Polipropilen
etilen-alfa-olefin kopolimer harmanlarının fiziksel ve reolojik özelliklerinin incelenmesi / Investigation of physical and rheological properties of polypropylene / ethylene-alpha-olefin copolymer blends
Yazar: ALP ALPARSLAN
Danışman: PROF. DR. ALİ DURMUŞ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Polipropilen = Polypropylene

Özet:
Bu çalışmada farklı α-OC konsantrasyonlarındaki (ağ. %10-35) PP-αOC harmanları farklı α-OC türleri kullanılarak ve uygun ekstrüder vida tasarımı yapılarak eş yönde dönen çift vidalı ekstrüzyon prosesi ile  hazırlanmış, hazırlanan harmanların yapısal, morfolojik, reolojik, termal ve mekanik özellikleri detaylı bir biçimde incelenmiştir.

Hazırlanan harmanların termoplastik matriks fazını oluşturan bileşen, harmanların işleneceği son plastik şekillendirme prosesi göz önünde bulundurularak enjeksiyon kalıplama prosesinde kullanıma uygun yüksek akışkanlıklı ticari bir polipropilen (PP) türü ve elastomer fazını oluşturan α-OC ise farklı komonomer (1-büten, 1-okten) ve komonomer oranlarında (ağ. % 33,2-41,2) beş farklı ticari etilen büten ve etilen okten kopolimer türleri (EBC, EOC) olarak seçilmiştir.

Çalışmada kullanılan PP, α-OC ve bu bileşenler ile hazırlanan PP-αOC harmanlarının yapısal ve morfolojik analizleri; nükleer manyetik rezonans spektroskopisi (NMR), X-ışını kırınım difraktometresi (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile, reolojik analizler rotasyonel ve kapiler reometreler ile, termal analizler diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile test edilirken, mekanik analizler ise universal test cihazı, Izod & Charpy darbe dayanım test cihazı, ısıl defleksiyon sıcaklığı (HDT) ve Vicat yumuşama sıcaklığı (VST) test cihazları ile gerçekleştirilmiştir.

PP, α-OC'ler ve PP-αOC harmanlarının viskoelastik bölgede reolojik davranışlarının rotasyonel reometre ile detaylı olarak incelenmesiyle elde edilen test çıktılarına çeşitli reolojik modeller uygulanmış; α-OC yapısı ve miktarı ile reolojik değişimlerin harmanların morfolojik ve fiziksel özelliklerine etkisi incelenmiş, PP ve α-OC bileşenlerinin birbirleri ile uyumu değerlendirilmiştir. Harmanların reolojik bulgularına göre yapılan değerlendirmede, viskoelastik davranışların gelişiminde α-OC'lerin LCB ve SCB özelliklerinin etkin parametreler olduğu; LCB'nin daha çok viskoelastik özelliklerinin kantitatif gelişiminde rol oynarken, matriks - elastomer fazlarının uyumunda SCB'nin daha etkin rol aldığı saptanmıştır. Reolojinin, harmanların morfolojik özelliklerinin gelişminin takibinde bir gösterge yöntem olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. Kapiler reometre ile yüksek kayma hızlarında gerçekleştirilen analizler ile elde edilen bulgular ile bu harmanların endüstriyel plastik işleme proseslerindeki davranışları hakkında öngörüde bulunulmuştur.

Harmanların mekanik analiz çıktılarına göre yapılan değerlendirmelerde ise; harmanların sağlamlık/tokluk dengesinin optimum düzeyde tutulabilmesi için SCB'nin, diğer bir ifade ile α-OC komonomer tür ve oranının çok etkin bir parametre olduğu gözlenmiş, % 41,2 1-okten içeren α-OC ile tokluk/sağlamlık dengesinin % 25-35 α-OC konsantrasyonlarında en etkin olduğu saptanmıştır. Mekanik özelliklerin dengelenmesinde etkin olan bu parametrelerin PP ve α-OC bileşenlerinin uyumsuzluğundan geliştiği reolojik ve morfolojik bulgular ile de desteklenmiştir.

Elde edilen bulgular, literatürdeki deneysel çalışmalar ile bu bulguların kıyaslanması ve teorik modeller ile; hazırlanan PP-αOC harmanlarının "mikro yapı - reoloji - termal ve mekanik özellik" ilişkileri, PP ile farklı α-OC tür ve konsantrasyonlarındaki etkileşimleri dikkate alınarak ayrıntılı bir biçimde incelenmiş, reolojik analizlerin bu malzemelerin mikroyapı ve birbirleri ile uyumunu aydınlatmada faydalı bilgiler veren önemli bir karakterizasyon tekniği olduğu kanısına varılmıştır. Ayrıca, bilimsel olarak özellikleri detaylı bir şekilde araştırılan harmanların endüstride uygulamaya yönelik kullanım potansiyelleri değerlendirilmiştir.

Abstract:
In this study, PP-αOC blends with different types and concentrations of α-OCs (10-35% w.)  were prepared by co-rotating twin screw extruder with doing appropriate extruder screw design. Structural, morphological, rheological, thermal and mechanical properties of the blends were investigated in detail.

The matrix component of the prepared blends was selected as a commercial high flow polypropylene (PP) with considering the end plastic shaping process by injection molding, and the α-OCs as elastomer phase with different comonomer (1-butene, 1-octene) and comonomer amounts (33,2-41,2% w.) were selected as five different commercial ethylene butene and ethylene octene copolymers (EBC, EOC).

The structural and morphological analysis of the PP, α-OCs and the PP-αOC blends were performed with nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), X-ray diffraction spectroscopy and scanning electron microscope (SEM). The rheological analysis were performed with rotational and capillary rheometers, thermal analysis with differantial scanning calorimetry (DSC) and the mechanical analysis with universal test device, Izod & Charpy impact, heat deflection temperature (HDT) and Vicat softeninig temperature (VST) test devices.

The rheological models were investigated within the rheological behavior of the PP,  α-OCs and PP-αOC blends in the viscoelastic region in detail. The changes in rheological characteristics with α-OC structure and amount, the effect of these changes on morphological and physical properties were investigated with the compatibility evaluation of PP and α-OC components in the blends. According to rheological evaluations, LCB and SCB were investigated as the effective parameters taking role in the viscoelastic property development of the blends. The LCB was investigated as the acting parameter on quantiative development of viscoelastic properties, besides the SCB is more effective on compatibility of the matrix - elastomer phases. It was determined that, rheology can be used as a probe tool to elucidate the morphological development of the blends. The rheological behavior of the blends through the industrial plastic processing was predicted by the outputs of the analysis performed at high shear rates by capillary rheometer.  

According to the mechanical test analysis evaluations, SCB, in other words α-OC type and amount were investigated as the most effective parameters for holding the stiffness/toughness balance of the blends optimum.  The stiffness/toughness balance was evaluated as effective with α-OC which includes 42,1% w. 1-octene with 25-35% α-OC concentrations in the blends. The parameters effective on balancing the mechanical properties originates from the incompatability of PP and α-OC components which was also supported with rheological and morphological indications.

The "microstructure - rheology - thermal and mechanical property" relations of the PP-αOC blends were investigated by taking the interactions of PP and α-OCs in different concentrations into account in detail with the obtained test results, experimental studies which take place in the literature and therotical models. It was concluded that, rheology as an important characterization technique gave useful information for elucidating the microstructure and compatability of the PP-αOC blends. Also, the industrial application potential of the blends were evaluated of which properties were scientifically investigated in this study.