Geri Dön

Effect of coupling agent addition on the mechanical and thermal properties of mineral filler filled polypropylene

Mineral dolgulu polipropilene uyumlaştırıcı eklenmesinin mekanik ve termal özelliklerine etkisi

PDF İndir

  1. Tez No: 928381
  2. Yazar: DAMLANUR ERÜLKÜ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BİHTER ZEYTUNCU GÖKOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

Polimerlerin kullanımı, 20. ve 21. yüzyılda teknolojik ilerlemeler ve endüstriyel ihtiyaçların artması ile dramatik bir şekilde yükselmiştir. Polimerler, hafif ve ekonomik olmalarının yanı sıra yüksek korozyon direnci, kimyasal direnç, iyi yalıtım özellikleri, düşük nem emilimi ve kolay işlenebilirlik gibi üstün özellikleri ile birçok sektörde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Beyaz eşya, otomotiv, mobilya, paketleme ve inşaat sektörleri, bu malzemelerin sağladığı avantajlardan faydalanmaktadır. Polipropilen (PP), en çok kullanılan polimerler arasında yer almaktadır. Sektörel gelişmeler ve farklı ürün gruplarının üretim ihtiyaçları, maliyet avantajı sunan, kolay erişilebilir ve aynı zamanda yüksek mekanik ile termal özelliklere sahip kompozit malzemelere olan talebi artırmıştır. Bu duruma örnek olarak, çamaşır makinelerinin yıkayıcı kurutucu ürün gamında kullanılan kazan komponentleri ile otomotiv endüstrisinde sıklıkla karşılaşılan motor kapakları gösterilebilir. Polimerlerin performansını artırmak ve farklı uygulamalara uygun hale getirmek için dolgu malzemeleri ve uyumlaştırıcılar kullanılmaktadır. Bu sayede, birçok farklı polimer bazlı kompozit üretilebilmektedir. Bu kompozitlerin nihai özellikleri, matris polimerinin özelliklerine, kullanılan dolgu malzemelerinin türüne ve matris ile dolgu arasındaki ara yüzeyin özelliklerine bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Yüksek mekanik dayanımın yanı sıra sıcaklık dayanımı da polimer ve polimer bazlı kompozitlerin kullanımı için kritik öneme sahiptir. Bu bağlamda, ucuz ve kolay erişilebilir olmaları nedeniyle mineral dolgular, polimer özelliklerini iyileştirmek için sıklıkla tercih edilen malzemeleridir. Mineral dolgular, yalnızca polimerlerin mekanik özelliklerini artırmakla kalmaz, aynı zamanda sıcaklık dayanımını da iyileştirir. Kalsiyum karbonat, talk, silika, kaolin ve mika, en çok kullanılan mineral dolgular arasında yer alır. PP apolar bir polimerdir ve bu nedenle çoğunlukla polar yapıda olan mineral dolgular ile düşük uyumluluk göstermektedir. Bu da mineral dolguların polimer matris ile yeterli bağ kuramamasına sebep olmakta ve matris içerisinde dolguların homojen dağılmasını engellemektedir. Uyumlaştırıcı kullanılmadığında mineral dolgular kümelenerek matris içerisinde dağılmama eğilimindedir. Bunun sonucunda üretilen malzemeden beklenen mekanik ve termal özellikler elde edilemeyebilir. Bu olumsuz durumun önüne geçebilmek adına polipropilen ile matris arasında etkileşimi arttırmak, aglomerasyonun önüne geçerek dolgunun homojen dağılımını sağlamak ve yük iletiminin verimli şekilde sağlamak amacı ile uyumlaştırıcılar kullanılır. Uyumlaştırıcı olarak silan, titan, stearik asit gibi yüzey modifikasyonları ve maleik anhidrit ile modifiye edilmiş polimerler sıklıkla tercih edilirler. Optimum özellikleri elde elebilmek için kullanılacak uyumlaştırıcı polimer ve mineral dolgunun özellikleri göz önüne alınarak seçilmelidir. Ayrıca, uyumlaştırıcı miktarının da uygun şekilde ayarlanması kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, maleik anhidritle modifiye polimerler olan maleik anhidrit modifiye polipropilen (MA-g-PP) ve maleik anhidrit modifiye etilen propilen kauçuğu (MA-g-EPR) kullanılmıştır. Ayrıca, yüzey modifikasyonunun performansını değerlendirmek üzere stearik asit kaplı kalsit, silan kaplı kaolin ve silan kaplı silika gibi yüzey modifikasyonlu dolgular da incelenmiştir. Tezin ilk bölümünde, matris malzemeleri hazırlanmıştır. PP'ye ek olarak çift vidalı ekstrüder yardımı ile PP + MA-g-PP ve PP + MA-g-EPR ön karışımları hazırlanmıştır. Matris tüm formüllerde %80'dir. Dolgu malzemeleri olarak kalsiyum karbonat, kaolin ve silika kullanılmıştır. Dolgu miktarı sabit ve her kompozit için %20'dir. Yüzey modifikasyonlu versiyonlarında ise stearik asit kaplı kalsit, silan kaplı kaolin ve silan kaplı silika tercih edilmiştir. Yüzey modifikasyonları ilgili mineralin özellikleri değerlendirilerek, dolgudan maksimum verimi alabilecek şekilde belirlenmiştir. Nihai formüllerin üretimi çift vidalı ekstrüder yardımı ile tamamlanmıştır. Test çubuk ve plakaları enjeksiyon prosesi ile hazırlanmıştır. Mineral dolgulu polipropilen için farklı mineral dolgular ve uyumlaştırıcıların kullanımı farklı performanslar göstermiştir. Uyumlaştırıcı kullanımının matris ile dolgular arasındaki bağlanmayı güçlendirirken mekanik ve termal özellikleri de iyileştirebildiği görülmüştür. Çalışma boyunca fiziksel özellikleri incelemek adına yoğunluk ve kül, mekanik özellikleri incelemek adına çekme, eğme ve darbe testleri gerçekleştirilmiştir. Yük altında termal özellikleri görmek için HDT testi yapılmıştır. Dolguların matris içindeki dağılımını incelemek üzere, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Test sonuçları incelendiğinde, mineral dolgu kullanımıyla üretilen tüm kompozitlerin, saf polipropilene kıyasla daha yüksek yoğunluğa sahip olduğu görülmüştür. Bu durum, mineral dolguların yoğunluklarının genellikle polimerlere oranla daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Kalsit dolgusu kullanılarak yapılan deneylerde, en yüksek elastik modül ve akma dayanımı değerleri MA-g-PP uyumlaştırıcısı eklenmesiyle elde edilmiştir. Bu uyumlaştırıcı, kalsit ile polipropilen matrisi arasında bağlanmayı güçlendirerek, kompozitin mekanik özelliklerinde belirgin bir iyileşme sağlamıştır. Ayrıca, stearik asit kaplı kalsit kullanımıyla, dolgunun fiziksel bağlanması daha etkili bir şekilde sağlanmış ve kalsitin matris içerisinde daha homojen bir şekilde dağılması mümkün olmuştur. Homojen dağılım, yalnızca mekanik özellikleri artırmakla kalmamış, aynı zamanda dolgunun yük taşıma kapasitesini de optimize etmiştir. Termomekanik özellikleri incelendiğinde silan kaplı kaolin diğer kaolin dolgulu kompozitlere göre daha iyi performans göstermiştir. Silan kaplı kaolinin termal özellikleri oldukça yüksektir. Ayrıca SEM analizleri incelendiğinde, silan kaplamanın, kaolin yüzeyinde güçlü bir etkileşim sağlayarak polimer matris ile dolgu arasındaki ara yüzeyi iyileştirdiği görülmüştür. Silan ile yüzey modifikasyonu yapılmış silika için yapılan değerlendirmelerde de benzer bir sonuç elde edilmiştir. Silan kaplama, silikanın polipropilen ile olan uyumunu artırmış ve silikanın matris içerisinde homojen bir şekilde dağılmasını sağlamıştır. Böylece, mekanik ve termal özelliklerde anlamlı iyileşmeler elde edilmiştir. Tüm kompozitler içim hem yüzey modifikasyonu hem de MA-g-PP kullanılan senaryoda ise yüksek sonuçlar elde edilememiştir. Bunun sebebi olarak malzemelerin hazırlanma aşamasında ilk olarak PP ve MA-g-PP ön karışımı hazırlanırken, nihai formül üretiminde yüzey modifikasyonu uygulanmış dolguların eklenmesi gösterilebilir. MA-g-EPR katkılı kompozitlerde ise farklı bir performans profili gözlenmiştir. Bu uyumlaştırıcı, elastomerik faza sahip olmasından kaynaklı olarak darbe dayanımını önemli ölçüde artırmıştır. Yüksek darbe dayanımı gerektiren uygulamalar için bu özellik oldukça avantajlıdır. Ancak, MA-g-EPR içeren kompozitlerin genel mukavemeti ve termal dayanımı nispeten düşük kalmıştır. Bunun sebebi, elastomerik fazın, matrisin genel rijitliğini ve sıcaklık altında şekil koruma kapasitesini olumsuz etkilemesidir. Dolayısıyla, MA-g-EPR, yüksek darbe dayanımı ancak düşük mekanik özellikler ve termal dayanım gereksinimi olan uygulamalar için tercih edilebilir. Sonuç olarak termal ve mekanik özellikler bütünsel olarak incelendiğinde MA-g-PP ile kalsit verimli çalışırken, silan kaplı kaolin ve silan kaplı silika da yüksek performans göstermiştir. En yüksek mukavemet ve termal dayanım PP ve silan kaplı kaolin içeren kompozitte elde edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Polymers are used in many industries such as white goods, automotive, and construction. Generally, polymers light weight, low cost, high corrosion and chemical resistance, insulation properties, and ease of processability. Among the most preferred polymers, polypropylene (PP) stands out. By using fillers and coupling agents, many polymer-based composites can be produced for specific applications. The final properties of composite materials are significantly influenced by various factors, including the inherent properties of the matrix polymer, the specific characteristics and nature of the fillers used, as well as the quality and compatibility of the interface formed between the matrix and the fillers. In addition to high mechanical strength, temperature resistance is also critical for the use of polymers and polymer-based composites. Mineral fillers are widely utilized in composite applications thanks to their cost effectiveness and high availability. Mineral fillers improve both the mechanical properties and temperature resistance of polymers. PP is an apolar polymer, so it generally shows low compatibility with mineral fillers, which are often polar in nature. This leads to weak adhesion between the fillers and the polymer matrix, preventing the homogeneous distribution of the fillers within the matrix. To overcome this, coupling agents are used to increase the interaction between the polypropylene matrix and the fillers, prevent agglomeration, ensure the homogeneous distribution of the fillers, and achieve efficient load transfer. In this study, maleic anhydride grafted polymers such as maleic anhydride modified polypropylene (MA-g-PP) and maleic anhydride modified ethylene propylene rubber (MA-g-EPR) were used. Surface modifications are also commonly preferred due to their ease of application. Surface-modified versions of calcite, kaolin, and silica were also tested in this study. In the first section of the thesis, matrix materials were prepared. In addition to PP, PP + MA-g-PP and PP + MA-g-EPR matrices were produced with a twin-screw extruder. The matrix was used at 80% in all formulations. The fillers used were calcium carbonate, kaolin, and precipitated silica and they were used 20%. For surface modification versions, stearic acid coated calcite, and silane coated kaolin and silica were chosen. Surface modifications were selected to achieve maximum efficiency from the relevant mineral filler. The final formulations were produced using a twin screw extruder. The use of different mineral fillers and coupling agents for polypropylene composites showed varying performances. The use of coupling agents strengthened the bonding between the matrix and the fillers, improving thermomechanical properties. Throughout the study, density and ash content were analysed to examine physical properties, while tensile test, flexural test and impact test were completed to examine mechanical properties. To assess the thermal properties under load, an HDT test was performed. The distribution of fillers within the matrix was analysed through scanning electron microscopy (SEM). When the test results were analysed, MA-g-PP was found to work efficiently with calcite, while silane coated kaolin and silica also showed high performance. The highest strength and thermal resistance were achieved in the PP + silane coated kaolin composite.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    576701

    Karbon elyaf,grafen nanoplatelet ve zincir uzatıcı katkıların poliamit 6,6 kompozitlerin özellikleri üzerine eş zamanlı etkisinin incelenmesi

    Synergetic effect of graphene nanoplatelet,carbon fiber and coupling agent addition on the tribological,mechanical and thermal properties of polyamide 6,6 composites

    ECEM KARATAŞ DEMİRAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TANER YILMAZ

  2. Tez No

    849116

    Titanat bağlayıcı ajanının odun tozu katkılı sert poliüretan köpük kompozitlerin özelliklerine etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of titanate coupling agent on the properties of wood powder added rigid polyurethane foam composites

    YASEMİN UYGUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik BilimleriBursa Teknik Üniversitesi

    Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MERAL AKKOYUN KURTLU

  3. Tez No

    672689

    Alkil keten dimerin doğal lif ve cam elyaf takviyeli biyopolimer kompozitlerin performans özellikleri üzerine etkisi

    The effect of alkyl ketene dimer on the performance properties of natural fiber and glass fiber reinforced biopolymer composites

    SENA ÇAYLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Mühendislik BilimleriBursa Teknik Üniversitesi

    Biyokompozit Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT ERTAŞ

    PROF. AYFER DÖNMEZ ÇAVDAR

  4. Tez No

    723063

    Development of new generation, high performance polypropylene composites

    Yeni nesil, yüksek performanslı polipropilen kompozitlerin geliştirilmesi

    ORKUN KAYMAKÇI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURSELİ UYANIK

  5. Tez No

    318092

    Pulperden ayrılan doğal ve sentetik atıklardan yeni nesil kompozit malzemelerin karakterizasyonu

    The characterization of new generation composites from the mixture of natural and synthetic wastes remained in pulper

    ERTUĞRUL ALTUNTAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Endüstri Ürünleri TasarımıKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. HAKKI ALMA

Geri Dön