Upcycling to sustainable conversion of polypropylene waste to graphene grown talc hybrids as additive for efficient thermoplastic processing and its systematic life cycle assessment
İleri dönüşüm tekniği ile polipropilen atıkların sürdürülebilir şekilde katkı malzemesi olarak verimli termoplastik işlemede kullanmak için talk üzerinde büyütülen grafen hibritlerine dönüşümü ve sistematik yaşam döngüsünün değerlendirmesi
- Tez No: 719166
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Plastik atık, ekosistemi tehdit eden, toprak ve su kirliliğine yol açan önemli bir çevre ve iklim sorunudur. Plastik geri dönüşümü çeşitli faydalar sağlamasına rağmen geri dönüştürülmüş plastikler, ham plastik kompozitlerle aynı performansa sahip değildir. Geleneksel geri dönüşüm süreçleri yerine plastiklerdeki zengin hidrokarbon kaynağı kullanarak katma değeri yüksek karbon nanomalzemeler üretmek mümkündür. Bu tez, polipropilen kaynakları kullanarak çevre dostu, sürdürülebilir ve uygun maliyetli bir ileri dönüşüm teknolojisi uygulayarak talk tabakası üzerinde grafen yapıları büyütmeyi ve hedeflenen otomotiv parçasındaki ana takviye miktarını azaltarak bu yeni tasarlanmış hibrit katkı ile hafif termoplastik kompozitleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. Buna ek olarak, CO2 emisyonu azaltımlarını göz önünde bulundurarak yapılan kıyaslama çalışması ile önerilen yenilikçi ileri dönüşüm çözümlerinden elde edilen çevresel kazanımları göstermek için kapsamlı olarak yaşam döngüsü değerlendirmesi yapılmıştır. İlk olarak, polipropilen (PP) atıklarındaki karbon kaynağı buhar fazına dönüştürülerek, ileri dönüşüm teknolojisi ile ılımlı koşullarda grafen büyümesi başlatılmış ve metal katalizör varlığında talk yüzeyine bağlanmıştır. Burada, uygun bir talk boyutu seçilerek, talk yüzeyi aktive edilmiş ve iki ana polimer işleme tekniklerinden olan termokinetik karıştırma ve çift vidalı esktrüzyon kullanılarak talk ile PP karışımları üretilmiştir. Bu teknik ile 2B ve 3B grafen yapıları elde etmek için seçici bir yöntem geliştirilmiştir ve uygun piroliz ve karbonizasyon teknikleri belirlenmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki 10 μm'ye kadar D50 partikül boyutuna sahip talk, 2 boyutlu grafen tabakalarının büyümesini arttırırken, 2 μm'den daha küçük talk boyutu, 3 boyutlu grafen kürelerinin oluşumunu arttırmaktadır. Başka bir deyişle, geliştirilen ileri dönüşüm yöntemi, talk yüzeyler üzerinde grafen bazlı iki boyutlu ve/veya üç boyutlu nano veya mikron altı boyutlu yapıların kolay ve düşük maliyetli bir şekilde elde edilmesini sağlamıştır. Ayrıca döner fırın ile yapılan flaş piroliz, kamara tipi fırında kademeli ısıtma ile elde edilen hibrite göre kusurları azaltarak kısa sürede grafen/hibrit katkı maddelerinin üretilmesini sağlamıştır. Karıştırma tekniğinin hibrit katkı maddesinin kristal yapısı üzerinde önemli bir etkisi olmuştur. Talk/PP numunelerinin karbonizasyon işlemine hazırlanmasında kullanılan termokinetik karıştırıcı, talk tabakalarının birbirinden ayrılmasına neden olmuş, karıştırma işleminin 4000 rpm civarında gerçekleşmesi nedeniyle kristal düzlemlerini değiştirmiş ve partikül boyutunu küçültmüştür. Öte yandan, çift vidalı ekstrüzyon, talkın katmanlı yapısını korumuştur ve karıştırma 350 rpm gibi çok düşük karıştırma hızlarında gerçekleştiği için talkın kristal yapısını değiştirmemiştir. İdeal bir grafen/talk hibrit katkı maddesi üretimi seçiminin ardından üretilen hibrit katkı maddeleri, otomotiv standartlarına ulaşmak, talk içeriğini azaltmak ve kompozitlerin mekanik performansını korumak için homopolimer PP ve kopolimer PP'ye farklı yükleme oranlarında takviye olarak eklenmiştir. En dikkat çekici gelişme, kopoPP matrisine ağırlıkça %5 hibrit katkı maddesinin eklenmesiyle elde edilmiş, eğme modülü ve çekme modülü, saf copoPP'ye kıyasla sırasıyla %88 ve %57 artış gözlemlenmiştir. Ayrıca, bu yeni grafen/talk hibrit katkı maddesi ile talk miktarında %10 azalma sağlanmış ve seri parça üretiminde kullanılan %15 talk içeren bileşiğin performansına kıyasla ağırlıkça %5 hibrit yüklemede bile eğme modülünde %6 iyileşme sağlanmıştır. Sonuç olarak, döngüsel ekonomi hedefli ileri dönüşüm süreci ile polipropilen atığı yüksek katma değerli grafen/talk hibrit katkı maddesine dönüştürmesi, grafen üretimine ve hafif termoplastik plastik üretimine yeni bir bakış açısı getirmektedir. Ayrıca, bu üretilen yeni otomotiv termoplastik kompozitlerinin, geleneksel eşdeğerlerine kıyasla çevresel sürdürülebilirlik performanslarının analizi için yaşam döngüsü değerlendirme yaklaşımı benimsenmiştir.
Özet (Çeviri)
Plastic waste is a significant environmental and climate concern that threatens the ecosystem and leads to soil and water contamination. Although plastic recycling provides several benefits, the recycled plastics do not have the same performance as virgin plastic composites. Instead of traditional recycling processes, it is possible to produce high value-added carbon nanomaterials by using a rich hydrocarbon source in plastics. This thesis aims to grow graphene structures on talc substrate by using polypropylene sources and applying an environmentally friendly, sustainable, and cost-effective upcycling technology, and develop lightweight thermoplastic composites with this newly designed hybrid additive by reducing the main reinforcement amount in the target automotive plastics. In addition, comprehensive life cycle assessment was carried out to demonstrate the environmental gains from the proposed innovative upcycling solutions with the benchmarking study by evaluating CO2 emission reductions. Initially, carbon source in polypropylene (PP) wastes were converted into vapor phase and bind to talc surface in the presence of metal catalyst by initiating graphene growth in mild conditions by upcycling technology. Herein, a selective method to obtain 2D and 3D graphene structures was developed by selecting a suitable talc size, activating talc surface, producing different PP blends with talc by using two main polymer processing techniques: high shear mixing with thermokinetic mixer and twin-screw extrusion, and defining suitable pyrolysis and carbonization techniques. The results indicated that talc with a D50 particle size of up to 10 μm enhanced the growth of 2D graphene sheets whereas talc size less than 2 μm increased the formation of 3D graphene spheres. In other words, the developed upcycling method enables an easy and low-cost obtainment of graphene based two-dimensional and/or three-dimensional nano- or submicron-sized structures on talc surfaces. In addition, flash pyrolysis by rotating furnace provided to produce graphene/hybrid additives in a short time by decreasing the defects compared to the hybrid obtained by gradual heating in chamber furnace. There was a significant effect of blending technique on the crystal structure of hybrid additive. Thermokinetic mixer used to prepare talc/PP samples for carbonization process caused complete exfoliation of talc and changed the crystalline planes and decreased the particle size due to the occurrence of blending process at around 4000 rpm. However, twin-screw extrusion preserved the layered structure of talc and did not change its crystal structure since blending was occurred at very low mixing rates of 350 rpm. After the selection of an ideal graphene/talc hybrid additive production, the produced hybrid additives were used as a reinforcement in homopolymer PP and copolymer PP at different loading ratios to reach the automotive standards and decrease the talc content and maintain the mechanical performance of the composites. The most remarkable improvement was achieved by the addition of 5 wt% hybrid additive in CopoPP matrix, flexural modulus and tensile modulus were increased by 88% and 57%, respectively, compared to neat CopoPP. Furthermore, %10 talc reduction was provided with this new graphene/talc hybrid additive and even 6% improvement in flexural modulus was accomplished at 5 wt% hybrid loading compared to the performance of compound having 15% talc used in serial part production. In conclusion, the conversion of polypropylene waste into high value-added graphene/talc hybrid additive by circular economy targeted upcycling process brings a new insight in graphene manufacturing and the production of lightweight thermoplastic plastic. Also, life cycle assessment approach was adopted to assess the environmental sustainability performances of the new automotive thermoplastic composites in comparison to their conventional equivalents.
Benzer Tezler
- Investigation of graphene growth on different natural substrates from aromatic plastic wastes and its systematic life cycle assessment
Aromatik plastik atıklardan farklı doğal substratlar üzerinde grafen büyümesinin araştırılması ve sistematik yaşam döngüsü değerlendirmesi
ESRA YALÇINKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
KimyaSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Sürdürülebilir tasarım ve üretim temelinde sanatsal geri dönüşüm
Artistic recycling based on sustainable design and production
MERYEM ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
El SanatlarıSelçuk ÜniversitesiEl Sanatları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLLA ŞİRİN
- Tekstil ve moda endüstrisinde inovatif yaklaşımlar: İleri dönüşüm ve dijitalleşme
Innovative approaches in the textile and fashion industry: Upcycli̇ng and digitalizati̇on
HANDAN AZAKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Güzel SanatlarHaliç ÜniversitesiTekstil ve Moda Tasarımı Ana Sanat Dalı
DOÇ. DR. ŞÖHRET AKTEPE DAL
- Buhar kazanı yanma atığı küller/poli(dimetilsiloksan) süspansiyonların elektroaktif titreşim sönümleyici olarak yeniden kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of upcycling possibility of steam boiler coal ash/poly(dimethylsiloxane) suspensions as electroactive vibration damping materials
DENİZ BEGEN
- Tekstil tasarımında denim üretim atıklarının geri kazanımı üzerine deneysel bir çalışma
An experimental study on recovery of denim production waste in textile design
BENGİ MEYDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Güzel SanatlarDokuz Eylül ÜniversitesiTekstil ve Moda Tasarımı Ana Sanat Dalı
PROF. DR. ŞEHRİBAN ÖZLENEN İŞMAL