Processing of ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) with regular and special injection molding technologies
Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen'in (UHMWPE) standart ve özel enjeksiyon kalıplama teknolojileri kullanılarak işlenmesi
- Tez No: 851532
- Danışmanlar: PROF. DR. LİH-SHENG TOM TURNG
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Mechanical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of Wisconsin-Madison
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Bu çalışmada, özgün bir ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen (UHMWPE) polimerinin hem toz hem de granül formunda işlenmesi, standart ve özel enjeksiyon kalıplama teknikleri kullanılarak araştırıldı. Bu araştırmanın amacı, bu yüksek kaliteli özel polimerin seri üretimini sağlamaktır. Çalışmanın hedefleri; (i) UHMWPE'nin işlenirliğini artırmak, (ii) kalıplanmış parçaların mekanik performansını ve genel kalitesini yükseltmek, ve (iii) süperkritik sıvı (SCF), makine yapılandırması, kalıp sıkıştırması, kalıp yalıtım teknikleri ve işlem koşullarının, UHMWPE'nin akış davranışı ve enjeksiyonla kalıplanmış son kalitesi üzerindeki etkilerini derinlemesine anlamaktır. İlk araştırmada, UHMWPE granüllerinin işlenmesi için özel bir tam şarjlı, yüksek basınçlı mikro hücresel enjeksiyon kalıplama (MIM) sürecinde işleme yardımcıları olarak iki yaygın atmosferik gazın süperkritik halleri, yani nitrojen (scN2) ve karbon dioksit (scCO2) kullanıldı. SCF yüklü örneklerin çekme mukavemeti, Young modülü ve kopmada uzama gibi mekanik özellikleri incelendi. Ayrıca, düzgün ve SCF yüklü örneklerin termal ve reolojik özellikleri sırasıyla diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve paralel plaka reometrisi ile analiz edildi. Bulunanlar, her iki gazın kullanımıyla UHMWPE'nin işlenmesinin, düzenli enjeksiyon kalıplamasına kıyasla malzemenin termal bozulmasını ve enjeksiyon basıncını etkili bir şekilde azalttığı, ancak yine de reçinenin mekanik özelliklerini koruduğu yönündeydi. İkinci bölümde, granül formunda UHMWPE kullanılarak geleneksel enjeksiyon kalıplama (IM) ve özel tam şarjlı, yüksek basınçlı mikro hücresel enjeksiyon kalıplama (MIM) üzerine bir çalışma yapıldı. Karmaşık ve ince duvarlı bir kalıp tasarımı kullanılarak, farklı duvar kalınlıklarına sahip kutu şeklinde parçalar üretildi. Kalıcı kısa şarj sorunlarını çözmek için farklı işlem ayarları denendi; ancak, yalnızca yüksek basınçlı MIM işlemi parçaları tamamen doldurmayı başardı. Ayrıca, yüksek basınçlı MIM işlemi, UHMWPE'nin işlenirliğini sadece teşvik etmekle kalmadı, aynı zamanda çok yüksek enjeksiyon basıncı ihtiyacını ve IM örneklerinde görülen yüksek parça büzülme sorunlarını da azalttı. Üçüncü araştırmada, UHMWPE tozu enjeksiyon kalıplama (IM) ve enjeksiyon-kompresyon kalıplama (ICM) ile işlendi. Tozların beslenmesiyle ilgili işlem parametreleri, doğru dozajın sağlanması ve UHMWPE'nin moleküler yapısının zarar görmemesi için optimize edildi. Dinamik mekanik analiz (DMA) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) testleri, malzemenin termal ve oksidatif bozulmasının en aza indirildiğini ancak kalıplama sırasında çapraz bağların oluştuğunu onayladı. Çekme ve darbe testleri, ICM örneklerinin IM örneklerine göre daha üstün olduğunu gösterdi. IM örneklerin yüzeylerinde bir delaminasyon deri tabakası oluşurken, ICM örneklerinde bu görülmedi, bu da sıkıştırma aşaması sırasında IM ve ICM arasında farklı akış davranışları olduğuna işaret etti. Dördüncü araştırmada, UHMWPE kalıplamanın ana zorluklarından biri olan delaminasyon tabakası kusuruna odaklanıldı. Delaminasyon tabakası, UHMWPE'nin iki temel özelliği olan aşınma direnci ve darbe dayanımını olumsuz etkiler. Delaminasyon tabakasının oluşumunu önlemek için bir kalıp yalıtım yöntemi kullanıldı. Bu yöntemin çalışma prensibi, enjeksiyon doldurma aşamasında polimerin soğuma hızını ve kesme gerilimini azaltırken, düşük termal iletkenliğe sahip bir kalıp kaplaması (örneğin, epoksi kaplama) kullanarak polimer zincirlerin entegre zincir demetleri arasında“interdifüzyonunu”iyileştirmekti. Bu yöntem, dolum ve paketleme sırasında cildin soğumasını geciktirerek delaminasyonsuz kalıplanmış parçalar üretti ve böylece mükemmel darbe dayanımı ve iyileştirilmiş yüzey kalitesi ile birlikte geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip parçalar üretildi.
Özet (Çeviri)
In this work, the processing of a unique ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) polymer, in both powder and pellet form, using both regular and special injection molding techniques, was investigated in an effort to mass produce this high-grade specialty polymer. The goals of this study were to (i) improve the processability of UHMWPE, (ii) enhance the mechanical performance and overall quality of the molded parts, and (iii) develop an in-depth understanding of how the supercritical fluid (SCF), machine configuration, mold compression, mold insulating techniques, and process conditions affect the flow behavior and final quality of the injection molded UHMWPE. In the first study, two common atmospheric gases in their supercritical states—namely, nitrogen (scN2) and carbon dioxide (scCO2)—were used as processing aids in a special full-shot, high-pressure microcellular injection molding (MIM) process for processing UHMWPE pellets. The mechanical properties in terms of tensile strength, Young's modulus, and elongation-at break of the SCF-loaded samples were examined. The thermal and rheological properties of regular and SCF-loaded samples were also analyzed using differential scanning calorimetry (DSC) and parallel-plate rheometry, respectively. It was found that the processing of UHMWPE with both gases effectively reduced the thermal degradation of the material and the injection pressure, compared to regular injection molding, while still retaining the mechanical properties of the resin. In the second part, a follow-up study was conducted on conventional injection molding (IM), along with the special full-shot, high-pressure microcellular injection molding (MIM) using UHMWPE in pellet form. A relatively complicated and thin-walled mold design was used to produce box-shaped parts with varying wall thickness. Although different processing settings iii were tested in order to eliminate persistent short shot issues, only high-pressure MIM processing was able to fill parts completely. Furthermore, not only did high-pressure MIM processing effectively promote the processability of UHMWPE, it also reduced the very high injection pressure requirement and the high part shrinkage issues associated with the IM samples. In the third study, UHMWPE powder was processed using injection molding (IM) and injection–compression molding (ICM). The processing parameters of feeding the powders were optimized to ensure proper dosage and to avoid damaging UHMWPE's molecular structure. Dynamic mechanical analysis (DMA) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) tests confirmed that the thermal and oxidative degradation of the material was minimized but crosslinking was induced during molding. Tensile tests and impact tests showed that the ICM samples were superior to the IM samples. A delamination skin layer was formed on the IM sample surfaces, while it was absent in the ICM samples, thus suggesting two different flow behaviors between IM and ICM during the packing phase. The delamination layer defect was the subject of the fourth study as one of the main challenges of UHMWPE molding. The delamination layer hampers UHMWPE's two key properties: wear resistance and impact strength. A mold insulation method was employed to eliminate the formation of the delamination layer. The working principle of the method was to reduce the cooling rate and the shear stress of the polymer while improving polymer chain“interdiffusion”across the entangled chain bundles during the injection filling stage via a low thermal conductivity mold coating (e.g., epoxy coating). This method yielded molded parts free of delamination by delaying skin cooling during filling and packing. Therefore, it produced parts with enhanced mechanical properties, excellent impact strength, and improved surface quality
Benzer Tezler
- İnce cidarlı ABS parçaların işlenmesi için kesme parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of cutting parameters of machining thin walled ABS parts
BURAK TAHA KEKLİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Bimodal fonksiyonel dokusuz hava filtrelerinin üretimi ve geçirgenlik özelliklerinin karakterizasyonu
Production of bimodal functional non-woven air filters and characterization of their permeability properties
ALİ TOPTAŞ
Doktora
Türkçe
2023
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Polimer kaplı ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen kompozit levhaların balistik performansının araştırılması
Investigation of the ballistic performance of polymer coated ultra-high molecular weight polyethylene composite sheets
ERHAN ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMekanik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT ÇALIŞKAN
DOÇ. DR. MURAT AYDIN
- Membran biyoreaktörlerde (MBR) tıkanmaların önlenmesi için yetersayı etkisinin azaltılması (Quorum quenching) mekanizmasının kullanılması
Using Quorum quenching mechanism to prevent fouling in membran bioreactors
MELTEM AĞTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Seçici geçirgen nano tekstil yapılarda alternatif yöntemlerin incelenmesi
The investigation of alternative methods in selective permeable nano textile structures
ÇETİN AKA
Doktora
Türkçe
2023
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYSUN AKŞİT