PET FİLMLERİN SU BUHARI GEÇİRGENLİĞİNE ISIL İŞLEM ETKİSİ

Transkript

1 PET FİLMLERİN SU BUHARI GEÇİRGENLİĞİNE ISIL İŞLEM ETKİSİ Göksenin Kurt Çömlekçi*, Pınar Tüzüm Demir, Sevgi Ulutan EGE Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, Bornova, İZMİR * goksenin.kurt@ege.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, piyasadaki PET esaslı pişirme torbalarına 120 dakika boyunca farklı sıcaklıklarda ( C) ısıl işlem uygulanıp, filmlerin yapısında, ısıl özelliklerinde ve su buharı geçirgenliğinde oluşan değişimler gözlenmiştir. Filmlerin FTIR spektrumlarında ısıl işleme bağlı bir değişim gözlenmemiştir. TGA analizi incelemesinde ön ısıl işlem sürecinde bazı uçucu bileşenlerin uzaklaşmış olabileceği öngörülmüştür. Filmlerin su buharı taşınım hızının ısıl işlem ile bağıntısı incelenmiştir C de 120 dakikaya kadar olan ısıl işlemlerin PET filmin 24,7 g/(m 2.gün) olan su buhar taşınımını değiştirmediği, bu sıcaklığın üstünde ise filmlerin geçirgenliğinin arttığı saptanmıştır. Anahtar Sözcükler: PET, polietilen tereftalat, su buharı geçirgenliği, su buhar geçirgenlik hızı, kap testi 1. GİRİŞ Polietilen tereftalat (PET) günümüzde yiyecek içecek kapları, pişirme torbaları gibi birçok kullanım alanı bulmaktadır. PET i ambalaj sektörünün en çok seçilen malzemelerinden biri yapan özelliklerinin başında, geri dönüşebilir bir polimer olması ve su buharı geçirgenliğinin düşük oluşu gelmektedir. PET ürünlerin gaz ve nem geçirmezliğinin yanı sıra, kimyasal dayanımı da yüksektir. Ayrıca tamamen geri dönüşebilir olduğundan çevre dostu bir termoplastiktir. Amerikan Gıda ve İlaç Dairesi (FDA) PET in güvenli olduğunu kabul etmiştir [1]. PET malzemelerinin geri dönüşüm sürecindeki ısıl işlemlere bağlı olarak yapısında oluşan değişimleri görmek için Fourier Dönüşüm Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, ısıl kararlılığını incelemek üzere ise ısıl gravimetrik analiz (TGA) uygulanmaktadır. PET, 1712 cm -1 (C=O bağı), 1410, 1018, 872 cm -1 (aromatik halkaların titreşimi), 1340 ve 1177 cm -1 (-CH 2 grup), 1244 ve 964 cm -1 (C-O bağı) dalga boylarında, karakteristik absorbans pikleri vermektedir [2]. Favaro ve arkadaşları [3] PET filmin ısıl gravimetrik analiz (TGA) eğrisinde 380 o C de bozunmaya başladığını ve ağırlığının yaklaşık %87 sini kaybettiğini saptamıştır. Su buhar geçirgenliği ambalaj filmleri için önemli bir özelliktir. Küçük moleküllerin polimer içerisindeki taşınım özellikleri, o polimerin kimyasal yapısı, molekül ağırlığı, kristallenme derecesi, morfolojisi, camsı geçiş sıcaklığı gibi özelliklerine bağlı olarak değişir [4]. PET filmlerin gerek sakladığı gıdanın tazeliği, gerekse pişirme sürecinde buharı koruması için gaz ve su buharı geçirgenliğinin düşük olması beklenir. ASTM E 96 Standardı su buhar taşınımının saptanması için bir yöntem tanımlar [5]. Bu yöntemde; su buhar taşınım hızı (SBT) Denklem 1 de verildiği gibidir.

2 SBT m Denklem 1 t A Gaz ya da buhar geçirgenliği birim alandan, birim basınçta filmden geçen miktar ile ifade edilmektedir [6]. Denklem 2 de su buhar geçirimi (SBG) verilmektedir. SBT SBT SBG 0 P P ( BN BN ) Denklem Bilimsel kaynaklarda PET filmlerin su buharı geçirgenliği ve su buhar taşınımı, 38 o C de 2,82x10-15 kg.m/(m 2.s.Pa) ve 3,48 g/(m 2.gün, 0.46mm kalınlıktaki filmden) olarak ölçülmüştür [7]. Bu projede, pişirme sürecinde kullanılan fırın torbalarının uğradığı ısıl bozunma ile benzeşim kurularak, süreç sırasında uğradığı yapısal değişimler gözlenmiştir. Çeşitli koşullarda ısıl bozunmaya uğrayan PET filmlerin, FTIR ve TGA yöntemleriyle saptanan yapısal değişimlerini ve su buharı geçirgenliğinin değişimini içeren sonuçlar, PET in geri dönüşüm sürecinde uğradığı değişimleri değerlendirmek üzere de kullanılabilir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada PET filmlerin yapıları Perkin Elmer Spectrum BX model FTIR cihazı ile incelenmiştir. Filmlerin ısıl davranışı Shimadzu DTG 60H model TGA ile 700 o C ye kadar 20 o C/dak ısıtma hızı ile ve 100 ml/dak azot akışı altında çalışılmıştır. Filmlerin su buhar geçirgenliklerinin incelenmesi için ASTM E 96 uygulanarak, 50 ml saf su içeren kapların ağzı PET pişirme torbasından kesilip farklı süre ve sıcaklıklarda ısıl işlem görmüş filmlerle kapatılmış ve NUVE EN 400 model inkübatörde (su/ortam hacmi= 5,68x10-3 ) 25 o C de yaklaşık iki hafta süreyle bu kapların ağırlık azalması izlenmiştir. 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Fırın torbası olarak kullanılan PET filmler, kullanım sürecinde gördüğü ısıl işlem ile benzeşim kurularak 180, 200, 220, 240 ve 260 o C de 120 dakika tutulmuştur. Pişirme sürecinde yapısında oluşabilecek farklılıklar FTIR ile incelenmiş ve ısıl dayanıklılığı TGA ile incelenmiştir. İşlem görmemiş PET filmin ve 180, 200, 220, 240 ve 260 o C de 120 dakika tutulmuş filmlerin FTIR spektrumları Şekil 1 de verilmiştir. Bu filmlerin tepe noktalarının görüldüğü dalga sayıları ±1 o C doğruluk ile aynı olmak ile birlikte, tepe yüksekliklerinde bir miktar değişim görülmektedir. Bu sonuç ısıl işlem sonrası filmlerin yapısında dikkate değer bir değişimin olmadığını göstermektedir. Tepe noktalarının bulunduğu dalga sayıları ve ilgili kimyasal yapılar Tablo 1 de verilmiştir. Pişirme sürecinde su buhar geçirgenliğinin değişimini gözlemek için geçirgenlik testleri yapılmıştır.

3 Tablo 1. PET filmin FTIR analizinde görülen tepe noktaları Dalga Sayısı (cm -1 ) Kimyasal Yapı 2970 Simetrik olmayan, alifatik C-H gerilme titreşimi 1715 C=O bağının gerilme titreşimi 1505 Para konumunda benzen halkası, halkada C-C gerilimi ve halkada düzlemsel C-H titreşim 1471 Trans konumlu CH 2 bükülme, trans konumu ve kristalin faz 1410 Para konumunda benzen halkasında, düzlemsel C-H titreşimi ile halkadaki C-C geriliminin bileşik etkisi 1339 Trans konumlu C=O (COO grubu), C-H (CH 2 ; metilen), NO 2, N-H 1244 C(O)-O ester grubunun gerilme titreşimi 1017 Aromatik halkanın gerilme titreşimi 970 Trans - genişleme konumlu O-CH 2 etilen glikol yapısının gerilme titreşimi 871 Aromatik halkanın gerilme titreşimi 847 Aromatik halkadaki hidrojen 723 Aromatik halkadaki düzlem dışı karbonillerin titreşimi Şekil 1. Isıl işlem öncesi ve sonrası PET filmlerin FTIR spektrumu FTIR analizinde 1339cm -1 dalga sayısındaki band bazı kaynaklarda verilen, PET in yapısındaki metilen grubu veya karboksil grubu olabileceği gibi, PET in yapısında bulunmayan,

4 PET film üretim sürecinde kullanılmış bir kaydırıcıya ilişkin N-H veya N-O bağı olabileceği düşünülmüştür. PET filmlerin ısıl gravimetrik analizleri (Şekil 2) sonucunda ısıl işlem görmemiş PET filmin bozunma başlangıç sıcaklığı, bozunma tepe sıcaklığı ve ağırlık kaybı Tablo 2 de verilmiştir. Bozunma başlangıç sıcaklığı 350 o C olarak saptanan, 260 o C de 120 dakika ısıl işlem görmüş filmin ağırlık kaybının %78,7 olması, önceki ısıl işlem sürecinde %2,6 oranında kayıp olduğunu ortaya koymaktadır. Bu kaybın, FTIR analizinde sözü geçen PET film üretim sürecinde kullanılmış bir kaydırıcıdan kaynaklanabileceği düşünülmüştür. Isıl işlem sıcaklığı arttıkça filmin bozunmasının daha erken başladığı ve daha erken tepe sıcaklığına ulaştığı anlaşılmıştır. Tablo 2. PET filmlerin ısıl işlem öncesi ve 120 dakika ısıl işlem sonrası ısıl gravimetrik analizi Isıl İşlem Bozunma Başlangıç Bozunma Tepe Toplam Ağırlık Kaybı, % , , , ,7 Şekil 2. Isıl işlem öncesi ve sonrası PET filmlerin ısıl gravimetrik eğrisi PET filmlerin su buhar geçirgenlikleri incelendiğinde ısıl işlem görmemiş PET filminin 24,7 g/(m 2.gün) olarak saptanan su buharı taşınım hızının 120 dakika boyunca 180 o C ve 200 o C de ısıl işlem gördükten sonra değişmediği, 220 o C ve 240 o C de ise sırasıyla 29,4 ve 47,0

5 g/(m 2.gün) değerine ulaştığı anlaşılmıştır. Filmlerin ısıl işlemden önceki homojen kalınlıklarının (0.008mm) ısıl işlemden sonra değiştiği gözlenmiştir. Isıl işlem ile kalınlığının değişmesinin su buhar geçirgenliğinin artmasında başlıca etken olduğu düşünülmüştür. 4. SONUÇ Bu çalışmada piyasada bulunan bir pişirme torbasının farklı sıcaklık ve sürelerde ısıl işlem sonucunda uğradığı yapısal, ısıl ve su buharı taşınımına ilişkin özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. FTIR spektrumlarının genel incelemesi, filmlerin belirgin bir yapısal değişime uğramadığını göstermiştir. Ancak FTIR spektrumlarının ayrıntılı analizinin diferansiyel taramalı kalorimetre X-ışını kırınımı ve atomik kuvvet mikroskobu analizleri ile desteklenerek yapılması, başka bir çalışmaya bırakılmıştır. Bu çalışma pişirme torbalarının fırında kullanım sürecinde geçirdiği değişimi kavramak açısından önem taşımaktadır. Bu ürünlerin kullanımında uğradığı ısıl işlem sürecinde yapısında gıdaya uygun olmayan bozunma ürünleri vermemesi olumlu bir noktadır. Bu sonuçlar PET malzemelerin geri dönüşüm incelemelerinde kaynak oluşturabilir. Bilgilendirme ve Teşekkür: Bu proje 11 MÜH 040 No ile Ege Üniversitesi BAP kapsamında desteklenmektedir. Katkılarından dolayı diploma projesi öğrencisi Orhun Uzdiyem e teşekkür ederiz. Simgeler: m: ağırlık kaybı (g) t: süre (saat) A: geçirgenlik alanı (cm 2 ) KAYNAKLAR P: basınç (Pa) P o : su buhar basıncı (Pa) BN: bağıl nem (%) 1. Bottles/The-Safety-of-Polyethylene-Terephthalate-PET.html Ulaşım tarihi: M. Drobota, M. Aflori ve V. Barboiu, Protein Immobilization On Poly(Ethylene Terephthalate) Films Modified By Plasma And Chemical Treatments, Journal of Nanomaterials and Biostructures, 5(2010):1, S.L. Fávaro, A.F. Rubira, E.C. Muniz ve E. Radovanovic, Surface modification of HDPE, PP, and PET films with KMnO 4 /HCl solutions, Polymer Degradation and Stability, 92(2007), C. Sammon, J. Yarwood, ve N. Everall, A FTIR ATR Study Of Liquid Diffusion Processes in PET Films: Comparison of Water With Simple Alcohols, Polymer 41 (2000) P. Mukhopadhyaya, M.K. Kumaran, ve J. Lackey, Use of The Modified Cup Method to Determine Temperature Dependency of Water Vapor Transmission Properties of Building Materials, Testing and Evaluation, 33(2005), J. Potreck, K. Nijmeijer, T. Kosinki, ve M. Wessling, Mixed Water Vapor/Gas Transport Through The Rubbery Polymer PEBAX 1074, Journal of Membrane Science, 338(2009), Ulaşım tarihi: