Geri Dön

Investigation of compatibilization reaction mechanisms in PLA/PBAT blends

PLA/PBAT harmanlarında uyumlaştırıcı reaksiyon mekanizmalarının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 992242
  2. Yazar: BERK BAYKAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MOHAMMADREZA NOFAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  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: Belirtilmemiş.

Özet

19. yüzyılda icat edilmelerinden bu yana plastikler, günlük yaşamda vazgeçilmez bir malzeme hâline gelmiştir. Günümüzde bu sentetik malzemeler; düşük maliyetleri, hafif olmaları, seri üretime uygunlukları ve biyouyumlulukları sayesinde ambalajdan otomotiv endüstrisine, elektronik cihazlardan tıbbi teknolojilere kadar çok geniş bir uygulama alanında kullanılmaktadır. Ancak plastiklerin büyük çoğunluğu petrol bazlı kaynaklardan elde edildiği için, aşırı tüketimleri çevreye ve pek çok ekosisteme zarar vermektedir. Bu nedenle, son yıllarda yapılan araştırmalar geleneksel plastiklerin yerini alabilecek alternatif ve sürdürülebilir plastik malzemelerin geliştirilmesine odaklanmıştır. Bunlar arasında, biyobazlı ve biyobozunur yapısının yanı sıra mükemmel işlenebilirliği ve mekanik özellikleri sayesinde Poli (laktik asit) (PLA) öne çıkmaktadır. PLA, mısır nişastası, şeker kamışı ve diğer yenilenebilir biyokütle malzemeleri ve yan ürünleri gibi kaynaklardan üretilen, biyobozunur, biyobazlı, alifatik bir termoplastik polimerdir. PLA birçok avantaja sahip olsa da düşük eriyik mukavemeti, yavaş kristalleşme kinetiği ve gevrek yapısı gibi bazı zayıf özelliklerinin bulunması endüstriyel olarak geniş bir yelpazeye yayılmasının önüne geçmektedir. Bu dezavantajların üstesinden gelmek için fiziksel ve kimyasal modifikasyonlar gibi çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Ancak bu yöntemlerin çoğunun yüksek maliyetler çıkartmasından farklı polimerler ile harmanlama yöntemi, PLA'nın performansını iyileştirmek için öne çıkan ve daha ekonomik bir yaklaşım hâline gelmiştir. Poli (bütilen adipat-ko-tereftalat) (PBAT), yüksek süneklik ve tokluğu sayesinde PLA ile harmanlanmaya son derece uygun bir adaydır. PLA'nın PBAT ile harmanlanması sayesinde PLA'nın zayıf yönleri güçlendirilirken, aynı zamanda PBAT'in biyobozunur bir polimer olması son üründe biyobozunurluk özelliğinden feragat edilmemesine olanak tanımaktadır. Öte yandan, polimer harmanlarının çoğu termodinamik açıdan tamamiyle karışmaz olduğundan, harman bileşenlerinin arasındaki zayıf ara yüzey etkileşimleri genellikle özelliklerde istenen seviyede iyileşme elde edilmesinin önüne geçmektedir. Bu nedenle harman bileşenlerinin uyumlaştırılması (compatibilization) önemli bir araştırma konusu olmuştur. Uyumlaştırıcı çalışmalarında öne çıkan ana başlıklar nano partikül kullanımı ile uyumlaştırma ve zincir modifikasyonu yoluyla uyumlaştırma olmuştur. Bu çalışmada ticari olarak temin edilebilen, çok fonksiyonlu epoksi bazlı oligomerik bir zincir uzatıcı olan Joncryl ADR, PLA/PBAT harman sistemi üzerindeki etkilerinin incelenmesi adına uyumlaştırıcı olarak kullanılmıştır. Çalışmada öncelikle ağırlıkça %0,5 ve %1 olmak üzere Joncryl oranları ayrı ayrı PLA ve PBAT ile karıştırılmış ve harman sisteminin iki bileşeni üzerindeki reaksiyon mekanizmaları incelenmiştir. Numunelerin hazırlanmasında eriyik iç karıştırıcı kullanılmış ve bileşenlerin karıştırılma işlemleri 2, 5 ve 10 dakika karıştırma süreleri olmak üzere 190°C'de ve 100 rpm karıştırma hızıyla gerçekleştirilmiştir. Cihazdan elde edilen numuneler sıcak presleme yoluyla 190°C'de preslenip granül haline getirildikten sonra, uygun kalıplar yardımıyla yine sıcak pres yöntemiyle şekil verilmiş ve ardından küçük genlik salınımlı kayma (small amplitude oscillatory shear“SAOS”) testi kullanılarak karakterize edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre PLA/Joncryl numunelerinde kompleks vizkozite (η*) değerlerinin üretim süresi ve karışım içindeki Joncryl oranı ile doğru orantılı olarak arttığı tespit edilmiştir. PBAT/Joncryl numunelerinde ise farklı bir davranış gözlemlenmiş olup, kompleks vizkozite değerlerindeki artışın zamana bağımlı olduğu tespit edilmiştir. Yapılan bu incelemelerin neticesinde PLA/PBAT harman sistemlerinde uygulanmak üzere“Akıllı Geri-Dönüştürme”(Smart Recycling) adı altında yeni bir süreklilik konsepti öne sürülmüştür. Konsept, PBAT ve Joncryl moleküllerinin arasındaki reaksiyonun zamana bağımlı olması durumundan faydalanmaktadır. Bu iki bileşenin arasındaki reaksiyonun uzun sürede gerçekleşmesi, konsantrenin kısa sürelerde üretilmesi durumunda aralarındaki reaksiyonun tamamlanamaması durumuna yol açmaktadır. Bu sayede PLA ile harman hazırlanması esnasında, kullanılan konsantre içerisine hapsolmuş Joncryl molekülleri, PBAT'a oranla afinitesinin daha yüksek olduğu PLA fazına doğru difüze olmaya ve ara yüzeyde PLA'yla reaksiyona girmeye çalışacaktır. Bu durum Joncryl moleküllerinin hem PLA-PBAT ara yüzeyinde uyumlaştırıcı etkisi göstermesine hem de ara yüzeyden difüzyonu gerçekleştiği takdirde termal dayanımı düşük olan PLA fazında gerçekleşen termo-mekanik bozulmaları onarıcı rol üstlenmesine olanak sağlamaktadır. Böylece, harman sistemi içerisine herhangi bir ekstra katkı katılmaksızın yapılan çoklu geri-dönüştürme prosesleriyle sistemin tekrarlı kullanımı mümkün kılınacaktır. Konseptin geliştirilmesinin ardından numune hazırlık çalışmalarına başlanmıştır. Öncelikle, ağırlıkça %75 PLA %25 PBAT içerecek harman sisteminde ağırlıkça oranı %1, %0,5 ve %0,1 olacak şekilde belirlenen PBAT-Joncryl konsantrelerinin üretimi gerçekleştirilmiştir. Konsantrelerin üretimleri 190°C ve 100 rpm karıştırma hızında 2, 5 ve 10 dakika karıştırılarak sırasıyla %3,84, %1,96 ve %0,38 ağırlıkça Joncryl içerecek şekilde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen konsantre, 190°C'de sıcak pres kullanılarak granül haline getirilmiş ve ardından PLA ile karıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. PLA ile karıştırılma işlemleri yine 190°C ve 100 rpm karıştırma hızı parametreleri kullanılarak 2 dakika karıştırılarak gerçekleştirilmiştir. Bununla birlikte, önerilen yöntemin karşılaştırılması adına son durumda ağırlıkça aynı oranlarda Joncryl içerecek numunelerin üretimi, bileşenlerin art arda eriyik karıştırıcıya eklenmesiyle yapılmıştır. Ardından elde edilen numuneler tekrar sıcak pres ve uygun kalıplar kullanılarak karakterize edilmeye uygun hale getirilmiştir. Numuneler SAOS reoloji testi ve SEM görütüleme teknolojisi kullanılarak karakterize edilmiştir. Reoloji sonuçlarına göre kontrol grubu numunelerinin kompleks vizkozite değerlerinin, PBAT konsantreleri kullanılarak hazırlanan numunelere kıyasla daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bu durum PLA ve Joncryl moleküllerinin arasındaki reaksiyonun oldukça hızlı gerçekleşmesinden kaynaklanmaktadır. Konsantre kullanılarak hazırlanan numuneler kendi aralarında kıyaslandığında, 2 dakika karıştırma gerçekleştirilen numunelerin kompleks vizkozite değerlerinin, kendileriyle aynı miktarda Joncryl içeren 5 ve 10 dakika karıştırma süreleriyle hazırlanmış muadillerine kıyasla daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu durumun, 5 ve 10 dakika karıştırılarak hazırlanan numunelerde PBAT ve Joncryl moleküllerinin daha fazla reaksiyona girmesi sonucu, ara yüzeye ve PLA fazına difüze olabilecek aktif Joncryl moleküllerinin sayısının azalmasından kaynaklandığı şeklinde yorumlanmıştır. Bununla birlikte konsantre kullanımı ile hazırlanan numunelerde Joncryl moleküllerinin PLA içerisine difüze olabildiği gözlemlenmiştir. SEM görüntüleme ile numunelerin kırılma yüzey morfolojileri incelenmiştir. Art arda karıştırma yöntemiyle hazırlanan numunelerde gözlemlenen boşluklu yüzey morfolojisi, Joncryl moleküllerinin uyumlaştırıcı etkisinin yetersiz kaldığını göstermiştir. Bu durum, reoloji testlerinde gözlemlenen yüksek kompleks vizkozite değerlerinin de sebebi olan Joncryl moleküllerinin PLA ile hızlı reaksiyonundan kaynaklandığı fikrini güçlendirmiştir. Konsantre kullanılarak hazırlanmış numunelerde ise boşluklu yapıya rastlanmamakla beraber, faz sınırlarının belirginliği ve oluşan PBAT adacıklarının boyutlarında gözlemlenen küçülme, uyumlaştırıcı etkinin bu numunelerde daha etkili olduğunu göstermiştir. Karakterizasyon testlerinin ardından konseptin verimliliğinin test edilmesi adına geri-dönüştürme aşamasına geçilmiştir. Öncelikle yeniden aynı oranlarda Joncryl içeren PBAT konsantreleri çift vidalı ekstrüzyon cihazı (twin screw extruder“TSE”) kullanılarak üretilmiş, ardından PLA ile harmanlama işlemi gerçekleştirilmiştir. 190°C ve 100 rpm karıştırma hızı ile yapılan karıştırma işleminin ardından bir miktar malzeme ayrılarak kalan malzeme tekrardan karıştırılma işlemine tabi tutulmuştur. Bu işlemler totalde 6 kez gerçekleştirilmiş, her bir numune ayrıldığı kademeye göre isimlendirilmiştir. Elde edilen numuneler sıcak pres yöntemi ile 190°C'de preslenerek karakterize edilmeye hazır hale getirilmiştir. Yapılan reoloji testlerinden elde edilen sonuçlarda, bütün numunelerin kompleks vizkozite değerlerinin geri-dönüşüm kademesi sayısıyla doğru orantılı olarak azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durum, tüm numunelerde termo-mekanik bozulmaların zincir uzama reaksiyonlarına (chain extension) baskın geldiğini göstermiştir. Öte yandan, yapılan zaman taraması testi, ağırlıkça %1 Joncryl içeren art arda karıştırılma yöntemi ile üretilmiş numunede test sırasında zincir uzama reaksiyonlarının 1. ve 4. Geri dönüşüm kademelerinde hala devam ettiğini ancak bu kademeden sonra durduğunu ortaya koymuştur. Konsantre kullanılan harman sistemlerinde viskozitede gözlemlenen düşünün sebebinin konsantre üretim aşamasında kullanılan proses sıcaklığından dolayı reaktif grupların tükenmesi ve geri dönüşüm kademesinde yeterli reaksiyon gösterebilecek grupların bulunmamasından kaynaklandığı yorumu yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

From their invention in 19th century, plastics become an irreplaceable material in daily life. Today, these synthethic materials are used across a wide spectrum of applications, from packaging to automative industry, and from electronic devices to medical technologies, thanks to their mass-producability as well as low material costs, light weight, and biocompatibility. However, since most of the plastics originate from petroleum-based sources, their excessive consumption bring harm to the environment and numerous ecosystems. Consequently, recent research efforts have been focused on developing alternative, sustainable plastic materials that are capable of replacing traditional counterparts. Among them, poly (lactic acid) (PLA) which is a biodegradable and bio-based aliphatic thermoplastic polyester that can be produced from natural sources like corn starch, sugar cane and other renawable biomass materials stands out, owing to its high strength and excellent processability. Although, PLA offers many advantages, its widespread use has been restricted due to its low melt strength, slow crystallization kinetics, and its brittle nature. To overcome these drawbacks, various methods physical and chemical modification methods have been utilized. Nevertheless, because these methods are often costly, polymer blending has become a prominent and cost-effective route for improving PLA's performance. Poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) is a feasible option for blending with PLA, as its high ductility and toughness can help address PLA's limitations while still maintaining its biodegradability. On the other hand, because most of the polymer blends are considered immiscible, poor interfacial interactions often lead to insufficient level of improvement in properties. Therefore, compatibilization of the blend components has emerged as a key research focus. In this study, a commercially available epoxy-based oligomeric chain extender with a multifunctional property, Joncryl ADR was employed as a compatibilizer to investigate its effects on the blend system. First, various Joncryl contents and mixing times were tested with PLA and PBAT seperately to investigate the reaction mechanism between polymers and chain extender. The results showed that, PLA and Joncryl can rapidly react with each other, while the reaction between PBAT and Joncryl is kinetically hindered, revealing a time-dependent behavior. From this point on, a new sustainability concept is proposed for recycling PLA/PBAT blends which is termed as“Smart Recycling”. According to the concept, unreacted Joncryl molecules within PBAT phase could gradually diffuse toward PLA phase upon multi-recycling attemps, thereby enhancing interface interactions while also mitigating the effects of thermo-mechanical degredations of PLA through chain extension reactions. To evaluate the effectiveness of this new concecpt, several characterization tests were utilized, including SEM and mainly rheological tests. Rheological tests revealed that, Joncryl molecules entrapped within PBAT prior to blending and recycling processes could migrate towards interface after blending, increasing the complex viscosity (η*) values of blends. SEM images indicate that during the migration of Joncryl molecules, it can react with PBAT and PLA chain-end groups, thereby forming a good interface adhesion between the two phases. Further recycling processes of blends were then carried out up to six cycles, and the results revealed a reduction in the complex viscosity values of blends across all formulations, indicating thermo-mechanical degradations occurred during multi-processing were more dominant than chain-extention reactions. However, samples produced by the proposed method was more resistant to thermal degradations compared to their relative counterparts due to increased compatibility between PLA and PBAT.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    544771

    Epoksi-POSS nanoparçacıklarının poli (laktik asit) temelli polimer karışımlarında uyumlaştırıcı olarak kullanılabilme potansiyelinin araştırılması

    Investigation the compatibilization potential of epoxy-POSS nanoparticles in poly (lactic acid) based blends

    NİLAY TÜCCAR KILIÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

  2. Tez No

    801340

    Investigation of epoxy POSS nanoparticles as potential compatibilizers for poly(lactic acid)/poly(butylene succinate) bio-based blends

    Epoksi POSS nanotaneciklerinin poli(laktik asit)/poli(bütilen süksinat) biyo-esaslı karışımlar için uyumlaştırıcı potansiyellerinin araştırılması

    MUHAMMAD SAEED ULLAH

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

  3. Tez No

    349794

    Investigation of mechanical, thermal and morphological properties of PS/PP blends with a new compatibilizer

    Yeni bir uyumlaştırıcı ile hazırlanmış PS/PP karışımlarının mekanik, termal ve morfolojik özelliklerinin incelenmesi

    HAKAN GÖKÇE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURSELİ UYANIK

  4. Tez No

    1002442

    Investigation of compositional effects on ternary polyamide/acrylonitrile butadiene styrene blend properties

    Üçlü poliamid/akrilonitril bütadien stiren karışımlarının özellikleri üzerindeki bileşimsel etkilerin araştırılması

    RAMAZAN BEDİRHAN YILDIZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER

  5. Tez No

    504886

    PP/PLA/CF/elvaloy kompozitlerin yapısal, mekanik ve tribolojik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of structural, mechanical and tribological properties of PP/PLA/CF/elvaloy composites

    HAMİT ÜVEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriErciyes Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SONER SAVAŞ

Geri Dön