Effect of molecular weight of polylactide on chemical reactivity with joncryl chain extender
Polilaktitin molekül ağırlığının joncryl zincir uzatıcı ile olan kimyasal reaktivitesine etkisi
- Tez No: 929662
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- 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: 83
Özet
Plastik malzemeler günümüzde birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaygın kullanım, beraberinde plastik atık kirliliğini kaçınılmaz bir şekilde getirmiştir. Bu durum sonucunda sürdürülebilirlik kavramı son derece göz önüne alınması gereken bir hale gelmiştir. İşlenebilirlik ve kullanım kolaylığı gibi özellikler, doğal kaynaklardan üretim ve tüketim sonrası geri dönüşüm konularının çok daha gerisinde kalmıştır. Nitekim plastiklerin çevreye olan etkisini azaltmak, özellikle çevreye salınan karbondioksiti azaltmak için tarımdan elde edilen nişasta, selüloz, odun, şeker gibi ürünlerin bir kısmı hammadde olarak kullanılmaktadır. Plastiğin üretimi, kullanımı ve bertarafı sırasında salınan karbondioksit, bitkinin büyüme döngüsü sırasında tüketilen ile dengelendiğinden, bu şekilde net karbondioksit dengesi büyük ölçüde sağlanır. Endüstride yaygın olarak kullanılan plastiklerin büyük bir kısmı fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Ancak çevresel kaygıların artması ve fosil yakıtların tükenebilir kaynaklar olması nedeniyle, bu polimerlerin yerini işlevsel olarak uygun alternatif malzemeler olan biyoplastikler almaya başlamıştır. Günümüzde biyoplastiklerin gelişimi, geleneksel plastiklerin aksine bu malzemelerin üretim maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle sekteye uğramaktadır, ancak sadece üretim maliyetini değil, aynı zamanda atık yönetimi ile ilgili maliyetler de göz önünde bulundurulmalıdır. Polilaktid (PLA), endüstriyel paketleme alanı veya biyolojik olarak uyumlu ve biyolojik olarak parçalanabilir özellikteki ürünlerin kullanıldığı tıbbi cihaz pazarı için yıllık olarak yenilenebilir kaynaklardan üretilebilen, biyo bazlı ve sürdürülebilir olan termoplastik, yüksek mukavemetli, yüksek modüllü bir alifatik polyesterdir. Doğal etmenlerle parçalanabilen çevre dostu polimerlerden biridir. Bu da onu endüstride yaygın olarak kullanılan, örneğin tüketici ürünleri ve ambalajlarında, petrol bazlı polimerlerin yerini almak için iyi bir alternatif haline getirir. Kalıplanmış parçalar, film veya lifler elde etmek için standart plastik ekipmanları üzerinde kolayca işlenebilir. PLA, kullanım açısından son derece etkileyici olmasına rağmen, kullanım aşamasına gelmek için giderilmesi gereken bazı dezavantajlara sahiptir. Bu dezavantajlardan başlıcaları olan sınırlı termal kararlılık, düşük kristalleşme hızı ve eriyik mukavemet, PLA'nın tek başına kullanımını zorlaştırır ve bu özelliklerinde iyileştirmeler gerekir. Bu özelliklerin geliştirilmesi için başka bir biyoplastik ile harmanlama, nanopartikül ilavesi ve uygun zincir uzatıcı ilavesi gibi birçok yöntem araştırılmakta ve çalışılmaktadır. Bu yöntemler içerisinde en çok kullanılanı malzemeye uygun zincir uzatıcıların ilave edilmesidir. Fonksiyonel gruplara sahip zincir uzatıcıları kullanmanın avantajı, bozulmuş zincirlerin birbirine yeniden bağlanmasını ve bunun sonucunda moleküler ağırlığın ve eriyik mukavemetinin arttırılmasını içerir. PET ve PLA gibi polyesterler için, iki veya çok işlevli moleküller kullanılarak hidroksil veya karboksil reaktif uç gruplarının köprülenmesinden dolayı moleküler ağırlığın artmasıyla zincir uzaması meydana gelir. Oligomerik stiren-akrilik-epoksi bazlı çok işlevli zincir uzatıcı olan Joncryl ADR, PLA ile kullanıma diğer zincir uzatıcı türlerine kıyasla daha uygundur ve düşük ilaveler sonucunda bile eriyik özelliklerini önemli ölçüde geliştirmektedir. Bu oligomer çok işlevli olduğundan, PLA zincirleri ile kimyasal olarak bir bağ oluşturabilir ve moleküler ağırlıkta bir artışa neden olabilir. Ayrıca biyolojik olarak parçalanabilirliğini etkilemeden dallanmış uzun zincir yapıları oluşturabilir. Bu avantajlarının yanında, harman ve nanokompozit uygulamalarında da sıklıkla kullanılmaktadır. Bu nedenle piyasada son derece kullanışlı ve ekonomik bir zincir uzatıcı olarak yer almaktadır. İçerdiği fazla epoksi grupları, epoksi halka açılma reaksiyonu sonucu PLA'nın karboksil uç grupları ile birleşerek uzun zincirli ve dallanmış yapılar oluşturur. Uzun dallı yapılar PLA'nın molekül ağırlığını ve şekil koruma özelliğini arttırır. Lineer PLA, zincirleri arasında zayıf etkileşimlere sahiptir ve bu da düşük eriyik dayanımına sahip olmasına neden olmaktadır. Joncryl ile modifiye edilmesi sonucu yapıdaki dallanmalar molekül ağırlığını ve zincirler arası etkileşimleri arttırır ve sonuç olarak eriyik özellikleri iyileşir. Ek olarak, artan dallanmalar yarı-kristalin PLA'nın kristalleşme hızını arttırıken, toplam kristalinitesini azaltır. Bu çalışmada, sırasıyla düşük (L-PLA), orta (M-PLA) ve yüksek (H-PLA) molekül ağırlığına sahip 3251D, 3001D ve 7032D olmak üzere üç farklı PLA, iki farklı fonksiyonaliteye sahip olan Joncryl zincir uzatıcı Joncryl ADR 4468 ve Joncryl ADR 4400 ile eriyik iç karıştırıcı kullanılarak işlenmiştir. Üretilen numunelerin analiz aşamasında küçük genlikli salınımlı kayma (SAOS) reoloji testleri, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. Joncryl 4468 ve 4400 ile modifiye edilmiş numunelerin reoloji analizleri katkısız PLA numunelerinin analizleri ile kıyaslandığında, zincir uzatıcı ilavesi sonucu eriyik viskozitede ve termal kararlılıkta bariz bir artış elde edilmiştir. Ek olarak, ilave edilen zincir uzatıcı miktarı arttıkça eriyik viskozite değeri artmıştır. Joncryl 4468, 4400'a kıyasla neredeyse iki kat fonksiyonaliteye sahip olduğundan daha fazla dallanmaya olanak sağlamış ve PLA'nın eriyik özellikleri üzerinde daha büyük bir artışa neden olmuştur. Başlangıç moleküler ağırlığının yüksek olduğu durumda yapıdaki her yeni dal, moleküler ağırlığı daha fazla arttırmış ve daha güçlü dal etkileşimleri göstermiştir. Yani molekül ağırlığının yüksek olması, bağlanacak daha fazla uç grup bulunmasını sağladığından Joncryl reaktivitesini de arttırmıştır. Güçlü dal etkileşimleri ile birlikte malzeme daha iyi şekil tutma kabiliyetine sahip olmuştur ve bu durum uzama reolojisi sonuçları ile pekiştirilmiştir. Uzama reolojisi sonuçları, PLA'nın molekül ağırlığının artması ile birlikte eriyik viskozitesinin de arttığını göstermiştir. Viskoelastik akışın gerçekleşmesi için yapıdaki fiziksel dolaşıklıkların çözülmesi gerekir. Bu çözülme sırasında malzemede deformasyon sertleşmesi gözlenir ve eriyik bir katı davranışı meydana gelir. Joncryl 4468 ilave edilmiş PLA daha dallı bir yapıya sahip olduğundan viskoelastik akış sırasında 4400 ile modifiye edilmiş olana kıyasla daha yüksek uzama viskozitesi göstermiştir. DSC sonuçları, ikinci ısıtma sırasında yüksek Joncryl reaktivitesinin, soğuk kristalizasyon sıcaklığını arttırdığını ve kristalinitenin Joncryl reaktivitesi ile azaldığını göstermiştir. Artan dallanma miktarı sonucu molekül ağırlığı arttıkça soğuk kristalleşme zirvelerinin daha yüksek sıcaklıklara doğru kaydığı gözlemlendi. Joncryl 4468 ilaveli örnekler Joncryl 4400 ilaveli olanlara kıyasla daha fazla fiziksel dolanmaya sahip olduğundan, bu durum Joncryl 4468 ilaveli örneklerde daha net görülmüştür. Her PLA için artan zincir uzatıcı miktarı ile erime sıcaklığında bariz bir değişim elde edilmese de, erime entalpisinde ve soğuk kristalizasyon entalpisinde net bir şekilde azalma gözlenmiştir. Bunun nedeni olarak artan Joncryl reaktivitesi ile birlikte yapıdaki fiziksel dolaşıklığın artması ve bunun sonucunda kristalinitenin azalması söylenebilir. Ek olarak camsı geçiş sıcaklıklarında büyük bir değişim görülmemiştir. FTIR sonuçlarına göre, tüm PLA'lar kristal bir yapıya sahip olduğundan, spektrumlar arasında çok büyük bir fark yoktur. Joncryl 4468, Joncryl 4400'e kıyasla daha fazla fonksiyonel gruba, yani daha fazla epoksi grubuna sahip olduğu için 4468 ilaveli örnekler büyük bir artış göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Plastic materials are widely used in many fields today. Most of these plastics are derived from fossil fuels. However, due to increasing environmental concerns and fossil fuels being exhaustible resources, these polymers have begun to be replaced by functionally suitable alternative materials, biopolymers. Polylactide (PLA) is an aliphatic polyester that is bio-based and sustainable. It is one of the environmentally friendly polymers that can be decomposed by natural factors. This makes it a good substitute for petroleum-based polymers that are widely used in industry, for example in consumer products and packaging. Although PLA is extremely impressive in terms of use, it does have some drawbacks. Limited thermal stability, low crystallization rate and melt strength make PLA difficult to use by itself and improvements are required. Many methods are being studied to develop these properties and the most widely used of these methods is the addition of chain extenders (CE) to the material. Joncryl ADR, an oligomeric styrene-acrylic-epoxy based multifunctional chain extender, significantly improves melt properties even at low additions. The many epoxy groups it contains react with the end groups of PLA to form long chain and branched structures. Although these structures increase melt strength, they reduce the overall crystallinity of semi-crystalline PLA. In this study, three different semi-crystalline PLAs with low (L-PLA), medium (MPLA) and high (H-PLA) molecular weights were processed with two types of Joncryl chain extender, Joncryl ADR 4468 and Joncryl ADR 4400, using an internal melt mixer. Small amplitude oscillating shear (SAOS) rheology tests, differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) were used for the analysis of produced samples. When the rheology analysis of Joncryl 4468 and 4400 modified samples were compared with those of neat PLA samples, a significant increase in melt viscosity was obtained as a result of chain extender addition. In addition, the melt viscosity value increased as the amount of chain extender addition increased. Joncryl 4468 has almost twice the functionality compared to 4400, resulting in a greater increase in the melt properties of PLA. When the initial molecular weight was high, branching of the structure increased the molecular weight more and showed stronger branch interactions. As a result, the material had better shape retention. The elongation rheology results showed that the melt viscosity increased with the increase of the molecular weight of PLA. Joncryl 4468 provided PLA with more branched structure and showed higher elongational viscosity during viscoelastic flow compared to 4400 modified one. DSC results showed that high Joncryl reactivity increased the crystallization temperature while decreasing the crystallinity. It was observed that as molecular weight increased, cold crystallization peaks shifted towards higher temperatures. Although no obvious change in melting temperature was obtained with increasing amount of chain extender for each PLA, a clear decrease in melting enthalpy was observed. In addition, there was no significant shift in glass transition temperatures. According to the FTIR result s, there is not a huge difference between the spectra, as all PLAs have 1.0wt% . identical bond structures and the addition percentage was at most However, Joncryl 4468 modified samples showed carbonyl peak at wavenumber 1750 cm1 as it greater increase in had more functional groups, ie more epoxy groups, compared to 4400.
Benzer Tezler
- Effect of molecular weight and D-lactic acid content of polylactide on its electrospinning behaviour
Polilaktik asidin moleküler ağırlığının ve D-laktik asit oranının elektroüretim davranışı üzerine etkisi
ECE GÜLER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Effect of polylactide molecular weight on cellulose nanocrystal dispersion quality
Polilaktitin molekül ağırlığının selüloz nanokristal dağılım kalitesine etkisi
ANIL DÜNDAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
- Water vapor and gas barrier properties of biodegradable polymer nanocomposites films
Biyobozunur polimer nanokompozit filmlerinin su buharı ve gaz geçirgenlik özellikleri
HALE OĞUZLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA TIHMINLIOĞLU
- Effects of glass fiber content, 3D-printing and weathering on the performance of polylactide
Cam elyaf miktarının, 3D-yazıcı ile şekillendirmenin ve atmosferik yaşlandırmanın polilaktitin performansına etkileri
SAKİNE DENİZ VARSAVAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVDET KAYNAK
- Ameliyat ipliği olarak kullanılmak üzere biyodegradable kopolimerler ve fiberlerin üretimi ve karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLAY KÖKTÜRK
