PROSES PARAMETRELERİNİN VE CAM FİBER ORANININ GERİ KAZANILMIŞ PET/CAM FİBER KOMPOZİTLERİNİN MEKANİK VE TERMAL ÖZELLİKLERİ İLE MORFOLOJİLERİNE OLAN ETKİLERİ Mert KILINÇ, Göknur BAYRAM Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 06531, ANKARA ÖZET Bu çalışmanın amaçları, geri kazanımdan elde edilmiş PET in cam fiber eklenerek çift vidalı ekstrüderde proses edilmesi ve çeşitli proses parametrelerinin elde edilen kompozitlerin mekanik ve ısıl özellikleri ile morfolojilerine olan etkilerinin incelenmesidir. Çalışmada eklenen E tipi cam fiber miktarının artışı ile kompozitlerin mekanik özelliklerinden çekme modülü ve çekme dayanımı bir kompozisyonda maksimum verecek şekilde bir artış göstermiş, kopmadaki uzama değerleri ise cam fiber artışı ile azalmıştır. Ekstrüder proses parametreleri olarak, vida hızı ve ekstrüder sıcaklık profili incelenmiştir. Kompozitlerin ısıl özellikleri incelendiğinde proses parametrelerinin malzemelerin erime sıcaklıklarına belirgin etkisi olmadığı gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Cam fiber, Ekstrüzyon, Kompozit, Mekanik özellikler, Poli(etilen tereftalat) 1. GİRİŞ Poli(etilen tereftalat), PET dünya çapında yaygın olarak kullanılan önemli bir mühendislik termoplastiğidir [1]. Bu çalışmanın konusu, geri kazanımla elde edilmiş Poli(etilen tereftalat) ın çekme dayanımı özelliğinin cam fiber kullanılarak iyileştirilmesi ve böylece geri kazanılmış PET in mekanik özellikleri geliştirilerek, çeşitli uygulama alanları bulunmasıyla hem çevreye hem de ülke ekonomisine katkı sağlanmasını içermektedir [2-3]. Bu kapsamda, bu amaca ilaveten ekstrüder proses parametrelerinin (sıcaklık, vida hızı), mekanik özelliklere etkileri üzerine de çalışılmıştır. Elde edilen kompozitlerin mekanik, ısıl ve morfolojik karakterizasyonları yapılmıştır. 2. DENEYSEL 2.1 Malzemeler Çalışmada, SaSA-DupontSA (Adana) firmasından temin edilmiş olan geri kazanılmış PET kullanılmıştır. Geri kazanılmış PET in özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. E tipi cam elyaf Cam Elyaf A.Ş. (Gebze) tarafından sağlanmış olup özellikleri Tablo 2 de sunulmaktadır. Tablo 1. Geri Kazanılmış PET in Özellikleri Özellik PVC Miktarı 60 ppm Polietilen Miktarı 5 ppm Metal Miktarı 0 ppm Zamk Miktarı 10 ppm Kağıt Miktarı 3 ppm Camsı Geçiş Sıcaklığı 60 C Erime Sıcaklığı 255 260 C
Tablo 2. Cam Fiber Özellikleri Özellik Fiberin Ticari İsmi PBT-2 Cam Tipi E Tipi Fiber Uzunluğu 4.5 mm Fiber Çapı 10.5 µm (nominal) Bağlayıcı Ajan Tipi Silan Bağlayıcı Ajan 3-aminopropiltrietoksisilan Bağlayıcı Ajan Miktarı % 1 2.2 Kompozitlerin Hazırlanması Çalışmada, öncelikle geri kazanılmış PET cam fiber ile değişik konsantrasyonlarda Thermo Prism TSE 16 model ve L/D oranı 24 olan çift vidalı ekstrüderde karıştırılmıştır. Karıştırmadan önce geri kazanılmış PET 160 ºC de 4 saat, cam fiber ise 85 ºC de 4 saat, proses sırasındaki oluşabilecek hidrolitik bozunmaları önlemek amacıyla kurutulmuşlardır. Konsantrasyon olarak ağırlıkça % 10, % 15, % 30 ve % 45 cam fiber içeren kompozitler hazırlanmıştır. Ekstrüzyon proses şartları Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Geri Kazanılmış PET-Cam Fiber Kompozitleri için Ekstrüder Proses Parametreleri Parametreler Sıcaklıklar Besleme 2. Bölge 3. Bölge 4. Bölge Kafa Sıcaklık ( C) 220 275 280 285 290 PET Besleme Hızı (g/dak) 20 Vida Hızı (rpm) 230 Hazırlanan kompozitler baskılı kalıplama tekniğiyle kalıplanmıştır. Kalıplamadan önce kompozitler 120 ºC de 4 saat boyunca kurutulmuşlardır. Kalıplama işlemi, 280 ºC de 5 dakika süre ile ön ısıtma uygulanıp ardından 8 dakika boyunca 150 bar basınç altında gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında ise Tablo 3 de verilen proses şartlarından sıcaklık profili ve vida hızı Tablo 3 deki değerlerinden yüksek ve de düşük olmak üzere ayrı ayrı incelenmiştir. Denenen proses parametreleri Tablo 4 ve Tablo 5 te verilmiştir. Tablo 4. Sabit Sıcaklıkta Denenen Ekstrüder Vida Hızları Parametreler Sıcaklıklar Besleme 2. Bölge 3. Bölge 4. Bölge Kafa Sıcaklık ( C) 220 275 280 285 290 Besleme Hızı (g/dak) 20 Vida Hızı (Düşük rpm) 170 Vida Hızı (Orta rpm) 230 Vida Hızı (Yüksek rpm) 290
Tablo 5. Sabit Vida Hızında Denenen Ekstrüder Sıcaklık Profilleri Parametreler Sıcaklıklar Besleme 2. Bölge 3. Bölge 4. Bölge Kafa Sıcaklık Profili (Düşük) ( C) 210 265 270 275 280 Sıcaklık Profili (Orta) ( C) 220 275 280 285 290 Sıcaklık Profili (Yüksek) ( C) 230 285 290 295 300 Besleme Hızı (g/dak) 20 Vida Hızı (rpm) 230 2.3 Kompozitlerin Karakterizasyonu Kalıplamadan sonra numuneler uygun bıçak yardımıyla dog bone (Tip 2) şeklinde kesilerek çekme testleri için hazırlanmışlardır. Çekme testleri Lloyd LR 30 K tipi mekanik test cihazında ASTM D638 standardına uygun olarak yapılmıştır. Çekme hızı 5 mm/dak olarak uygulanmıştır. Her bir özellik için 7 şer adet numunenin ölçümü yapılmış ve sonuçlar bu 7 ölçümün ortalaması alınarak hesaplanmıştır. Çalışmada elde edilen kompozitlerden örnek olarak seçilenlerin ısıl özellikleri de incelenmiştir. Isıl özellikler General V 4.1 C Dupont 2000 model DSC (diferansiyel taramalı kalorimetre) cihazı kullanılarak incelenmiştir. DSC de ısıtma, oda sıcaklığından 400 C ye kadar, 20 C/dakika ısıtma oranı ile yapılmıştır. Çalışma kapsamında morfolojik özelliklerin belirlenmesi amacıyla, çekme dayanımı testinden kalan numunelerin kırılma yüzeyleri JEOL JSM-6400 model taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak incelenmiştir. 3. SONUÇLAR 3.1 Mekanik Özellikler Çalışmada geri kazanılmış PET sırasıyla ağırlıkça % 10, % 15, % 30 ve % 45 oranlarında cam fiber ile ekstrüderde karıştırılarak PET/cam fiber kompozitleri hazırlanmştır. Burada esas amaç geri kazanılmış PET in çekme dayanımı özelliklerinin arttırılmasıdır. Mekanik sonuçlar incelendiğinde (Şekil 1), çekme dayanımının cam fiber miktarının artışıyla arttığı, % 30 cam fiber - % 70 geri kazanılmış PET içeren kompozitin en yüksek çekme dayanımına sahip olduğu ve bu değerden sonra çekme dayanımının azaldığı görülmektedir. Bu sonuçlar, dolgu maddesi cam fiberin belli bir kompozisyondan sonra işlevini yitirdiğini göstermektedir. Özelliklerdeki bu düşüş, cam fiberlerin % 30 ağırlık yüzdesinden sonra sayıca artan fiberlerin daha çok birbirlerine çarparak boylarının kısalmasına bağlanabilir. Diğer bir neden de belirli cam fiber konsantrasyonundan sonra ortamın önemli ölçüde artan viskozitesidir.
Çekme Dayanımı (MPa) 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 Cam Fiber Yüzdesi (% ağ.) Şekil 1. Geri Kazanılmış PET/Cam Fiber Kompozitlerinde Çekme Dayanımının Değişimi 2400 2100 Çekme Modülü (MPa) 1800 1500 1200 900 600 300 0 0 10 20 30 40 50 Cam Fiber Yüzdesi (% ağ.) Şekil 2. Geri Kazanılmış PET/Cam Fiber Kompozitlerinde Çekme Modülünün Değişimi Kopmadaki Uzama ( % ) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 Cam Fiber Yüzdesi (% ağ.) Şekil 3. Geri Kazanılmış PET/Cam Fiber Kompozitlerinde Kopmadaki Uzamanın Değişimi
Çekme modülü değerleri incelendiğinde % 45 cam fiber içeren kompozitlerin çekme modülünün daha yüksek olduğu görülmektedir (Şekil 2). Kopmadaki uzama değerleri beklendiği gibi PET in ve cam fiberin kırılgan yapısından dolayı oldukça düşüktür (Şekil 3). PET/Cam fiber kompozitlerinden % 30 cam fiber içeren kompozisyon ekstrüzyon proses parametrelerinin etkilerini incelemek üzere seçilmiştir. Yapılan deneyler sonucunda en yüksek çekme dayanımına vida hızı incelendiğinde 230 rpm de; sıcaklık profili incelendiğinde ise 220-275-280-285-290 C de ulaşılmıştır. Genel olarak PET/Cam fiber kompozitlerinden 230 rpm de proses edilenlerin en iyi mekanik özelliklere sahip olduğu söylenebilir (Tablo 6). Bunun sebebi olarak düşük ve yüksek rpm lerde ekstrüderde karışımın yeterince olmaması ya da matrisle dolgu maddelerinin arasında yeterli etkileşimin bulunmadığı düşünülebilir. Sıcaklık profilinin değiştirilmesinin etkisi incelendiğinde sıcaklık profilinin mekanik özelliklerde belirgin bir değişimin olmadığı görülmektedir (Tablo 7). Tablo 6. Farklı Vida Hızlarında Seçilen Cam Fiber/PET Kompozitinin Mekanik Özellikleri Mekanik Özellik Ekstrüder Vida Hızı (rpm) 170 230 290 Çekme Dayanımı (MPa) 47 53 49 Çekme Modülü (MPa) 2127 1969 2007 Kopmadaki Uzama (%) 3 3 4 Tablo 7. Farklı Sıcaklık Profillerinde Seçilen Cam Fiber/PET Kompozitinin Mekanik Özellikleri Mekanik Özellik Ekstrüder Sıcaklık Profili ( C) 210-265-270-275-280 220-275-280-285-290 230-285-290-295-300 Çekme Dayanımı (MPa) 47 53 51 Çekme Modülü (MPa) 2140 1969 2050 Kopmadaki Uzama (%) 3 3 3 3.2 Termal Özellikler PET/Cam fiber kompozitlerinden gerekli görülenlerinin ısıl özellikleri de incelenmiştir. Ekstrüzyon vida hızının ve sıcaklık profilinin kompozitlerin ısıl özelliklerine olan etkileri incelenmiş ve ölçülen termal özellikler Tablo 8 de verilmektedir. Numunelerin kristallenme dereceleri aşağıdaki formülle hesaplanmıştır. X ( H H c) 1 = x w m c 0 H m PET x100 (1) Malzemelerin ısıl özelliklerinde, artan vida hızı veya sıcaklık profili ile belirgin bir değişim görülmemektedir.
Tablo 8. Kompozitlerin Isıl Analiz Sonuçları T m ( C) T c ( C) H c (J/g) H m (J/g) X C (%) N 1 254.61 134.46 60.30 94.62 35.5 N 2 254.72 135.12 50.84 75.14 25.1 N 3 251.52 136.23 53.14 34.02 19.8 N 4 253.79 135.68 52.03 78.14 27.0 N 5 254.72 135.12 50.84 75.14 25.1 N 6 254.12 134.47 46.63 72.45 26.7 N 1 % 30 Cam fiber % 70 PET (210-265-270-275-280 C) N 2 % 30 Cam fiber % 70 PET (220-275-280-285-290 C) N 3 % 30 Cam fiber % 70 PET (230-285-290-295-300 C) N 4 % 30 Cam fiber % 70 PET (170 rpm ) N 5 % 30 Cam fiber % 70 PET (230 rpm ) N 6 % 30 Cam fiber % 70 PET (290 rpm ) 3.3 Morfolojik Özellikler Seçilen çeşitli kompozitlerin SEM mikrografları Şekil 4 de görülmektedir. Artan cam fiber miktarıyla PET ve cam fiber arasındaki yapışmanın daha iyi olduğu söylenebilir. SEM mikrografları cam fiber miktarıyla artan çekme dayanımı ve modülü değerlerini de desteklemektedir. (a) (b) Şekil 4. % 10 Cam Fiber - % 90 PET (a), % 45 Cam Fiber - % 55 PET (b) içeren kompozitlerin SEM mikrografları 4. SEMBOLLER T m Erime Sıcaklığı, C H m Erime Isısı, J/g T c Kristallenme Sıcaklığı, C X c Yüzde Kristallenme, % H c Kristallenme Isısı, J/g 5. KAYNAKLAR w PET Kompozitteki Ağırlıkça PET Yüzdesi [1] Pawlak, A., Pluta, M., Morawiec, J., Galeski, A., Pracella, M., Characterization of Scrap Poly(ethylene terephtahlate), European Polymer Journal, 36, 1875-1884, 2000 [2] Lee, D., Shin, I., Effects of vacuum, mold temperature and cooling rate on mechanical properties of press consolidated glass fiber/pet composite, Composites Part A, 33, 1107-1114, 2002 [3] Toth, K., Czvikovszky, T., Abd-Elhamid, M., Radiation-assisted PET recycling using glass fiber reinforcement and reactive additives, Radiation Physics and Chemistry, 69, 143-147, 2004