Plastik ekstrüzyon ürünlerinde gaz geçiş özelliklerinin incelenmesi ve geliştirilmesi
Investigation and development of gas transport properties of extruded plastic products
Yazar: SÜLEYMAN DEVECİ
Danışman: PROF. DR. MUALLA ÖNER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Nanokompozitler = Nanocomposites ; Plastik borular = Plastic pipes

Özet:
Ekstrüzyon yöntemi ile üretilen polipropilen borular hem ev tesisatlarında hem de endüstriyel uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Evsel ve endüstriyel kullanım sırasında ortamdaki oksijenin, plastik borunun iç hacmine geçişi, borunun bağlı olduğu tesisatta kullanılan metal ekipmanlarda korozyona neden olmaktadır.Polimerik malzemelerin gaz geçiş hızını belirleyen faktör polimerin gaz difüzyon katsayısıdır. Polimerik film ve levha şeklindeki ürünlerin oksijen gazı difüzyon katsayısının ölçülmesi için birçok cihaz bulunmaktadır. Ancak plastik borular için, silindirik koordinatlarda, sabit hacim değişken basınç metodu ile gaz geçişini ölçecek ve difüzyon katsayısını belirleyecek bir sistem ve yayınlanmış çalışma mevcut değildir. Plastik bir üründe, üretim yönteminin polimerin morfolojik yapısı üzerindeki etkisi büyük olduğundan, kartezyen koordinatlarda film ya da levha ekstrüzyonu ile üretilen ince film ya da ince levha şeklindeki polipropilen malzemeler için ölçülmüş difüzyon katsayıları, silindirik koordinatlarda sürekli ekstrüzyon yöntemi ile üretilen kalın etli plastik borularda farklı sonuçlar verebilir.Bu çalışmada silindirik koordinatlarda polimerik malzemelerin gaz difüzyonu katsayısını ölçebilmek için sistem gereksinimleri tasarlanmış ve bir plastik borunun gaz difüzyon katsayısını plastik boru numunesi kullanarak ölçebilecek bir test sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen bu test sistemi ile 20 mm dış çapında, 3,4 mm et kalınlığında polipropilen boruların oksijen difüzyon katsayısı ölçülmüştür.Polipropilen boruların ev veya endüstriyel tesisata döşendikten sonra kullanım süresi boyunca plastik boruda meydana gelebilecek morfolojik değişiklikler hızlandırılmış yaşlanma testleri ile daha kısa sürede gerçekleştirilmeye çalışılmıştır.Uygulanan ısıl ve mekanik yaşlandırmaların polipropilen boruların morfolojik ve mekanik özelliklerine etkisi Pozitron Yok Olma Ömrü Spektroskopisi (PALS), Fourier Transform İnfrared Spektroskopisi (FTIR), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC), Eriyik Akış İndisi (MFI), yoğunluk ve çekme testleri ile tespit edilmiştir. Uygulanan yaşlandırma tiplerinin polipropilen boruların difüzyon katsayılarına etkisi geliştirilen yeni ölçüm sistemi ile belirlenmiştir.Çift burgulu ekstrüderde nanokil, kalsit ve cam elyaf katkılı polipropilen kompozit malzemeler hazırlanmış, hazırlanan bu kompozit malzemeler ile çok katmanlı polipropilen borular üretilmiştir. Çok katmanlı yapının polipropilen boruların oksijen difüzyon katsayısına olan etkisi geliştirilen yeni ölçüm sistemi ile incelenmiştir.Çalışma sonucunda polipropilen borunun difüzyon katsayısını ölçmek için yeni bir test sistemi geliştirilmiştir. Polipropilen boru için elde edilen difüzyon katsayısının polipropilen filmler veya levhalar için literatürde verilen değerden daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.Yaşlandırmaların test edilen tüm numunelerde kristal yapı içerisinde bulunan serbest hacim boşluk çaplarında küçülmeye, kopma gerilmesi ve kopmada uzama değerlerinde azalmaya, kristalizasyon yüzdesinde artmaya, karbonil ve hidroksil indeksinde yükselemeye ve yoğunluk değerlerinde artmaya neden olduğu görüşmüştür.110 °C'de etüv içerisinde sabit sıcaklıkta ısıl yaşlandırma ve 90- 20 °C sıcak - soğuk ısıl çevrim testi ile yapılan yaşlandırmaların polipropilen borunun gaz difüzyon katsayısını artırdığı, sıcak su içerisinde hidrostatik basınç altında uzun süre bekletmenin ise borunun gaz difüzyon katsayısını düşürdüğü tespit edilmiştir.Nanokil, kalsit ve cam elyaf ile elde edilen kompozit yapıların orta katman olarak kullanıldığı çok katmanlı borularda oksijen difüzyon katsayısının düştüğü gözlemlenmiştir. Kil-polipropilen nanokompozit ara katmanının kullanıldığı çok katmanlı borularda kompozit yapıdaki inorganik madde oranı kalsit ve cam elyaf ile hazırlanan kompozit yapılardakinden beş kat daha düşük olmasına rağmen oksijen bariyer özelliğini diğerlerine nazaran üç kat daha fazla artırdığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Polypropylene pipes, produced by plastic extrusion, are widely used in both home plumbing systems and industrial applications. The oxygen transport from surrounding air, in home or industrial zone, to the inner volume of the pipe, causes corrosion on metallic equipments installed on the plumbing systems.Gas transport rate through polymeric media is governed by gas diffusion coefficient. There are several equipments to measure gas diffusion coefficient of polymer films and sheets in Cartesian coordinates. To the best of our knowledge there is no commercial equipment and published research work to measure gas transport properties of plastic pipes with using constant volume - variable pressure method in cylindrical coordinates. Due to the effect of processing history on the polymer morphology, measurement of the diffusion coefficient of polypropylene thin films and sheets produced with film or sheet extrusion in Cartesian coordinates can be different from the diffusion coefficient of the thick polypropylene pipes produced with pipe extrusion in cylindrical coordinates.In this study, a new measurement system has been designed and produced to measure gas diffusion coefficient of plastic pipes in cylindrical coordinates. Diffusion coefficients of polypropylene pipes which have 20 mm outer diameter and 3,4 mm wall thickness have been measured with this novel test system.With accelerated aging of polypropylene pipes, it was simulated to see the morphological and mechanical changes on plastic pipes during long term real working conditions after installation on home plumbing or industrial systems.The effect of accelerated thermal and mechanical aging on the polypropylene pipes have been determined by Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Melt Flow Index (MFI), density measurements and tensile testing. The effect of the accelerated aging type on the gas diffusion coefficient has also been investigated.Nanoclay - polypropylene, short glass fiber - polypropylene and calcium carbonate - polypropylene composite matrixes have been prepared by twin screw extruder and multilayer polypropylene pipes have been produced with using these composite matrixes as middle layer. The effect of multilayer structures on the diffusion coefficient of the plastic pipe has been analyzed.As a result of this work, a new test system has been developed to measure gas diffusion coefficient of the polypropylene pipes with using pristine samples. It was found that the diffusion coefficient of the polypropylene pipe is higher than the reported diffusion coefficient of the polypropylene film or sheet in the literature.It was determined that the free volume radii of the crystalline phase, stress on break and strain on break decreased; crystallinity, carbonyl and hydroxyl indexes and densities increased for all aged samples.It was found that accelerated aging in a heating oven at 110 ºC and accelerated aging with hot and cold thermal cycling between 90 ºC and 20 ºC cause an increase in oxygen diffusion coefficient of tested polypropylene pipes, but accelerated aging with hydrostatic internal pressure test at 95 ºC and 35 bar causes a decrease in the oxygen diffusion coefficient of tested polypropylene pipes.All tested multilayer pipes with nanoclay, calcium carbonate and glass fiber middle layers have showed a decrease in oxygen diffusion coefficient. Nanoclay composite layer showed a decrease in diffusion coefficient three times more than other inorganic composite structures even nanoclay loading in the matrix was five times lower than others.