimerlerin maliyetini ve performans değerlerini gösteren piramidin tepe noktasına yaklaştıkça metalik özellik gösteren yüksek moleküler ağırlıklı polimerlerle karşılaşmaktayız. Geleneksel eriyikten çekim teknolojisi termoplastik polimerlerden lif eldesi iççin tercih edilen bir yöntemdir. Ancak bu sistemin limitlerinden birisi eritilmeye uygun ve ancak bu sayede zincir hareketliliği sağlanan polimerlerle sınırlı kalması, bir diğeri ise katı halde bulunun zincirlerin zayıf hareketliliğinden dolayı düzeden çıktıktan sonra soğuyan filamentte lif içi moleküler oryantasyonu sağlamanın güçlüğüdür. Bu sebepten, yüksek performanstaki fonksiyonel lif üretiminde yüksek moleküler ağırlıklı polimerlerden faydalanılmaktadır. Bu polimerlerde zincir hareketliliği aşılanması için ise çözücü destekli sistemlere başvurulur. Bu yöntemlerden sıkça kullanılanları jelden eğirme veya ıslak eğirme olmakla beraber üretilen en mukavim lif ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilendir. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen lifi balık ağlarından, denizcilik aksesuarlarına, aşınmaya dayanıklı kumaşlardan, halatlar ve anti-balistik yeleklere, fiber, sürekli filament ve kumaş formlarındaki takviyelere kadar otomotiv, enerji, kompozit ve savunma sanayi endüstirilerinde geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Bu endüstrilerin temel gereksinimleri, yüksek gerilme mukavemeti ve düşük gerilimli elastik modül sayesinde üstün mekanik performans ve fiberlerin kullanıldığı malzemelere uyumluluğudur. Bu nedenle, çekme özellikleri ve yüzey özellikleri büyük önem taşır ve eş zamanlı olarak iyileştirilmeleri gerekir. Bu tez ile günlük kullanıma yönelik polimerlerden fonksiyonel performans lifi üretimi amaçlanmaktadır. Bu amaçla polietilen (PE) polimer, yarı kristalin yapısı, teorik mekanik performansı ve termo-mekanik işlemlerle elyaf haline getirilebilme özelliği nedeniyle seçilmiştir. Önerilen modifiye edilmiş eriyikten çekim hattı ile benzersiz öncüle yapılar oluşturmak ve lif hattı dinamiklerine bağlı olarak yüksek oryantasyon elde etmek için lif içi zincir yapısını manipüle eden bir işlem bölgesi oluşturulmuştur. Bu hat, HiPER şeklinde isimlendirilmiştir. Tamamen üretim hattına entegre edilen HiPER sistemi ile sadece sıcaklık ve lif performansına etkileyen sürükleme kuvvetlerinin etken parametre olduğu çevreci bir yaklaşım öne sürülmüştür. Godetlerin salınım yapmayacağı mümkün olan en düşük hızlardan başlayıp daha yüksek toplama hızlarında ve farklı üretim parametrelerinde PE lifi üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretimi takiben PE lif numunelerine özel üretim sıcak çekim hattında oldukça düşük çekim oranlarında (1,6) çekim verilip tavlama yapılmıştır. Bu işlemin zincir oryantasyonunu bir adım öteye taşıdığı bilinmektedir. Üretilen liflerin karakterizasyonu için optik ve polarize mikroskop incelemesi yapılmış ve bu lifler mekanik teste tabi tutulmuştur. Sonrasında kristal yapı incelemesi için X-ışını kırınımı (XRD) ve diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ölçümleri ile beraber morfolojik analiz için taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Bu analizler ışığında, HiPER üretim hattının lif için zincir, kristalin ve amorf bölge oryantasyonunu tetiklediği gözlemlenmiştir. Bu oryantasyonun bir üst mertebeye çıkarılması için yapılan sıcak çekim ve bölgesel tavlamanın etkili olduğu uygulanan mekanik testler sonucunda kendini göstermiştir. Geleneksel eriyikten çekim ile elde edilen kontrol numuneleri ile karşılaştırıldığında lineer düşük yoğunluklu polietilen HiPER lifleri modül olarak %290 ve mukavemet olarak %163,5 üstünlük göstermiş ve sırasıyla 1,5 GPa ve 195 MPa dayanım değerlerine erişmişlerdir. HiPER numunelerinin kesitlerine ait SEM görüntülerine bakıldığında nano ve mikro boyutlarda fibril yapılarına rastlanmıştır. Zincir oryantasyonuna bağlı gelişen bu yapıların görüldüğü numunelerin polarize mikroskop ile ölçülen çift kırınım indisine bağlı oryantasyon değerleri de kontrol numunelerine göre daha yüksek çıkmıştır. Üretim sonrası farklı sıcaklık ve oranlarda çekime tabi tutulan HiPER liflerinde 2,5 GPa elastik modül, 345 MPa mukavemet ve %13 oranında bir uzama yakalanmıştır. Tez ile amaçlanan bir diğer gelişim ise life ait yüzey özelliklerinin kompozit uygulamalarda kullanılacak matrisler ile uyumlaştırılmasıdır. Bu hususta HiPER sisteminin sağladığı performans modifikasyonunu sağlayan ünitenin zehirli özellik göstermeyen ve yağ bazlı olmayan bir akışkan içeridiğinden bahsetmek gereklidir. İçeriğinde kullanılan bu akışkanın manipüle edilmesi sayesinde life etkiyen sürükleme kuvvetinde değişikliğe gidilebilir ve düze çıkışında hala yarı eriyik bir halde olan filamentin bu akışkan ile etkileşime girmesi sağlanabilir. Sistem ile sunulan çevreci ve sürdürülebilir teknoloji kapsamında viskozite değiştirici katkı olarak polisakkarit temelli bir ağaç zamkı olan Arabik gam (AG) kullanılmıştır. Herhangi bir çökelti veya topaklanma oluşturmadan homojen bir karışım sağlayan bu hidrokolloid ile HiPER işlem süreci modifiye edilmiştir. Bu katkılandırma ile mekanik performans iyileştirmesine paralel olarak yüzey fonksiyonelleştirmesi de mümkün kılınmıştır. Tek üretim hattı içerisinde life ait iki özellikle iyileştirmeye gidilmiştir. Yarı erimiş halde HiPER bölgesine giren lif, ısıtılmış ortamda kendisini çevreleyen akışkan ile etkileşime girerek yüzeyde yeni grupların yerleşmesine olanak tanır. Eş zamanlı olarak HiPER içerisinde lif akışına tersinir etkiyen sürükleme kuvvetlerinin güçlenmesi ile zincir oryantasyonu desteklenir. AG-HiPER banyosunun lif kimyasal yapısına etkisini gözlemlemek amacıyla Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) yapılmış ve karakteristik PE piklerinde şiddetlenme gözlenmiştir. Aynı zaman da lifte zayıf AG karakteristik piklerine de rastlanmıştır. Üretilen lifin ıslanabilirlik tayini için liflerden sürekli bir yüzey oluşturulmuştur. Su fazı ile gerçekleştirilen temas açısı (CA) ölçümü yapılmıştır. AG-HiPER lifleri için hidrofilik yapıya denk gelen temas açıları kaydedilmiştir. Viskozitesinde değişikliğe gidilen HiPER bölgesinin mekanik performansa etkisini ölçmek için AG-HiPER lifleri test edilmiştir. Viskozite artışına bağlı olarak erişilen maksimum sarım hızı düşüş göstermiştir. Ancak aynı hızdaki saf HiPER üretimi ile karşılaştırıldığında AG-HiPER üretimlerinde sırasıyla modül ve mukavemet değerlerinde %14 ve %16'lık bir artış yakalanmıştır. Oryantasyon derecesi geliştirici etkinlik gösteren sıcak çekim ve tavlama uygulamasının ardından hesaplanan modül değeri 3 GPa iken mukavemet değeri ise 272 MPa mertebesine erişmiştir. Son olarak, kompozit uygulamalarda sıkça kullanılan epoksi matrisinde sergilediği yüzey tutunmasını incelemek amacıyla sürekli filamentlerle hazırlanan numuneler üzerine düşen ağırlık darbe testi uygulanmıştır. Bu test sonucunda görülmüştür ki epoksi matrisine takviye olarak kullanılan kontrol, HiPER ve AG-HiPER lif numuneleri arasında en yüksek enerji sönümlenmesi AG-HiPER-epoksi numunesinde ölçülmüştür. Sonuçlar, yüzey işlevselleştirmesinin mekanik performanstan ödün vermeden elde edilebileceğini göstermektedir. Her iki lif özelliğinin, düşük üretim ve çevre maliyetleri içeren tek adımlı sürdürülebilir lif üretim yaklaşımıyla iyileştirilmesi mümkün görünmektedir. Üretilen numunelerin lif içi ve yüzey özellikleri HiPER sistemi ile tamamen manipüle edilebilir ve her uygulamaya yönelik özel üretim liflerin tasarımı mümkün olabilir. Bu durum göz önünde bulundurulduğunda, medikal sektöründen savunma sanayi uygulamalarına kadar sürekli kompozit üretimi için HiPER üretim sistemi endüstriyel boyutlara ölçeklenme potansiyeli taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
Thermoplastic polymer pyramid suggests that the performance of polymers advances as the molecular weight increases. Molecular weight is a decisive and limiting parameter in process selection. Melt spinning is a conventional method to spin fibers of thermoplastic resins, but it is limited to performing fiber formation to those polymers whose chain can be mobilized via thermal energy alone. For this reason, high-performance functional fibers can preferably be spun through solvent assisted, expensive systems such as gel spinning and wet spinning. These systems require the assistance of auxiliary chemicals to initiate chain mobility and orientation of those. Ultra-high molecular weight polyethylene is one these high performing polymeric fibers, and it finds an extensive application area from fishing nets, naval accessories, abrasion resistant fabrics, ropes to anti-ballistic vests and reinforcements as fiber, continuous filament and fabric forms occupying the major industries of automotive, energy, defense and composites. Key requirements of these industries involve superior mechanical performance, by means of high tensile strength and elastic modulus with low strain, and compatibility to the materials fibers are used with. Therefore, tensile properties and surface characteristics are at great importance, and they need to be improved simultaneously. This thesis aims to produce functional performance fibers from commodity polymers. For this purpose, polyethylene (PE) polymer is selected due to its semi-crystalline structure, theoretical mechanical potential and its ability to be spun into fiber with thermo-mechanical processes. Owing to its simple chain backbone and non-polar structure, polyethylene-based materials exhibit weak adhesion properties in both reinforcement and matrix form. Therefore, development of efficient production strategies is needed for polyethylene fibers with improved wettability and performance. The proposed melt spinning line is modified with in-line treatment zone (HiPER), which manipulates the fiber internal structure to generate unique precursors and to achieve high orientation depending on the treatment temperature and threadline dynamics acting within. Fibers were produced at lowest stable conditions and higher take-up speeds with various treatment conditions. Afterwards, they were exposed to hot drawing and zone annealing to enhance and ensure high tensile performance and chain orientation. PE fibers were characterized using optical, polarized and scanning electron microscopy, X-ray diffraction (XRD), differential scanning calorimeter (DSC) and universal tensile tester. It has been revealed that HiPER treatment manipulated internal structure of fibers in which crystalline, amorphous and chain orientations were achieved. The orientation was further enhanced by hot drawing with relatively small rates (1.6). The mechanical performance of the HiPER treated was superior to the control samples produced via conventional melt spinning. For linear low density (LLDPE) fibers taken-up 2250 m/min, HiPER samples had 290% and 163.5% higher modulus and tensile strength with final values of 1.5 GPa and 195 MPa. These samples showed nanofibrillated inner structure indicating successful chain orientation, which was supported by birefringence measurements. Drawn samples of HiPER fibers achieved 2.5 GPa elastic modulus, 345 MPa tensile strength and 13% elongation. HiPER system adopts the principles of melt spinning line with a performance modification, which consists of non-toxic and non-oily fluidic environment. The drag force acting within the treatment zone can be further manipulated by introduction of viscosity enhancers. In order to keep the system's sustainable characteristic, chosen hydrocolloids were polysaccharide-based tree gums (Arabic gum, AG). This addition was introduced to further increase the mechanical performance and create surface functionalization of fiber during spinning process. In the semi-molten state, fiber would interact with its surrounding liquid in the heated environment and drag force acting against the spinning direction. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) demonstrated sharpened characteristic peaks of PE and weak peaks belonging to AG for AG-HiPER fibers. A continuous surface was created with fibers to conduct contact angle (CA) goniometry. The CA measurements revealed hydrophilic characteristic for AG-HiPER fibers. Viscosity manipulation resulted in fiber spinning at lower take-up speeds (750 m/min). AG-HiPER treatment increased the modulus and tensile strength of HiPER fibers by 14% and 16%. These fibers were hot drawn and annealed in the same conditions as HiPER fibers, and the resulting fibers had the modulus of 3 GPa and tensile strength of 272 MPa. To evaluate the compatibility of surface treated fibers with epoxy matrix, drop weight impact test was performed. AG-HiPER fiber reinforced epoxy composite showed the highest absorbed energy level among pristine epoxy, control- and HiPER-reinforced samples. The results indicate that surface functionalization can be achieved without compromising on mechanical performance. They can be improved in a single-step sustainable spinning approach, which has low production and environmental costs. Internal and surface characteristics of the produced fibers can completely be manipulated with the HiPER system, which has shown potential to be scaled-up to industrial purposes for manufacture of composites from medical to defense applications.
Benzer Tezler
- Investigation of mechanical properties of nanoparticle coated glass fiber/epoxy composites coated with dip coating and industrial production methods
Daldırma ve endüstriyel üretim yöntemleri ile üretilmiş nanoparçacık kaplı cam elyaf/epoksi kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
EMİR ÇETİNALP
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
- Citric acid and dimer diol-based polyester membranes for food packaging applications
Gıda paketleme uygulamaları için sitrik asit ve dimer diol bazlı polyester membranlar
SARA AGHAEINEJAD AJBISHEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU
PROF. DR. EMRAH ÇAKMAKÇI
- 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
2012
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. F. SENİHA GÜNER
- Investigation of mechanical properties of carbon nanotubes integrated thermoplastic composites
Cnt entegre termoplastik kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
AHMED MOHAMED BASEM AHMED
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR DEMİRCAN
- Viskon, pamuk ve polyester kumaş türlerinde pilling (boncuklanma) değerlerini iyileştiren ve kumaşlara yumuşak tuşe veren yeni nesil polimerlerin geliştirilmesi
Development of functional polymers that improve pilling values in viscose, cotton and polyester fabrics and give soft hand to fabrics
BURCU BÜYÜKKORU