Geri Dön

Production and characterization of thermoplastic elastomer foams based on styrene-ethylene-butadiene-styrene and polypropylene

Stiren-etilen-bütadien-stiren ve polipropilen bazlı köpük termoplastik elastomerlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 733316
  2. Yazar: CEREN KIROĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
  4. Tez Türü: Doktora
  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: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 130

Özet

Termoplastik elastomerler (TPE) termoplastikler gibi iĢlenebilen ancak geleneksel termoset kauçukların gösterdiği pekçok karakteristik özelliği gösteren bir polimer ailesini tanımlayan genel ifadedir. TPE ailesinin bir üyesi olan SEBS/PP karıĢımları 1990'ların baĢlarında, spor eĢyaları, otomativ parçaları ve medikal aletler gibi uygulamalarda kullanılması amacıyla ticarileĢmiĢtir. Bu elastik malzemelerin tek bir karıĢım içerisinde hem kauçukların hem de termoplastiklerin özelliklerini göstermesi, bu tip alanlarda kullanılmak üzere en ideal aday yapmaktadır. Sunulan çalıĢmada, farklı tiplerde inorganik dolgularla katkılandırılmıĢ SEBS/PP bazlı TPE köpükleri üretilmiĢtir. Üretimlerinde ekstrüzyon ve enjeksiyon ile kalıplama gibi farklı iĢleme teknikleri kullanılmıĢtır. Üretilen parçalar mekanik dayanım ve sönümleme özellikleri bakımından değerlendirilmiĢ ve çekme dayanımı, uzama, sönümleme kabiliyeti ve yoğunluk değerleri ölçülmüĢtür. Bu çalıĢmada, köpürtme teknolojisi yüksek darbe dayanımı ve sönümleme özelliklerine ve aynı zamanda düĢük yoğunluk ve sertlik değerlerine sahip malzeme özelliklerini karĢılamak üzere etkin bir yöntem olması sebebiyle seçilmiĢtir. Köpürtme teknolojisi ve termoplastik elastomerlerin bir araya gelmesi pek çok yeni ve potansiyel uygulama alanına zemin hazırlamaya devam etmektedir. Bu çalıĢmanın kapsamında, SEBS/PP köpüklerin farklı bileĢimleri iki farklı köpürtücü ajanın üç farklı oranı kullanılarak hazırlanmıĢtır. Buna ek olarak, SEBS/PP bileĢimlerinin üç farklı tipteki inorganik dolgu ile, üç farklı SEBS/PP oranıyla numuneleri hazırlanarak, elastomer ve termoplastik oranının ve inorganik dolguların köpük ve TPE malzemeler üzerindeki etkisi araĢtırılmıĢtır. Bu çalıĢma kapsamda hazırlanan malzemelerin elektronik ev eĢyalarında kullanılmakta olan elastik conta malzemelerine alternatif olması beklenmektedir. Tezin ilk bölümünde, SEBS ve PP karıĢımları eĢmerkezli dönen çift vidalı ekstrüderde hazırlanmıĢtır. Seçilen PP/SEBS oranları ise yüzde olarak sırasıyla 90/10, 80/20 ve 70/30'dur. Kalsiyum karbonat (CaCO3), talk ve çökeltilmiĢ silika plastiklerdeki iyi bilinen etkileri, kolay bulunur ve kolay iĢlenebilir dolgular olmaları nedeniyle tercih edilmiĢtir. Dolgu maddeleri her bir SEBS/PP karıĢımına ekstrüzyon adımında ve %10'luk sabit yükleme oranında eklenmiĢtir. Ekstrüzyon ve enjeksiyon ile kalıplama iĢlemlerinden sonra numuneler yoğunlukları açısından incelenmiĢtir. CaCO3 ilave edilmiĢ karıĢımların en yüksek yoğunluk değerini verirken, silika ile hazırlanan karıĢımların en düĢük yoğunluk değerini verdiği gözlenmiĢtir. Buna ek olarak, artan elastomer oranının tüm numuneler için daha yüksek yoğunluk değerine sebep olduğu görülmüĢtür. Polimerik matrise inorganik dolgu eklenmesi, seçilen dolgu maddelerinin yoğunluklarının çalıĢmada kullanılan polimerlerden daha yüksek olması sebebiyle final yoğunluk değerlerini yükseltmektedir. Elde edilen final karıĢımların akma dayanımı ve akmadaki uzama miktarı gibi mekanik özellikleri hem dolgusuz PP/SEBS karıĢımları hem de inorganik dolgu eklenmiĢ karıĢımlar için araĢtırılmıĢtır. Mekanik dayanım bakımından değerlendirildiğinde, matris içerisinde artan PP miktarının akma dayanımını arttırdığı görülmüĢtür. Dolgusuz PP/SEBS karıĢımları ile dolgulu karıĢımlar karĢılaĢtırıldığında ise, matrise inorganik dolgu eklenmesi ile akma dayanımında anlamlı bir fark gözlenmemiĢtir. Bu durumun, dolgu ve matris arasındaki düĢük yüzey etkileĢimleri sebebiyle gerçekleĢmiĢ olabileceği düĢünülmektedir. En düĢük akma dayanımı değeri dolgu olarak silika eklendiği durumda elde edilmiĢtir. Elastik modül değeri ise TPE malzemelerin mekanik özelliklerini ölçmek ve karĢılaĢtırmak için anahtar parametrelerden biridir. Tüm PP/SEBS numuneler arasında E modül değerinin beklendiği gibi, artan SEBS miktarı ile beraber arttığı görülmüĢtür. En yüksek E modülü değeri 1532,23 ± 34 MPa ile talk eklendiğinde elde edilirken, en düĢük E modül değeri 972,00 MPa değeri ile silika ilave edilen karıĢımlarda elde edilmiĢtir. ÇalıĢmanın ikinci aĢamasında, iki farklı kaynaktan temin edilen mikrokürecik yapılı köpürtücü ajanlar %1 ve %3 oranında kullanılmıĢtır. Ġki farklı kaynaktan temin edilen bu köpürtücü ajanlar çalıĢmada FA1 ve FA2 olarak isimlendirilmiĢtir. Köpürtücü ajan kullanımının ve farklı oranlarının etkisi incelendiğinde, en düĢük yoğunluk değeri TPE matrisine inorganik dolgu olarak talkın ve köpürtücü ajan FA1'in %3 olarak daha fazla ilavesiyle elde edilmiĢtir. Tüm dolgu tiplerinin ilave edildiği karıĢımlar için ortak olarak, en düĢük yoğunluk değeri köpürütülmüĢ SEBS/PP numunelerinde elde edilmiĢtir. Böylece köpürtme teknolojisinin yoğunluğu azaltıcı etkisi gösterilmiĢtir. Ayrıca bu durum köpürtmenin bir sonucu olarak boĢluklu morofolojik yapıların oluĢtuğunun ve aynı hacim değerlerinin daha az malzeme kullanarak elde edilebiceğinin de güçlü bir kanıtıdır. Üç farklı dolgu maddesi arasında, talk en düĢük Mohs sertlik değerine sahip olan dolgu maddesidir. Talkın sahip olduğu bu düĢük sertlikli yapı, final karıĢımlarda mikroküreciklere geniĢlemek ve boĢluklu yapıyı oluĢturmak için alan sağlamaktadır. ÇalıĢmada FA2 olarak isimlendirilen ikinci köpürtücü ajan diğeri ile kıyaslandığında daha yüksek yoğunluk değeri verdiği görülmüĢtür. Bu sonuçlar ayrıca SEM morfoloji çalıĢmalarıyla de desteklenmiĢtir. TPE köpüklerin SEM morfoloji sonuçları boĢluk oluĢturan baloncuklu yapıların dağılımı ve çapları bakımından analiz edildiğinde, en homojen dağılımın dolgu olarak CaCO3 ilavesiyle ve 70/30 PP/SEBS oranıyla elde edildiği görülmüĢtür. Daha küçük çaplı baloncuklu yapıların homojen dağılımı SEM analizlerinde görülmüĢtür. Talk ilavesiyle elde edilen baloncuk yapıları kapalı baloncuk yapılarıdır. SEM görsellerinde de gözlenen bu küresel baloncuk yapıları köpürtmenin gerçekleĢtiğinin bir diğer kanıtını oluĢturmaktadır. Izod darbe dayanımı değerleri de nihai TPE karıĢımlarının sönümleme özelliklerini değerlendirmek için bir diğer önemli parametredir. ÇalıĢmadan elde edilen sonuca göre, artan elastomer miktarının darbe dayanımını iyileĢtirdiği görülmüĢtür. Her bir PP/SEBS oranı için ayrı ayrı değerlendirildiğinde, CaCO3 ilavesinin az miktarda daha düĢük izod darbe dayanımı verdiği sonucuna ulaĢılmıĢtır. Bunun nedeni kalsitin TPE matrisi içerisinde daha fazla katı ve sert alan oluĢturmasıdır. Köpürtücü ajan ilavesininse daha yüksek izod darbe dayanımı verdiği gösterilmiĢtir. Ancak yine de %1 oranında köpürütücü ajan ilavesinin izod darbe dayanımını büyük ölçüde değiĢtirmediği görülmüĢtür. Polimer matrisine inorganik dolgu ilavesinin toplam malzeme maliyetini azalttığı göz önüne alındığında, köpürtme teknolojisinin izod darbe dayanımı değerini kompanse etmek için ideal bir çözüm olduğu söylenebilmektedir. %3 oranında köpürtücü ajan ilavesiyle CaCO3, talk ve silika dolguları için, köpürtmesiz numunelere kıyasla sırasıyla %26, %43 ve %4 daha yüksek izod darbe dayanımı elde edilmiĢtir. Sunulan çalıĢmanın son aĢamasında, köpürtülmüĢ TPE numuneleri için dinamik mekanik analiz (DMA) çalıĢması yürütülmüĢtür. Analiz çalıĢmalarında değiĢen sıcaklık aralıklarında dayanım ve tan δ değerleri karĢılaĢtırılmıĢtır. Ġnorganik dolgu ilavesi polimer kompozitlerin sertliğini arttırmaktadır. Depolama modülündeki artıĢ ve tan δ değerindeki azalıĢ dolgu maddesinin güçlendirici etkisinin bir kanıtıdır. Herhangi bir dolgu maddesi olmayan numunelerde tan δ değerlerinin köpürtme ile birlikte arttığı sonucuna ulaĢılmıĢtır. Sönümleme faktörü, tan δ değerinin düĢük sıcaklık aralığında nispeten daha düĢük ancak artan sıcaklıkla beraber arttığı görülmüĢtür. Bu durum, sıcaklıkla birlikte ana polimer zincirinin segmentlerinde hareketlenmelerin baĢlamasından ileri gelmektedir. Köpürtücü ajan oranının %1'den %3'e artmasıyla beraber tüm farklı SEBS/PP karıĢım oranları için geçerli olarak, sönümleme faktörünün arttığı gözlenmiĢtir. Farklı PP/SEBS oranlarının sönümleme faktörü üzerindeki etkisi incelendiğinde, artan elastomer oranının elastisiteyi ve aynı zamanda tan δ değerini arttırdığı sonucuna ulaĢılmıĢtır. Polimer matrisine talk ilavesi ve farklı köpürtücü ajanların %1 ve %3'lük değiĢen oranlarda ilavesiyle matristeki değiĢim DMA eğrilerinde incelendğinde, daha fazla köpürütücü ajan kullanımının daha yüksek tan δ değerine sebep olduğu gözlenmiĢtir. Bu durum daha yüksek sönümleme faktörünün bir kanıtıdır. Yürütülen tüm test sonuçlarına göre, PP/SEBS bazlı termoplastik elastomer malzemelerin köpürtülmesi sönümleme faktörünü arttırmakta ve daha düĢük yoğunluk değerleri elde edilmektedir. Bu sonuçlar daha az polimerik hammadde ile aynı hacimdeki kalıbı dolduracak ve aynı zamanda aynı mekanik özellikleri sağlayacak bir malzeme için kaynak yaratmaktadır. Köpürtücü ajanların ve inorganik dolguların kullanımı nihai TPE karıĢımlarında hem maliyet azaltımı sağlayacak hem de daha az virjin plastik ve elastomer kullanımı ile doğal kaynakların korunmasına katkı sağlayacaktır.

Özet (Çeviri)

Thermoplastic elastomers (TPE) is a general terminology which is used to describe members of polymeric materials that can be processed as thermoplastics, but displays characteristics normally associated with traditional thermoset rubbers. As one of the members of TPE family, SEBS/PP blends have been commercialized since 1990s for soft touch applications, such as, sport goods, grips on tools and in automotive and medical domains since the properties of the rubber and the thermoplastic properties can be easily combined in a single product. In the present work, TPE foams based on SEBS/PP and different types of inorganic fillers were developed by using different processing techniques such as extrusion and injection molding to investigate mechanical and damping properties in terms of strength, elongation, damping capability and density. For the present work, foaming was considered as an effective way to meet the requirements for a higher impact resistance material with lower density and relatively low hardness. Combining foaming and thermoplastic elastomers offers a wide variety of possibilities to new and existing application areas. In the scope of this research, different compositions of SEBS/PP foams were prepared with three different changing amounts and two different type of blowing agent, three different filler type for three different SEBS/PP ratios. Considering that proceeding formulations are expected to be alternative materials for gaskets used in household devices; mechanical, physical, damping and morphological requirements were determined. In the first stage, SEBS and PP blends were compounded in co-rotating twin screw extruder and the selected PP/SEBS ratio was 90/10, 80/20 and 70/30 as percentage. Calcium carbonate, talc and precipitated silica were chosen as inorganic fillers due to their well-known effcets in plastics and they are also very easy to find and easy to use materials which prevents any production restriction in the future. The filler materials were compounded in the extrusion step with loading level of 10% for each PP/SEBS ratio. After extrusion and injection molding process, samples were investigated in terms of their densities. It was observed that CaCO3 gives highest density value where silica has the lowest density value. Besides, increasing elastomer amount yields higher density results in all specimens. Inorganic filler introduction into the matrix increases the overall density since the inorganic filler densities are higher than the polymers used in the present work. Mechanical properties of the final blends as yield strength and elongation were investigated for neat PP/SEBS and inorganic filler introduced samples. In terms of mechanical strength, increasing PP amount in the matrix increases the yield strength. With inorganic filler introduction into the matrix, no selective difference observed on yield strength when neat PP/SEBS and filled PP/SEBS samples were compared which can be a consequence of poor interfacial relation between matrix and filler. Lowest yield strength value was observed with the addition of silica. Elastic modulus is another key parameter to evaluate and compare the mechanical properties of the samples. Among TPE samples with PP and SEBS, E modulus is decreasing with increasing SEBS content as expected. The highest E modulus value as 1532,23 ± 34 MPa was obtained with talc addition where the lowest value was obtained with silica usage as 972,00 ± 25 MPa. In the second phase of the study, microsphere type of foaming agents from two different sources as FA1 and FA2 were used in two different amounts as 1% and 3%. In this terminology, FA1 represents the microsphere foaming agent from Adeka Palmarole and FA2 represents the foaming agent from Tramaco. When we investigate the effect of foaming, lowest density results were achieved with the introduction of talc into TPE matrix and foaming with larger amount of foaming agent as 3%. Foaming results lower density values than the unfoamed filler added PP/SEBS samples for all types of fillers. This is strong evidence that the voids were formed with the effect of foaming and same volume can be achived with less amount of material usage. Among three different fillers, talc has the lowest Mohs hardness value where silica and CaCO3 have higher. This low hardness specification may result in the final blend as room for microspheres to grow. Second foaming agent which was named as FA2 in the present study, gives higher density values in comparison with the first foaming agent. These results were also supported by the SEM morphology studies. According to morphology analysis of TPE foams, it was observed that, in terms of foamed cell distribution and size, finest cells were obtained by using CaCO3 as filler in the matrix which has 70/30 PP/SEBS ratio. Smaller cell diameters and well distribution in the matrix were observed during morphological analysis. Talc addition has promising foaming ability, but closed bubbles were observed. Observed bubbles and spherical cells in the matrix can be named as strong evidence for foaming was achieved. Izod notch impact resistance test is another key factor to determine damping behaviour of final TPE blends. It can be resulted from the study, increasing elastomer content causes improved impact resistance value. When it is evaluated within each PP/ SEBS composition, CaCO3 introduction yields slightly lower izod impact value for each blend, since these clays create higher stiffness area in the TPE matrix. Foaming agent introduction gives higher izod impact resistance value thanks to foamed cells' damping ability. It can be clearly summarized that, foaming agent creates voids and these voids increases the impact damping. In general, filler introduction into the TPE matrix lowers the izod impact resistance. Foaming of the samples helps to increase the izod impact resistance value but 1% foaming agent addition is still not enough to compete with the neat PP/SEBS blends without any filler. Considering that filler addition into polymeric matrix helps to decrease the overall material cost, foaming can be considered as a perfect solution to compensate the izod impact value. 3% of foaming agent introduction gives 26%, 43% and 4% higher izod impact resistance value for CaCO3, talc and silica filler respectively. As the final phase of the present study, dynamic mechanical analysis (DMA) was conducted for the foamed TPE samples which show promising results in terms of density and mechanical properties. DMA analyses were conducted to evaluate stress and tanδ over changing temperature. The addition of clays resulted in an increase in the stiffness of the nanocomposites. The rise in storage modulus and decrease in tan δ values were stated as evidence of its reinforcing impact. Without any filler addition into the matrix tan δ values were higher due to the foaming effect. The damping factor, tanδ was fairly lower at low temperature but increases with temperature, which corresponds to a high damping due to the initiation of motion in segments of the main polymer chain. With increasing foaming agent amount from 1% to 3%, it can be claimed that higher foaming agent amount yields higher damping factor and this is a general result for all different PP/SEBS ratios. When the effect of PP/SEBS ratio on damping factor was investigated, it can be easily said that, increasing elastomer ratio helps to increase elasticity and tanδ is also increasing. Talc introduction into PP/SEBS polymer matrix with different foaming agents' amount of 1% and 3% was investigated and according to DMA curves, higher foaming agent yields higher tan δ value which is an evidence for higher damping factor. According to all test results, foaming of PP/SEBS based thermoplastic elastomer materials can show increased damping factor with less density values which is a good evidance to be able to use less raw polymeric materials to create same volume of a mold with the same mechanical properties. Usage of foaming agents and inorganic fillers amount in the final TPE blends will bring cost reduction and also national resource will be used instead of virgin plastic and elastomers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    455413

    Synthesis of bio based polyurethane surface coating materials and characterization

    Yüzey kaplaması uygulamalarında kullanılan biyo bazlı poliüretan malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu

    MERVE METİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN

    DR. ALPER YEŞİLÇUBUK

  2. Tez No

    910824

    Polyester esaslı termoplastik elastomerlerden esnek vefonksiyonel nanokompozit üretimi

    Production of flexible and functional nanocomposites frompolyester based thermoplastic elastomers

    RUMEYSA BETÜL AYDOĞDU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova Üniversitesi

    Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OZAN TOPRAKÇI

  3. Tez No

    578751

    Haloysit nanotüp dolgu malzemesi ile termoplastik ve termoplastik elastomer polimer matris kompozit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of halloysite filled thermoplastic and thermoplastic elastomer composite materials

    TUĞÇE ÖNER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURAK ÖZKAL

  4. Tez No

    893016

    Silisyum dioksit katkılı süperhidrofobik termoplastik kopoliester elastomer yüzeylerin eldesi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of silicon dioxide doped superhydrophobic thermoplastic copolyester elastomer surfaces

    BATUHAN ZEYREK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDİNÇ DOĞANCI

  5. Tez No

    790468

    Hibrit nano yapılar ile dinamik vulkanize edilmiş TPV'lerin üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of dynamic vulcanized TPVs with hybrid nano-structures

    NAZLI YAZICI ÇAKIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

Geri Dön