Geri Dön

Enhancement of interfacial properties for high performance polyethylene fibers produced via gel spinning

Jel çekme yöntemi ile üretilen yüksek performanslı polietilen liflerin arayüz özelliklerinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 810415
  2. Yazar: OĞUZ KAĞAN ÜNLÜ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: 86

Özet

Polietilen, düşük maliyeti, yüksek kimyasal direnci, iyi elektrik yalıtım özellikleri, kolay işlenebilirliği ve düşük sıcaklıklarda bile güçlü ve esnek olması gibi özellikleri nedeniyle birçok alanda yaygın olarak kullanılan uzun zincirli alifatik bir hidrokarbondur. Termoplastik polimer piramidine göre, polimerler moleküler ağırlığı arttıkça daha iyi performans sergilerler, buna karşılık işlem seçiminde sınırlayıcı ve belirleyici faktör moleküler ağırlıktır. Yüksek moleküler ağırlığa sahip polietilen lifler, yüksek kopma dayanımı ve young modülüne sahip olacak şekilde işlenebilir. UHMWPE'den üretilen yüksek performanslı polietilen lifler, savunma sanayi, denizcilik, otomotiv, tıp gibi birçok alanda tercih edilmekte ve geleceğin endüstri sahnesinde ihtiyaç duyulmaktadır. Yüksek performanslı polietilen lifler, ham madde UHMWPE'nin (1-6x106 g/mol) parafin yağı gibi uygun bir çözücüde ısı altında homojen dağılımı sonrasında, jel çekme yöntemi kullanılarak üretilmektedir . Jel çekme yöntemi, yaş çekme yöntemi ile karıştırılmamalıdır. Jel çekme yönteminde düze paketi koagülasyon veya ekstraksiyon banyosunun içinde değildir. Banyolar ve düze paketi arasında 1-25 mm hava boşluğu bulunmaktadır. Düzeden çıkan polietilen jel önce soğutma banyosu ve daha sonra ektraksiyon banyosundan geçirilir, ardından kurutulup makaraya sarılır. UHMWPE çözelti oranı ve çekme hız/oranı, lif mukavemetini artırmak için bu süreçte en önemli işlem parametrelerindendir. Bu çalışmada, ağırlıkça %8 konsantrasyonda UHMWPE jel lifler, belirli katkılarla süspanse edilerek jel çekme yöntemiyle üretilmiştir. Jel çekme için, önceki çalışmalardan farklı olarak, 1.75 mm çapında monofilament düze ile zıt yönlü çift vidalı ekstruder kullanılmıştır. Çift vida ekstrüzyon hızı, polietilen moleküllerine uygulanan kesme kuvveti üzerinde önemli bir etkiye sahiptir ve çözünme sürecini etkiler. Çift vida hızı çok düşük olduğunda, polietilen moleküllerine uygulanan kesme kuvveti yetersiz kalır ve bu da parafin yağ çözücüsünde yetersiz karışma ve çözünmeyle sonuçlanır. Eğer vida hızı yüksek olursa tam olarak jelleşme gerçekleşemez. UHMWPE'nin çözücüsü olarak parafin yağı seçilirken, parafin yağının liflerden ekstrakte edilmesi için n-hekzan kullanılmıştır. Ekstraksiyon sıvısı olarak kullanılan n-hekzanın sıcaklığı ekstraksiyon süresini etkileyen parametlerden biridir. Bu çalışmada oda koşulları seçilmiştir. Çözücü çıkarımını takiben, lifler farklı oranlarda sıcak çekime tabi tutulmuştur. Bu yöntem, yeni oluşan zincir yapısını stabilize etmeye, öncü grupların kristallenmesini artırmaya, ekstrüde edilen polimer zincirinin geri katlanmasını önlemeye ve lifin termal bozunmasını en aza indirmeye yardımcı olur. Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) yardımıyla, ekstrakte edilmiş sıcak çekim uygulanmış, sıcak çekim uygulanmamış ve jel halindeki liflerin termal özellikleri incelenmiştir. DSC verileri, jel halindeki liflerden (ekstrakte edilmemiş), ekstrakte edilmiş fakat sıcak çekime tabi tutulmamış liflerden ve ekstrakte edilmiş sıcak çekime tabi tutulmuş liflerden elde edilmiştir. Jel halindeki liflerde büyük miktarda parafin yağı bulunmakta ve parafin yağı kristalleşmediği için jel lifin erime tepe noktası, çekilmiş ve çekilmemiş liflere göre daha küçüktür. Parafin yağın ekstrakte olmasıyla birlikte polimer zincirleri daha düzenli yapıya geçme eğilimi göstermişlerdir. Çekilmiş liflerden elde edilen DSC verilerinde 2 adet omuz piki görülmektedir. Bunlar ortorombik hekzagonal geçişleri göstermektedir. Ortorombik hekzagonal geçiş, sıcaklık, basınç ve diğer dış etkenler sonucunda atomların pozisyonundaki değişikliklerden kaynaklanır ve malzeme yeni bir kristal yapıya sahip olur. Çekme oranlarının performans üzerindeki etkisi çekme testleriyle araştırılmıştır. Çekme oranı arttıkça, kalınlık en az 40 mikrona kadar düşürülmüş ve çekme dayanımı maksimum 322,71% oranında artmıştır. Sıcak çekim uygulamasında liflerde kısmi degredasyon ve erime bölgeleri gözlenmiştir. Sıcak çekim süresince, rezistans yüzeyinin liflere temas etmesiyle oluştuğu düşünülmektedir ve taramalı elektron mikroskop ile bu düşünce desteklenmektedir. Üretilen liflerin SEM görüntülerinde mikrofibril yapı elde edildiği görülmüştür. Liflerin yanı sıra son zamanlarda UHMWPE liflerden üretilen kompozit yapılar gelişme göstermektedir. Bir çok alanda kullanılan bu kompozitler yüksek mekanik dayanımı ve hafifliği, kimyasal direnci açısından avantajlıdır. Üretilen liflerle hafif ve dayanımı yüksek kompozit uygulamaları çalışılmıştır. Bu tezde, lifler ile epoksi reçine arasındaki etkileşimi artırmak için yaygın olarak kullanılan asit ile yüzey aşındırma ve corona deşarj yöntemleri incelenmiştir. Corona deşarj işlemi yüksek gerilimli iletken varlığında hava gibi akışkan bir gazın iyonlaşmasıyla meydana gelen bir deşarj işlemidir. Corona deşarj işlemi, plastik malzemelerin boya tutma özelliklerini iyileştirmek, medikal alanda kullanılan implantların yüzey uyumluluğunu artırmak, elektronik malzemelerin yapışma özelliğini geliştirmek gibi bir çok endüstriyel alanda kullanılmaktadır. Corona deşarj işlemi sırasında farklı voltajlarda, farklı sürelerde corona deşarja maruz bırakılan liflerin FTIR sonuçları incelenmiş ve arasından en iyi parametrenin 12 kV 10 dakika olduğu gözlenmiştir. Çalışmada uygulanan aşındırıcı karışım nitrik asit, sülfürik asit ve su karışımından oluşmuştur. Tez sonuçlarına göre, asit aşındırma işlemi ve corona deşarj yöntemi, UHMWPE lif/epoksi kompozitlerinin arayüz özelliklerini geliştirmede etkili olduğu bulunmuştur. FTIR sonuçlarına göre özellikle asit aşındırma işlemi, lif yüzeyinde fonksiyonel grupların oluşmasında başarılı olmuştur. Bu yüzden kompozit üretiminde asit aşındırma yöntemi seçilmiştir. Oluşan fonksiyonel gruplar lif ile epoksi reçine arasındaki yapışmayı ve etkileşimi artırmıştır. Asit aşındırmadan kaynaklanan pürüzlü yüzey, lifin yüzey alanını ve yüzey enerjisini arttırmaktadır. Bu, lif ile epoksi reçine matrisi arasında daha iyi ıslanma ve yapışma sağlamaktadır. Daha sonra epoksi ile kimyasal çapraz bağlamak için UHMWPE lif üzerine gluteraldehit graftlanmıştır. Epoksi reçinede epoksi olarak Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA), kürleştirici ajan olarak amin bazlı Isophorone diamine (IPDA) kullanılmıştır. Amin üzerinden ilerleyen çapraz bağlanmada epoksi reçine üzerinde hidroksil grupları boşta kalmaktadır. Gluteraldehit (GA) güçlü bir antibakteriyel etkiye sahip bir aldehit türevidir. GA, polimer zincirleri arasında kimyasal bağlar oluşturarak, kompozitlerin mekanik dayanımını arttırma etkisi göstermektedir. Liflerin yüzeyine graftlanan gluteraldehit ile iki yüzey arasında asetal köprüleri oluşmaktadır. Bunu doğrulamak için gluteraldehit graftlanmış UHMWPE lifin FTIR sonuçları incelenmiştir. C-O bağlarının oluşumu çapraz bağlanmayı kanıtlar niteliktedir. 0.3 gr UHMWPE lif belirli ölçülerdeki kalıba yatırılmış ve epoksi döküm işlemi yapılmıştır. 36 saat boyunca oda sıcaklığında ve vakum altında kürleşen epoksi, çekim testine tabi tutulmuştur. Epoksinin, işlem yapılmamış UHMWPE lifin ve yüzeyi tedavi edilmiş gluteraldehit aşılanmış lifin çekim testine göre ara yüzey uyumlaştırmasının başarılı olduğu görülmüştür. Boş epoksi numunesine göre 99.35% bir artış gözlenmiştir. Çapraz bağlanma, lifler ile epoksi matris arasındaki yük transferini ve ara yüzey yapışmasını geliştirerek kompozitin mekanik dayanımını ve termal stabilitesini arttırmaktadır. Üretilen kompozitlerin SEM görüntülerinde, yüzeyi tedavi edilmemiş liflerin matris ile yaptığı ara yüzeyde herhangi bir teması yokken, tedavi uygulanmış liflerin kilitlenme yaptığı görülmüştür. Bu sonuç ara yüzey kesme kuvvetinin arttığına işaret etmektedir.

Özet (Çeviri)

Fibers are materials with high length/diameter ratios, having adjustable fineness, mechanical properties. High performance fibers exhibit excellent mechanical properties such as high modulus, high strength, high abrasion resistance, thermal resistance, low density. One of the methods used to produce high performance fibers is gel spinning, in which the chains are partially entangled in liquid-gel form and connection with each other , rather than solution or melt unlike other methods (dry spinning, wet spinning, melt spinning). In this thesis, ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) was dissolved in paraffin oil and high performance UHMWPE fibers were obtained by gel spinning method. The gel obtained by dissolving UHMWPE in paraffin oil is formed into filaments by passing through the spinnerettes after extrusion, then passes through the quenching and extraction bath, drying and winding in the final stage. High tensile strength, low specific density, great impact resistance, and exceptional chemical resistance are just a few of the excellent qualities of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber. It is frequently utilized in fishing, aircraft, biomedicine, and ballistic, among other things. UHMWPE fiber has a very high degree of crystallinity (>99%) and macromolecular orientation (>95%), which leads to a high modulus and tenacity of UHMWPE fiber. Gel spinning is a difficult and advanced engineering process. UHMWPE concentration is one of the parameters that determine fiber strength which was kept as 8% wt in this study. For this research, n-hexane was used in the extraction bath to remove paraffin oil from spun UHMWPE fibers. Following the solvent extraction procedure, the fibers undergoing hot drawing with different drawn ratios. The differential scanning calorimeter is used to analyze the thermal and crystallization properties of the fibers in their drawn, undrawn, and gel-state forms. Two newly peaks are observed when DR reached to 40. These peaks shows orthorombic-hexagonal transition. An orthorhombic structure represents a prism-like crystal structure with three unequal edges and internal angles, whereas a hexagonal structure resembles a hexagon with six equal edges. The tensile test was used to reveal the effect of drawn ratios on performance and it was revealed that with the increase in drawn ratio, the mechanical strength would increase by a maximum of 322.71%. Simultaneously, this thesis also focuses on investigating the enhancement of interface properties in UHMWPE fiber/epoxy composites.There are numerous surface treatment methods used to improve the coaction between fibers and composite materials, chemical etching and corona discharge are two commonly used methods to enhance the fiber- epoxy interaction. In this thesis study, the optimum corona discharge result was revealed by experiments performed at different voltage and time parameters. Then, the obtained results from corona discharge method were compared with the results obtained when the surface was modified via chemical etching, and it was seen that hydroxyl and carboxyl groups were formed on the surface more effectively in the chemical etching method. Glutaraldehyde, which is used as a cross-linking agent in chemical etching method, can form bonds with OH functional groups due to its chemical structure. Thus, the hydroxyl groups formed on the UHMWPE fibers become able to cross-link with the hydroxyl groups in the epoxy. Tests have shown an increase in both mechanical performance and adhesion.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    884118

    Industrial scale sustainable nanocomposite production by melt mixing technique

    Eriyik harmanlama tekniği ile endüstriyel ölçekte sürdürülebilir nanokompozit üretimi

    NESRİN AVCIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR

    DR. MUSTAFA DOĞU

  2. Tez No

    202742

    High performance biodegradable starch/LDPE nanocomposites prepared via twin screw extruder

    Çift burgulu ekstruder ile hazırlanan yüksek performanslı biyobozunur nişasta/AYPE nanokompozitleri

    FUNDA İNCEOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    KimyaSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF ZİYA MENCELOĞLU

  3. Tez No

    886014

    Termoplastik kompozitlerde arayüzey özelliklerinin bor nitrür katkılı haşıllama dispersiyonları kullanımıyla geliştirilmesi

    Enhancement of interfacial properties in thermoplastic composites using boron nitride doped sizing dispersions

    REYHAN ÖZBAŞ KARAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMEK DERUN

    DR. MUSTAFA DOĞU

  4. Tez No

    540209

    Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes

    Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi

    REYHAN ŞENGÜR TAŞDEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyokimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU

  5. Tez No

    75047

    Gaz enjeksiyon ve elementel karbon ilavesi yöntemleri ile tic takviyeli alüminyum matrisli kompozit üretimi

    Başlık çevirisi yok

    IŞIL ÇEVİKER KERTİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. H. ERMAN TULGAR

Geri Dön