Investigation of the dyeability of post-consumer recycled acrylonitrile-butadiene-styrene (PCR-ABS) by using antistatic agent and plasma treatment
Tüketici sonrası geri dönüştürülmüş akrilonitril-bütadien-stirenin (ABS) boyanabilirliğinin antistatik ajan kullanımı ve plazma işlemi vasıtasıyla incelenmesi
- Tez No: 894525
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 97
Özet
Özellikle 20. ve 21. yüzyılda kullanımı yaygınlaşan polimerler, hafiflik ve ucuzluk sağlamaları nedeniyle kullanışlı olmalarından dolayı tercih edilirler. Üretilen bütün plastiklerin yarısına yakınının son 15 yıl içinde üretildiği tahmin edilmektedir. Ancak tek kullanımlık plastikler de dahil olmak üzere plastiklerin yaklaşık %99'u petrolden türetilmektedir. Bu durum, sürdürülebilirliğin gündeme taşınmasına ve endüstrinin odağı haline gelmesine yol açmıştır. Plastiklerin atık yönetimi geri dönüşümle, toprağa gömmeyle ve yakarak enerji eldesiyle yapılmaktadır. Geri dönüşüm en sürdürülebilir atık yönetimi olmasına rağmen, geri dönüştürülmüş polimerler moleküler açıdan hasar aldıklarından birçok durumda düşük özelliklere sahip olur. Polimerler, metal ve seramik malzemelerin aksine moleküler yapıya sahiptir ve eritildiklerinde bu moleküller bir miktar kırılır. Ayrıca, geri dönüştürülecek plastiklerin çoğunlukla karışık hurdalardan oluşması ve atıkları ayrıştırmanın zorluğu, geri dönüştürülen polimerin özelliklerinin tahmin edilebilir olmasını güçleştirmekte ve değer aralığını genişletmektedir. Diğer taraftan, geri dönüşümün çevresel katkılarının yanı sıra, ekonomik katkıları da vardır. Geri dönüştürülmüş polimerler, sıfırdan üretilen polimerlere göre daha ucuza elde edilebilir ve plastik fiyatları sektörde daha karşılanabilir boyutlara gelmiş olur. Diğer yöntemlerden ise toprağa gömme, toprak ve su kirliliği yaratmaktadır; yakma ise karbondioksit (CO2) ile zararlı kimyasalların açığa çıkmasına neden olarak çevreye tehdit oluşturmakta ve geri dönüşüm kaynaklarını sınırlamaktadır. Geri dönüştürülmüş plastikleri ürünlere uygulamanın önündeki en büyük engeller ise yük taşıyan ve yanmaz parçalar, gıda teması gerektiren uygulamalar ve görsel parçalardır. Polimer malzemelerden termoset olanlar, geri dönüştürülemezken termoplastikler ise eritme vasıtasıyla geri dönüştürülebilir. Buna rağmen termoplastiklerin büyük bölümü geri dönüştürülmemekte ve doğada çok uzun yıllar boyunca kalmaktadır. Teknolojik gelişmelerle birlikte, özellikle son yüzyılda, elektrikli ve elektronik ekipman kullanımı da önemli ölçüde artmıştır. Artan elektrikli ve elektronik ekipman üretimi ve tüketimi de atık elektrikli ve elektronik ekipman birikimine neden olmuştur. 2019 yılındaki atık elektrikli ve elektronik ekipman ağırlığı yaklaşık 53,6 milyon tondur. Bunun 2030 yılında %39 kadar artarak 74,6 milyon tonu bulacağı, yani yaklaşık 7400 Eiffel Kulesi ağırlığına eşit olacağı düşünülmektedir. Akrilonitril-bütadien-stiren (ABS), her bir monomerinin farklı avantajlı özellikler sağladığı, sıklıkla kullanılan bir terpolimerdir. Bu monomerlerin her birisi yapıya farklı bir özellik kazandırmakta, dolayısıyla birbirlerine oranları ile oynanarak istenilen özelliklerde ABSler elde edilebilmektedir. Stirenik yapısı sebebiyle ABS parlak bir görünüm kazanmakta ve görünür parçalarda sıklıkla tercih edilmektedir. Bu sebeple ABS, beyaz eşya gibi birçok sektördeki plastik parçalarda kullanılmaktadır. ABSnin içinde bulunduğu stirenik grubu, poliolefinlerle birlikte en çok kullanıma sahip reçinelerden biridir. Bu sebeple kullanılan ABSlerin geri dönüştürülmesi önem arz etmektedir. ABS, geri dönüşüm prosesleri sonrasında düşen mekanik özelliklerine ek olarak daha hidrofobik bir yapı kazanmakta; termal degredasyon sebebiyle oluşan kimyasal değişikliklerden, karışık hurdalardan gelen kirliliklerden ve aldığı yüzey hasarından dolayı düşük adezyon göstermektedir. Görsel uygulamalar için, bölgesel boya hataları geri dönüştürülmüş polimerlerin yaygınlaşmasını kısıtlamaktadır. Bu çalışmada, adezyon problemini gidermek için artan oranlarda antistatik ajan kullanılmıştır. Antistatik ajan, yüzeyde su bazlı bir film yapısı oluşturarak yüzeye hidrofiliklik sağlamaktadır. Ancak antistatik ajanın katılmasıyla mekanik ve termal özelliklerde düşüş yaşanabilmektedir. Ek olarak geri dönüştürülmüş ABSye, yüzeyinde pürüzlülük oluşturmak ve kimyasal aktifliğe sahip polar gruplar yaratmak için plazma işlemi uygulanmıştır. Plazma uygulaması ise, bir yüzey işlemi olduğu için polimerin mekanik ve termal özelliklerini etkilememektedir. Dahası, plazma uygulamasıyla antistatik ajanın sinerjik etkisini araştırmak için, antistatik katkılı seçilmiş formülasyonlara plazma işlemi de uygulanmıştır. Antistatik ajanla veya plazmayla hazırlanmış numunelerin yanı sıra çalışmanın üçüncü fazı olarak iki işlemin de uygulandığı numuneler de hazırlandıktan sonra, yaş boya öncesi yüzey ölçümleri ve yaş boya sonrası boya testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın farklı bir bölümü olarak, antistatik katkılı ve katkısız numunelerin mekanik ve termal özellikleri incelenmiştir. Sonuçlara göre, antistatik ajan ve plazma uygulaması ile önemli ölçüde hidrofiliklik elde edilmiştir. Su temas açısı plazmalı numuneler için 94°'den 85°'ye, en yüksek orandaki katkılı numuneler için ise 60°'ye kadar düşmüştür. Ayrıca, plazma uygulaması sonrası yüzey pürüzlülüğünün arttığı gözlemlenmiştir. İki yüzey işlemi için de plazmalı numunelerde daha yüksek standart sapma görülmüş, bu da prosesin yarattığı homojen olmayan sonuçlar olarak yorumlanmıştır. Ek olarak, %10 ve %15 oranda antistatik ajan içeren numunelerin temas açılarındaki düşüş, plazma uygulamasıyla birlikte azalmış, dolayısıyla daha az hidrofilik yapılar elde edilmiştir. Boya testleri sonrası, %2,5 oranda antistatik ajan içeren numuneler nem ve tuzlu su koşullarına dirençle birlikte %100 adezyon göstermiştir. Ancak artan katkı oranlarıyla daha hidrofilik yüzeyler elde edildikçe, daha kötü boya tutunması gözlemlenmiştir. Antistatik ajanla plazmanın sinerjik etkisi, plazma uygulanan formülasyonların adezyonunu düşürdüğünden pozitif bir etki olarak değerlendirilmemiştir. Bunun sebebi ise, antistatik ajanın yüzeyde yarattığı film mekanizmasının plazma tarafından bozulmuş olması olabilir. Numunelerin renk ve parlaklık değerleri, bu özellikler büyük oranda boyaya bağlı olduğu için değişiklik göstermemiştir. Bunların yanı sıra, mekanik ve termal özelliklerdeki değişiklikler antistatik ajanın plastikleştirici etkisini göstermiştir. %2,5 antistatik ajandan daha yüksek orandaki numunelerin birçok özelliğinde önemli ölçüde düşüş gözlemlenmiştir. En yüksek katkı oranında elastisite modülü %21 düşerken, eğme mukavemeti ise %26'lık düşüş göstermiş ve erime akış indeksi (MFI) 3 katından fazlasına çıkmıştır. Son olarak, boyanın etkileşimleri ve kimyasal davranışı incelendiğinde, boyanın karakteristiğinin hidrofilikten ziyade hidrofobiğe yakın olduğu görülmüştür. Boyalı yüzeylerin su temas açısı 85° civarı gelmiş ve boya testlerinde en başarılı sonuç gösteren numunelerin boyasız yüzeyinin teması açısı olan 87°'ye yakın bir değer göstermiştir. Geri dönüştürülmemiş ABSnin normalde boyanabilir olan yüzeyi de benzer değerler vermiştir. Formülasyonların yüzeyleri bu değerden uzaklaştıkça, daha kötü boya tutunması gözlemlenmiştir. Boyanın suyla ve kloroformla etkileşimi incelendiğinde, boyanın kloroformda dağılarak rengini bütün karışıma verdiği görülürken, suyla bariz bir etkileşime girmediği görülmüştür. Kimyasal bağlanmadan ziyade hidrofobik etkileşimlerin kullanılan boya için tercih edilen tutunma mekanizması olduğu düşünüldüğünden, %2,5 antistatik ajan içeren formülasyon geri dönüştürülmüş ABSnin boyanabilirliği açısından başarılı bulunmuştur. Yüzeyi çok fazla hidrofilik yapmanın; kullanılan boya ile bağlanma için tercih edilir olmadığı, aksine fiziksel zayıf etkileşimlerin daha fazla öne çıktığı sonucuna varılmıştır. Ayrıca geri dönüştürülmüş ABS kullanımının maliyet avantajı getirmesine karşın; antistatik katkının, ABS maliyetinin neredeyse 5 katı olduğu göz önünde bulundurulduğunda maliyet optimizasyonu yapılmış ve %2,5 oranında antistatik katkı kullanılmış geri dönüştürülmüş ABS kullanımının hala maliyeti düşürdüğü görülmüştür. Ancak daha yüksek oranda katkı içeren formüllerin maliyeti orijinal hammadde fiyatlarının da yukarısına çıkmış, bu formüller maliyet açısından da dezavantajlı bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
The polymers, which became widespread especially in the 20th and 21th centuries, are preferred for their usefulness as they provide lightness and inexpensiveness. However, about 99% of the plastics including the single-use ones are derived from the petroleum. As the consequence of that situation, sustainability has brought to the agenda and became the focus of the industry. The waste management of plastics is carried out by recycling, landfill and incineration. Although recycling is the most sustainable disposal management method, recycled polymers have reduced properties in most cases. The challenges for incorporating recycled content into the products are the load-bearing and inflammable parts, food contact applications and visual parts. Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) is a commonly used terpolymer in which each monomer provide different favourable properties to the structure. In addition to its decreased mechanical properties, ABS becomes more hydrophobic after the recycling processes and it may possess poor adhesion due to the chemical alterations caused by thermal degradation, the impurities coming from the mixed scraps and the impaired surface. As for the visual applications, local paint failures may restrict the recycled polymers to become prevalent. In this study, to overcome the adhesion problems, antistatic agent with an increased amount was used. As the antistatic agent forms a water-based film on the surface, hydrophilicity is provided to the surface. However, the mechanical and thermal properties may be decreased after compounding with antistatic agent. Additionally, plasma treatment was applied to the post-consumer recycled acrylonitrile-butadiene-styrene (PCR-ABS) to roughen the surface and create chemically active polar groups. As it is a surface treatment, the plasma does not affect the bulk properties of the polymer. Furthermore, to investigate the synergistic effect of the plasma treatment and antistatic agent, plasma treatment was applied to selected antistatic filled formulations. After preparing the samples by either compounding with antistatic agent or applying plasma treatment and lastly conducting both processes as the third phase, the surface measurements before the wet painting and the paint tests after the wet painting were carried out. Also, as an additional aspect of the study, the mechanical and thermal properties of the samples with and without antistatic agent were investigated. According to the results, a considerable hydrophilicity was obtained with antistatic agent and plasma treatment. The water contact angle was decreased from 94° to 85° and down to 60° with plasma treatment and maximum amount of additive, respectively. Besides, an increase in the surface roughness was observed with plasma treatment. After the paint tests, the sample comprising 2,5% antistatic agent showed humidity and salt spray resistance with a 100% adhesion. Besides, changes in mechanical and thermal properties revealed the plasticising effect of the antistatic agent. With the antistatic agent amount greater than 2,5%, a considerable reduction in most of the properties was observed. The elastic modulus and flexural strength were decreased 21% and 26%, respectively with the maximum additive content while the MFI was increased more than 3-folds. Lastly, when the interactions and chemical behaviours of the paint was investigated, it was seen that the characteristics of the paint was more likely to be hydrophobic than hydrophilic. As the hydrophobic interactions might be the preferred mechanism for the paint rather than the chemical bondings, the compound comprising 2,5% antistatic agent was found as the successful formulation to render the PCR-ABS to be dyeable. Also, considering the fact that PCR-ABS is cheaper than its virgin counterparts, the cost is reduced by incorporating PCR-ABS. However; as the antistatic agent is more expensive than PCR-ABS, having price almost 5 times higher than ABS, cost optimisation was realised and it was found that cost reduction was achieved with the scenario of PCR-ABS with 2,5% antistatic agent. However, for the formulas comprising higher content of antistatic agent, cost-up was obtained.
Benzer Tezler
- Mimari ahşap malzeme üretici ortamının yenilikçilik davranışı ve biyoteknoloji farkındalığı açısından araştırılması
Investigation of the architectural wood material manufacturer environment in terms of innovation behavior and biotechnology awareness
ŞEYMA BÜYÜKKOÇAK ÇIBIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiYapı Fiziği ve Malzeme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇİĞDEM TEKİN
- Yeni nesil yüksek performanslı CuNiSiCo alaşımının incelenmesi
Investigation of the new generation high performance CuNiSiCo alloy
VOLKAN KARAKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN AHLATCI
- Algılanan kalite ve beyaz eşya sektöründeki uygulamaları
Perceived quality and applications on household appliances industry
SELEN ŞEVKİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKonstrüksiyon ve İmalat Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VEDAT TEMİZ
- Nano-silika kullanılarak üretilen betonların mekanik, elastik ve inelastik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the mechanical, elastic and inelastic properties of concrete produced using nano-silica
HASAN NURİ TÜRKMENOĞLU
Doktora
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN NURİ ATAHAN
- Seçili branşlarda faaliyet gösteren lise düzeyi sporcuların sakatlanma nedenlerinin incelenmesi (Diyarbakır örneği)
Investigation of the reasons of disability of high school level athletes in selected branches (Di̇yarbakir sample)
YUSUF GÖZAÇIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
SporFırat ÜniversitesiBeden Eğitimi ve Spor Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YÜKSEL SAVUCU