Geri Dön

Evaluation of thermal, rheological, and dynamic mechanical properties of CNT reinforced PEI and PEEK composites: A comparative study

KNT takviyeli PEI ve PEEK kompozitlerinin termal, reolojik ve dinamik-mekanik özelliklerinin karşılaştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 729354
  2. Yazar: FULDEN KAYGINOK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Bu çalışmada, çok duvarlı karbon nanotüpün (KNT) amorf yapılı polieterimit (PEI) ve yarı kristal yapılı polieter eter keton (PEEK) polimerlerinin viskoelastik özelliklerine etkisi osilator reoloji ve dinamik mekanik analiz yöntemi (DMA) ile incelendi. KNT ile güçlendirilmiş PEI ve PEEK kompozitleri, özel tasarlanan çift vidalı ekstrüzyon kullanılarak ağırlıkça %1, 3 ve 5 oranında üretildi. Proses sırasında, KNT ve polimerlerin karıştırılması ekstrüzyon sisteminde farklı bölgelerden eş zamanlı olarak sağlanarak iki besleme adımının da aynı anda bitmesi ile etkin karıştırma hedeflendi. Üretimler, 210 rpm vida dönüş hızında ve KNT/PEI ve KNT/PEEK kompozitleri için sırayla 360 °C ve 380 °C'de gerçekleştirildi. Ekstrüzyondan eriyik olarak karıştırılan numuneler hava soğutması altında çekiciye bağlanarak filaman formunda çekildi ve ardından kırıcı yardımı ile granül haline getirildi. Katkılı ve katkısız granüller kullanılarak ASTM standardına uygun olarak belirlenen geometride DMA için numune hazırlandı. Numuneler, 150x75x3 mm boyutundaki kaset kalıplarda basınçlı kalıplama tekniği ile sıcak preste 300-330 °C sıcaklık aralığında 2,5 MPa basınç altında yaklaşık yarım saat tutularak üretildi. Üretilen numuneler üç eksenli işleme tezgahında 65x13x3 mm boyutlarında kesildi. Bu boyutlarda üretilen numuneler morfolojik özelliklerinin incelenmesi için taramalı elektron mikroskobunda (SEM) ve de termal özellikler için ısı sapma sıcaklığı (HDT) ve mekanik özellikleri için ise eğilme modülü testlerinde kullanılmıştır. KNT ile katkılanmansı sonrasında amorf ve yarı kristalin bir polimerin nano boyutta bir katkıya olan cevabını incelemek ve termal kararlılıklarını belirlemek amacı ile termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) analizleri gerçekleştirilmiştir. TGA'da, azot atmosferinde 800 °C'ye kadar olan termal davranışları incelenen PEI numunelerinin, iki aşamalı bozunma gösterdiği raporlandı. İlk aşamada, 516 °C'de aromatik grubun bozunması ve sonrasında ise, 540 °C'de aromatik olmayan gruptan kaynaklı bir bozunmanın gerçekleştiği görülmektedir. İncelenen sonuçlarda, katkısız ve KNT katkılı PEI numunelerinin termal kararlılığının yaklaşık 400 °C olduğu saptanmıştır. Azot atmosferinde, 30-800 °C sıcaklık aralığında incelenen PEEK numunelerinde ise, bozunmanın eter ve keton gruplarından kaynaklı olarak tek aşamada gerçekleştiği, katkısız ve KNT katkılı PEEK numunelerinin termal kararlılığının ise 550 °C olduğu belirlenmiştir. Tüm sonuçlar göz önüne alındığında KNT'nin PEI ve PEEK'in termal kararlılığına %1'den %5'e artan ağırlık oranlarında belirgin bir ölçüde etki etmediği görüldü. Diğer taraftan, PEI ve kompozitleri için camsı geçiş sıcaklığının (Tg), PEEK ve kompozitleri içinse hem Tg'nin hem de erime, kristalleşme gibi termal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla DSC analizi PEI numuneleri için 350 °C'ye PEEK'ler içinse 400 °C kadar 2 °C/dk ısıtma hızında yapılmıştır. Yapılan analiz sonucunda, KNT'nin PEI ve PEEK'nin Tg aralığını değiştirmediği görülürken, PEEK kompozitleri için çekirdeklenme faktörü görevini görerek kristalleşme oranını arttırdığı ve en yüksek kristal oranı %29 olarak ağırlıkça %1 katkılı KNT/PEEK kompozitinde elde edilmiştir. Katkısız ve KNT katkılı PEI ve PEEK numunelerinin viskoelastik özellikleri incelemek amacıyla osilator reoloji analizi 360 °C'de gerçekleştirilmiştir. Lineer viskoelastik bölgenin belirlenmesi amacıyla öncelikle 1 Hz frekansta gerinim tarama testi uygulanan numunelerde, KNT miktarının artmasıyla lineer bölgenin daraldığı yani kritik gerinim değerinin düştüğü görülmüştür. Bu durum Payne Etkisi ile ilişkilendirilerek, yapıda kırılgan katı bir oluşumun gerçekleştiğinin kanıtı olarak sunulmuştur. Kritik gerinim değeri ile KNT'nin hacimsel kesri arasında kuvvet yasasının uygulanması ile KNT takviyeli PEI ve PEEK için kuvvet değerleri sırasıyla -1,76 ve -1,40 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, bulunan kritik gerinim değerleri göz önüne alınarak 360 °C'de tüm numunelere 0.1-628 rad/s aralığında frekans tarama testi uygulanmış ve lineer bölgedeki frekansa bağlı viskoelastik özellikler incelendiğinde, KNT miktarının artmasıyla birlikte her iki polimerde de depolama modüllerinde artış görülürken frekansa olan bağımlılık ise azalmıştır. Katkısız PEI ve PEEK polimerlerinde depolama modülünün frekansa olan bağımlılığı üstel olarak sırasıyla 0,7 ve 1,57 iken, ağırlıkça %1 KNT katkılamalarında sırasıyla bu değerler 0,32 ve 0,27 olarak hesaplanmıştır. Her iki polimer için de ağırlıkça %1 KNT katkılamasının, modül değerinde ani artışa neden olması ve frekansa bağımlılığı neredeyse ortadan kaldırması sebebiyle yapıda davranış değişimine neden olduğu sonucuna varılmış ve reolojik sızma eşiğinin ağırlıkça %1'in altında olduğu belirlenmiştir. Sıvı benzeri yapıdan katı benzeri yapıya geçişin bu değer aralığında olduğu Cole-Cole eğrileri çizdirilerek de desteklenmiştir. Frekansa bağlı diğer bir özellik olan kompleks viskozite değerleri incelendiğinde ise, KNT'nin polimerin zincir hareketlerini kısıtlaması sebebi ile kompleks viskozitede artışa neden olduğu sonucuna varılmıştır. Katkısız PEI ve PEEK numuneleri, düşük frekans bölgesinde Newton davranışı gösterirken, KNT katkılı numuneler tüm frekans aralıklarında kesme-incelmesi özelliği göstermektedir. Yüksek frekans bölgelerinde kesme incelmesi katsayıları kuvvet yasası ile ilişkilendirildiğinde katkısız PEI ve PEEK'nin n değeri 0,72 ve 0,60 iken ağırlıkça %5 KNT katkılamada bu değerler sırasıyla 0,35 ve 0,26 olarak hesaplanmıştır. Sonuçlar değerlendirildiğinde, artan KNT miktarı ile n katsayısının düştüğü görülmüş ve numunelerin daha belirgin kesme incelmesi gösterdiği sayısal olarak da ispatlanmıştır. Ayrıca katkısız polimerler ile karşılaştırıldığında ağırlıkça %1 katkılamayla, kompleks viskozitedeki ani artış ve düşük frekans bölgesindeki Newton davranışın, kesme incelmesine evrilmesi de reolojik sızma eşiğinin ağırlıkça %1'in altında olduğunun başka bir göstergesi olduğu belirtilmiştir. Diğer taraftan, DMA cihazında çift taraflı mesnet aparatı kullanılarak gerinim tarama testiyle kritik gerinim değerleri bulunan numunelere 1 Hz frekans altında sıcaklık taraması testi uygulanmıştır. Depolama modülü ve tan deltaya göre hesaplanan Tg değerleri incelendiğinde, DSC testi ile aynı doğrultuda sonuçlar elde edilmiş, ve diğer bir ifadeyle KNT'nin PEI ve PEEK'nin Tg'ye olan etkisi bu yöntemle de tespit edilememiştir. DMA sonuçları incelendiğinde, KNT takviyesinin PEI ve PEEK'de camsı bölgedeki ve de kauçuk bölgesindeki depolama modül değerlerini arttırdığı da gözlemlenmiştir. Katkılı ve katkısız PEI ve PEEK numunelerinin Tg'deki depolama modüllerindeki değişimleri karşılaştırıldığın, amorf yapıya sahip PEI numunelerinde PEEK numunelerine göre daha ani bir düşüş görülmüştür. Bu durumun sebebi, yarı kristal yapıya sahip PEEK numunelerinde henüz kristal erimesi gerçekleşmediğinden yapıda hala hareketsiz davranan bölgelerin olmasıdır, bu sebeple düşüş PEI numunelerine kıyasla daha yumuşaktır. Ayrıca, her iki polimerin de artan KNT miktarıyla tandelta yüksekliğinin düştüğü görülmüştür. DMA sonuçları kullanılarak, KNT'nin polimer içerisindeki etkinliğine ve KNT-polimer etkileşimine ve zincirin KNT katkısı ile mobilite durumuna sayısal bir yorum getirmek için yaklaşımlar da yapılmıştır. C sabiti ve yapışma faktörünün azalışına ve de polimerdeki dolaşıklılık derecesi ve kısıtlanmış bölgenin artışına göre KNT takviyesinin PEI ve PEEK polimerlerinin viskoelastik özelliklerini iyileştirdiği ve KNT-polimer etkileşiminin katkıyla arttığı sonucuna ulaşılır. Buna ek olarak, saf ve KNT katkılı PEI ve PEEK kompozitlerinin depoloma modüllerin incelendiğinde amorf yapılı PEI'de yarı-kristalin PEEK numunelerine göre daha düşük sonuçlar alınmıştır. Bu sonuç, yarı kristal yapıya sahip PEEK numunelerinde rijitliğin kristal bölgeden gelmesi sebebi ile belirlenen Tg civarında kristal erimesi gerçekleşmediğini ve düşüşün az olduğunu göstermektedir. Tüm veriler göz önüne alındığında KNT'nin her iki polimer ile de etkileşiminin yüksek olduğu ve katkılamanın bu polimerlerin viskoelastik özelliklerini iyileştirmesi ile sonuçlanmaktadır. Isı sapma sıcaklığı (HDT), belirli sıcaklık değişimlerinde çalışacak polimer yapıların belirlenen aralıklarında güvenli çalışması açısından son derece kritiktir. Makine parçaları ve performans gerektiren komponentlerde kullanılması planlanan yüksek performanslı plastiklerde HDT'nin tayini, özellikle termoplastik malzemelerin işlenmesi sırasında ısının malzeme üzerindeki etkisinin parça ebatlarına ve toleransına olan etkisi de incelenmelidir. Bu çalışmada PEI ve PEEK polimerlerinin katkısız ve KNT katkılı kompozitleri 0,455 MPa gerilme altında HDT'leri incelenmiştir. En yüksek HDT değerleri ağırlıkça %5 KNT/PEI ve %5 KNT/PEEK kompozitlerinden sırasıyla 207 °C ve 219 °C olarak elde edilmiş ve KNT'nin PEI ve PEEK'nin ısıl özelliklerini iyileştirdiği sonucuna varılmıştır. Bu durum özellikle PEI ve PEEK gibi enjeksiyon kalıplama ile üretimi yapılan yüksek performans termoplastikleri için HDT'nin artışı ile daha hızlı enjeksiyon prosesi ile sonuçlanması açısından kritiktir. PEI ve PEEK numunelerinin eğilme testi sonuçları değerlendirildiğinde ise, KNT'nin modül değerlerinde ağırlıkça %5 KNT/PEI ve %5 KNT/PEEK kompozitlerde sırasıyla %22 ve %28 artarak 3,38 ve 3,77 GPa olarak elde edilmiştir. Modül değerinin iyileşmesi özellikle PEI ve PEEK gibi yapısal parça üretiminde kullanılan polimerlerin performanslarının artması ve yeni kullanım alanlarına dahil edilebilmesi açısından önemlidir. Sonuç olarak bu çalışmada, KNT takviyeli PEI ve PEEK kompozitleri ekstrüzyon tekniği ile başarıyla üretildi. KNT'nin termal, morfolojik, viskoelastik ve mekanik özelliklere etkisi çeşitli karakterizasyon yöntemleriyle ayrıntılı olarak tartışılmakta olup tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, KNT'nin PEI ve PEEK polimerlerinin viskoelastik özelliklerini iyileştirildiği görülmüştür.

Özet (Çeviri)

In this study, the effect of multiwall carbon nanotube (CNT) reinforcement on viscoelastic properties of polyetherimide (PEI) and polyether ether ketone (PEEK) polymers was investigated by oscillator rheology and dynamic mechanical analysis (DMA) method. CNT reinforced PEI and PEEK composites were produced using a specially designed twin-screw extruder at 1, 3, and 5 wt.% at 210 rpm and 360 °C and 380 °C for CNT/PEI and CNT/PEEK composites, respectively. Thermogravimetric (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) analyzes were performed to examine the thermal properties of the samples. It was observed that the decomposition temperatures in PEI samples showed two-stage decomposition depending on the aromatic group and non-aromatic group decomposition at approximately 529 °C and 564 °C, and their thermal stability was found as about up to 400 °C, whereas in PEEK samples, decomposition occurred in a single step due to ether and ketone groups and their thermal stability was found as about up to 550 °C. Also, a residual weight of around 50% in PEI and PEEK samples was at 800 °C. It was seen that CNT did not significantly affect the thermal stability of polymers. In addition, CNT almost did not change the glass transition temperature of polymers (Tg), but it increased the crystal ratio by acting as the nucleation factor for PEEK composites, and the highest crystal ratio was obtained from 1 wt.% CNT/PEEK composite as 29%. The morphological analysis revealed that CNT reinforced PEI and PEEK composites were fabricated homogeneously without any agglomerations. Rheology analysis showed that the linear viscoelastic region (LVR) narrowed with CNT, that is, the critical strain decreased, which was explained as evidence of the formation of a brittle solid network in the structure. Also, the critical strain has an exponential dependence on the volume fraction of the CNT as -1.76 and -1.40 for PEI and PEEK, respectively. On the other hand, the frequency-dependent results in LVR showed that the storage modulus of both polymers increased and the frequency dependence decreased with the increase in the amount of CNT. The frequency dependence of the storage modulus was exponentially 0.7 and 1.57 for neat PEI and PEEK, and these values were calculated as 0.32 and 0.27 at 1 wt.% CNT reinforcement, respectively. The decrease of frequency dependency and sudden increase in 1 wt.% CNT reinforcement was interpreted as an indication of the structure change, and the rheological percolation threshold was determined below 1 wt.% CNT reinforcement was also proved by drawing Cole-Cole plots that are a clear representation for the transition from the liquid-like to the solid-like structure. Additionally, the complex viscosity increased with CNT in both polymers and they changed the behavior from Newtonian to shear-thinning in the low-frequency region and shear-thinning behavior became dominant with 1 wt.% CNT reinforcement. The lowest shear-thinning exponents were obtained from 5 wt.% CNT/PEI and 5 wt.% CNT/PEEK composites as 0.35 and 0.26, respectively at a frequency range between 102 and 103 rad/s, by using Power Law. On the other hand, DMA results showed that CNT reinforcement increased the storage modulus of polymers in both glassy and rubbery regions, however, the presence of CNT increased the storage module of PEEK samples more than PEI, this is due to CNT increased the crystal ratio of PEEK and contributes to the elastic portion. Also, the height and the area under the tan delta peak decreased which is the sign of the high interaction between CNT-polymer. Using the DMA results, approaches have also been made to provide a numerical interpretation of the activity of CNT in the polymer and the CNT-polymer interaction and the mobility of the chain by CNT contribution. The decrease in C factor and adhesion factor, and the increase in the degree of entanglement and volume of the constrained region with the presence of CNT were explained as an indication of high interaction and effective reinforcement in CNT/PEI and CNT/PEEK composites. The C factor values were calculated as 0.34 and 0.70, respectively, for 5 wt.% CNT/PEI and 5 wt.% CNT/PEEK composites. Consequently, considering all the results related to viscoelastic properties, it can be said that CNT caused changes in the structure of both PEI and PEEK, and an increase in storage modulus was observed. Moreover, heat deflection temperature (HDT) is extremely critical for the safe operation of polymer structures that will operate at certain temperature changes within specified ranges; thus, HDT of neat PEI and PEEK and their CNT reinforced composites under 0.455 MPa stress were investigated. The highest HDT were obtained from 5 wt.% CNT/PEI and 5 wt.% CNT/PEEK composites at 207 °C and 219 °C, respectively, and it was concluded that CNT improved the thermal properties of PEI and PEEK. This is especially critical for high-performance thermoplastics produced by injection moldings such as PEI and PEEK, as the increase in HDT results in a faster injection process. When the flexural test results of PEI and PEEK samples were evaluated, the flexural modulus of CNT increased by 22% and 28%, in 5 wt.% CNT/PEI and 5 wt.% CNT/PEEK composites as 3.38 and 3.77 GPa respectively. The improvement of the modulus is especially important in terms of improving the performance of polymers used as structural parts and incorporating them into new areas of use. As a result, in this study, CNT reinforced PEI and PEEK composites were successfully produced by the extrusion technique. The effect of CNT on thermal, morphological, viscoelastic, and mechanical properties was discussed in detail with various characterization methods, and when all the results were evaluated, it is seen that CNT improved the viscoelastic properties of PEI and PEEK polymers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    667789

    Kauçuk hamurlarında alternatif antioksidan: Kına

    An alternative antioxidant for rubber compounds: Henna

    ŞEHRİBAN ÖNCEL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BAĞDAGÜL KARAAĞAÇ

  2. Tez No

    397859

    Önden yüklemeli bir çamaşır makinesinin dinamik olarak modellenmesi

    Dynamic model of a fronty loading washing machine

    MEHMET ÖZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK

  3. Tez No

    566794

    Cocamide diethanolamide kimyasalının bitüm modifikasyonunda kullanımı

    Use of cocamide diethanolamide chemical in bitumen modification

    GİZEM KAÇAROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    UlaşımSüleyman Demirel Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET SALTAN

  4. Tez No

    419011

    Modelling wellbore hydraulics through thermal rheological sepiolite mud properties

    Sondaj kuyusu hidroliğinin sepiyolit çamuru ısıl reolojik özellikleriyle modellenmesi

    ALI ETTEHADI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜRŞAT ALTUN

  5. Tez No

    353787

    Elektroüretimle nanolif eldesine etki eden faktörlerin ve jelatin-pektin içeren nanoliflerin model gıdaların reolojik özelliklerine etkilerinin incelenmesi

    Investigations on affecting parameters of electrospinning and rheological properties of model food systems containing electrospun gelatin-pectin nanofibers

    ALPARSLAN KUMRU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FİLİZ ALTAY

Geri Dön