Polimer reaktörlerinde sıcaklık kontrolü ile elde edilen polistirenin nanosilika ile oluşturduğu kompozit kalitesinin incelenmesi
The investigation of composite obtained from nanosilicate and polystyrene produced in polymerization reactor with temperature control
Yazar: RUZİYE ÇAMKERTEN
Danışman: PROF. DR. SEBAHAT ERDOĞAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Bölümü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Doğal ve sentetik polimerler ile polimer kompozit malzemelerin, endüstrinin birçok alanında ve günlük hayatta çok fazla kullanım alanları bulunmaktadır. Polimerizasyon proseslerinde esas amaç istenilen kalitede polimer ve kompozitlerini üretmektir. Ürün kalitesi ise polimer kompozitin molekül ağırlığına, molekül ağırlığı dağılımına bağlıdır. Reaktörler işletim şartlarından çok fazla etkilenirler, istenilen kalitede ürün elde etmek için reaktör işletim koşullarının optimize edilmesi ve kontrolü gereklidir.Nanoteknoloji araştırmaları malzemenin yapısını molekül düzeyinde değiştirme şansını verir. Araştırmacılar molekülleri yeniden tasarlayarak pek çok fonksiyonu üründe bir araya getirebilirler. Değişik gaz ve sıvı geçirgenlikleri elde edilebilir. Nano parçacıkların ilavesi ile ürünlerde ışığa ve aleve direnç, güçlü mekanik ve ısıl performans ve gazlara karşı yüksek bariyer özellikleri sağlanır.Bu çalışmada, kesikli bir polimerizasyon reaktöründe, minumum sürede istenilen dönüşüm ve molekül ağırlığa ulaşmak için gerekli optimum reaksiyon sıcaklığı, kendinden ayarlamalı PID kontrolör ile kontrol edilmiştir. Optimum ayar parametrelerinde genetik algoritma kullanılmıştır.Çalışma iki deneysel kısımdan oluşmuştur. İlk basamak polistirenin kesikli polimerleşme reaktörünün kontrollü ve kontrolsüz durumunda eldesidir. Bu basamakta çözelti polimerleşmesinde polistiren, toluen, benzoil peroksit sırası ile monomer, çözücü ve başlatıcı olarak kullanılmıştır. İkinci aşamada, nano boyutta silikayla kontrollü ve kontrolsüz olarak üretilen polistirenle çeşitli oranlarda kompozitler üretilmiştir.Hazırlanan kompozit malzemelerin karakterizasyon aşamasında, termal özelliklerinin belirlenmesi için diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA), kırılma yüzeylerinin karakterizasyonunda taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır, polistirenin molekül ağırlığı bulunmuştur ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi için sertlik testleri uygulanmıştır.Yapılan mekanik karakterizasyon sonunda, artan silika oranının kompozit malzemelerin sertlik ve mekanik dayanımlarını arttırıcı, polistirenin kırılganlık özelliğini artırıcı yönde etkilediği görülmüştür. Isıl dayınımlarının artışını TGA ve DSC temogramlarında alınan sonuçlar desteklemektedir.

Abstract:
Natural and synthetic polymers with polymer materials are used in many areas in various industries in our life. The main objective in polymerization processes is to produce polymer of desired quality. Product quality depends on the molecular weight and molecular weight distribution. Since reactors are strongly influenced by the reactor process conditions, in order to obtain a product at desired quality, reactor process conditions must be optimized and controlled.Nanotechnology gives the researchers the chance to change the structure of the materials on the molecular scale. Researchers can build up new desing of molecules to achieve several functionalities. Different gas and water permeabilities can be obtained. By adding nanoparticles, packages can be more light and fire resistant, can have stronger mechanical and thermal performance, high gas barrier functionalities.In this study, optimum reactor temperature for the desired conversion and molecular weight in minumum time was track using self-tuning PID controller. To find optimal tuning parameters of controller, genetic algorithm was used.This study is contructed with two experimental steps. In the first experimental step, polystyrene was optained in batch polymerization reactor with control and without control. In this step, styrene, toluene and benzoyl peroxide were used as monomer, solvent and initiator, respectively. In the second experimental step, nanosilica composite particles were obtained in various ratios from the nanosilicate and polystyrene obtained in controlled and noncontrolled reactor.Polystyrene / silica nanocomposite particles were characterized by means of differential scanning calorimeter (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). The fracture surface of the composite material was examined by using scanning electron microscope (SEM). The molecular weight of polystyrene were determined by viscosity. Mechanical properties of composite materials were determined from strength tests were conducted.The strength values of the composite materials, increase with increasing nanosilika content. The thermal stability of composites increased and results are resistance of thermal, the results taken from the TGA and DSC thermograms supported the increase in thermal resistance.