Motor soğutma sistemleri için ekstrüzyon yöntemiyle polifenilen sülfit (PPS) boru üretimi ve üretim parametrelerinin optimizasyonu
Production of polyphenylene sulfide (PPS) pipes by extrusion for engine cooling systems and optimization of process parameters
Yazar: MUSTAFA SEVDAROĞLU
Danışman: PROF. DR. BURAK ÖZKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Polimerler = Polymers

Özet:
Plastikler ve plastik kompozitleri, hafif olmaları, kolay işlenebilmeleri, ucuz olmaları ve geri dönüştürülebilir olmaları sebebiyle günümüzde en yaygın kullanılan malzemelerin başında gelmektedirler. Katı cisimler halinde şekillendirilebilirler ve sentetik ya da yarı sentetik olarak bulunabilirler. Günlük hayattan yüksek teknolojik sektörlere kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Sahip oldukları gelişmiş özellikler sayesinde seramik ve metal malzemelerin yerine tercih edilmektedirler. Ayrıca üretim maliyetlerinin düşük olması ve şekillendirme kabiliyetlerinin yüksek olması da plastikleri diğer malzemelere göre öne çıkarmaktadır.
Plastikler kimyasal yapılarına ve sıcaklık davranışlarına göre termosetler ve termoplastikler olarak ikiye ayrılırlar. Termosetler belli bir sıcaklığın üzerinde kimyasal bir reaksiyona girerek çapraz bağ oluştururlar. Çapraz bağlanma termosetlerin deformasyona karşı dirençli olmasına sebebiyet veren ve tersine çevrilemeyen bir işlemdir. Termoplastikler ise çapraz bağ yapısına sahip değillerdir. Sahip oldukları zayıf bağlar sıcaklık etkisiyle birlikte yumuşamalarına ve erimelerine yol açar. Soğutulduklarında ise bu bağlar tekrar oluşurlar. Bu özellikleri sayesinde termoplastikler defalarca şekillendirilebilirler ve en önemlisi de geri dönüştürülebilirler. Termoplastikler, şekillendirme kabiliyetlerinin yüksek olması, seri üretime daha uygun olmaları ve geri dönüştürülebilir olmaları sebebiyle birçok sektörün ileri endüstriyel uygulamalarında termosetlere kıyasla daha çok kullanılırlar. Enjeksiyon, ekstrüzyon ve şişirme gibi birden çok prosesle üretilebilirler. Üretim işlemleri sırasında herhangi bir kimyasal reaksiyon gerçekleşmediği için diğer tip polimerlere göre daha kısa işlem sürelerine sahiptirler.
Termoplastikler, yapılarındaki molekül zincirlerinin karışık yapısı ve kristalizasyon işleminin zor gerçekleşmesi sebebiyle hiçbir zaman tamamen kristalin yapıya sahip olamazlar. Tamamen amorf bir yapıya sahip olabilecekleri gibi hem amorf hem de kristalin faz içeren bir yarı kristalin yapıya da sahip olabilirler. Yarı kristalin polimerlerin kimyasal ve fiziksel özellikleri, yapının kristalinite oranıyla doğrudan alakalıdır. Plastiklerin kristalinite oranının artmasıyla birlikte, akma mukavemeti, çekme mukavemeti, kimyasal direnci gibi özelliklerinde de artış yaşanmaktadır. Kopma uzamasında ise bir azalma meydana gelmektedir. Plastik yapının kristalinite oranı ise üretim prosesi ile doğrudan alakalıdır.
Termoplastikler termal kararlılıklarına göre standart plastikler, mühendislik plastikleri ve yüksek performans plastikleri olmak üzere üç gruba ayrılırlar. Standart plastiklerden yüksek performans plastiklerine doğru gidildikçe plastiklerin uzun dönem çalışma sıcaklıklarında bir artış görülmektedir. Bununla birlikte maliyetlerinde de bir artış görülmektedir. Polifenilen Sülfit yarı kristalin yapıya sahip olan ve yüksek performans plastiği grubuna giren bir termoplastik polimerdir. Yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek kimyasal direnci ve yüksek mekanik dayanımı sayesinde zorlu ortamlarda çalışmaya uygun bir malzemedir. 200 ⁰C uzun dönem çalışma sıcaklığına sahip olması, düşük yoğunluğu ve oda sıcaklığında çözücüsü olmaması sebebiyle otomotiv sektörü için vazgeçilmez bir malzemedir. Motor yağları, yakıtlar, motor soğutma sıvısı gibi çevresel etkilere karşı yüksek bir dirence sahip olması sebebiyle kaput altı uygulamalarda geniş bir kullanım alanına sahiptir. Soğutma sistemleri, turbo sistemleri ve egzoz sistemleri bu uygulamalardan bazılarıdır.
Bir aracın yolda hareket etmesini sağlayan şey araç motorunun sistemdeki yakıtı tutuşturarak, ortaya hareket enerjisine dönüştürülebilen bir enerji çıkarmasıdır. Bu dönüşüm sırasında ortaya çıkan sıcaklıkları kontrol etmek ve aracın motorunun zarar görmesinin önüne geçmek için motorun verimli bir şekilde soğutulması gerekir. Motorun soğutulması motor soğutma sisteminin görevidir. Temel olarak pompa, radyatör, fan, termostat ve baypas valfinden oluşan motor soğutma sistemi basit bir çalışma prensibine sahiptir. Soğutma sıvısının motorun sıcak bölgelerine ulaşması ve bu bölgelerde enerji transferi gerçekleştirerek motoru soğutması beklenir. Motoru soğutarak ısınan sıvı, radyatöre gelerek hava akımıyla birlikte soğur ve tekrar sistem içerisine pompalanır. 
Soğutma sisteminin bileşenlerini birbirine bağlayan ve soğutma sıvısının sistem içerisinde taşınmasını sağlayan ara elemanlar ise kauçuk hortumlar ve plastik borulardır. Bu elemanlar sistem içerisinde bulunan basınca karşı, motor sıcaklığına karşı ve motorun titreşim hareketlerine karşı dirençli olmak zorundadırlar. Aksi takdirde soğutma sıvısı sistem bileşenlerine transfer edilemez ve motor zarar görür.
Motor soğutma sistemlerinde kullanılan boruların şekillendirilmesi genellikle ekstrüzyon yöntemi ile gerçekleştirilmektedir. Ekstrüzyon prosesi hortum, boru, tüp gibi belli bir et kalınlığına sahip içi boş ürünleri elde etmek için kullanılan bir sürekli üretim metodudur. Hammaddenin toz veya granül olarak girdiği, dış çapı ve et kalınlığı belli bir ürün olarak çıktığı bir yapıya sahiptir. 
Bu çalışma kapsamında öncelikle ekstrüzyon yöntemiyle 8 mm dış çap ve 1 mm et kalınlığı ölçülerine sahip PPS boru üretilmiştir. Ekstrüzyon işlemi sırasında kullanılan uç-mühre ikilisinden; uç 8 mm çap ölçüsüne, mühre ise 12 mm çap ölçüsüne sahiptir. Kullanılan kalibre ise 8,35 mm çap ölçüsüne sahiptir. Boru üretimi 275 ⁰C ekstrüder sıcaklığı, 72 devir/dakika vida hızı, (-40 mm-Hg) vakum ve 15 metre/dakika hat hızı değerleri ile gerçekleştirilmiştir.
Ekstrüzyon prosesinde hat hızı, vakum, malzeme sıcaklığı, vida hızı, vida geometrisi ve vida basıncı gibi parametreler ürün kalitesini belirleyici parametrelerdir. Bu parametrelerin ekstrüzyon prosesine ve ortaya çıkan ürünün kalitesine olan etkileri birçok kez literatüre konu olmuştur. Teklas plastik ekstrüzyon üretim hattında ise kontrol edilebilen parametreler vida hızı, hat hızı, sıcaklık ve vakum parametreleridir. Bu parametrelerin arasından sıcaklık, hat hızı ve vakum parametreleri üretim hattının optimizasyonu için test edilecek faktörler olarak belirlenmiş ve bu parametrelerdeki değişimlerin ürünün performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu inceleme için de 'söz konusu parametrelerin ürün performansına etkisi yoktur' hipotezi, H0 hipotezi olarak kabul edilmiştir.
Belirlenen faktörlerdeki değişimin ürün performansı üzerindeki etkilerini test edebilmek için tam faktöriyel deneysel tasarım metodu uygulanmıştır. Bu tasarımla birlikte her bir faktörün bir düşük ve bir yüksek seviyesi ele alınmıştır. Seviyeler sıcaklık parametresi için 275 ve 285 ⁰C, hat hızı parametresi için 13 ve 15 metre/dakika ve vakum parametresi için de (-40) ve (-55) mm-Hg olarak belirlenmiştir. 
Deneysel tasarım için 3 faktör ve 2 seviye ile 8 (23) farklı deney grubu belirlenmiştir. Bu deney grupları farklı harflere sahip olan deneme indisleriyle kodlanmışlardır. Borular deneme indislerince belirlenen proses parametrelerine ve seviyelerine göre üretilmiştir. Daha sonra her bir deneme üretiminden numune borular alınmış ve bu borulara DSC analizi, sıcak patlatma testi ve çekme testleri yapılmıştır. Testler sonucunda ortaya çıkan sonuçlar Minitab 18 programı ile analiz edilmiş ve sonuçların değişen faktörlerle olan ilişkileri ortaya konulmuştur.
DSC analiziyle birlikte numunelerin erime entalpi değerleri elde edilmiştir. Bu değerlerin malzemenin entalpi değerine oranıyla birlikte numunelerin kristalinite oranları bulunmuştur. Bulunan kristalinite oranları analiz edilmiştir ve parametrelerin kristaliniteye olan etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre kristaliniteye en çok etki eden tekil etkinin Hat Hızı faktörü olduğu görülmüştür. Hat Hızı parametresindeki artış numunenin kristalinite oranını düşürmüş, yani kristaliniteye negatif bir etki yapmıştır. Hat Hızı parametresinde yaşanan artışın malzemenin kayma süresini düşürdüğü, dolayısıyla kristalin yapıların oluşmasının güçleştiği sonucuna varılmıştır. Kristalin yapıyı oluşturmakta zorlanan yapıların daha çok amorf yapıya sahip olduğu ve kristalinite oranlarının düştüğü sonucuna varılmıştır.
Sıcak patlatma testi ile numunelerin basınca ve sıcaklığa karşı dayanımları ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar analiz edilmiş ve parametrelerin değişiminin patlatma testi sonucuna olan etkileri incelenmiştir. Gerçekleştirilen analiz sonucuna göre Hat Hızı parametresinin tekil olarak patlatma basıncı değerini en çok etkileyen faktör olduğu ortaya konulmuştur. Bu parametrenin patlatma basıncı değerlerine negatif bir etkisi olduğu ve parametredeki artışın patlatma basınç değerlerini düşürdüğü görülmüştür. Hat Hızı parametresinde yaşanan artışın kalibrasyon işlemini zorlaştırdığı, boruda oluşan stresi arttırdığı ve dolayısıyla bölgesel zayıflıklara yol açtığı sonucuna varılmıştır. Bölgesel zayıflamalar neticesinde borunun basına karşı direncinin düştüğü sonucuna varılmıştır.
Çekme testi ile birlikte numunelerin kopma uzaması değerleri ölçülmüştür. Sonuçlar analiz edilmiş ve parametrelerdeki değişimin kopma uzaması sonuçlarına olan etkileri incelenmiştir. Analiz sonucunda Vakum ve Sıcaklık parametrelerinin kopma uzaması değerlerini en çok etkileyen parametreler oldukları belirlenmiştir. İki parametrenin de kopma uzaması değerlerine negatif etkilerinin olduğu görülmüştür. Vakum parametresindeki artışın moleküler yönlenmeyi arttırdığı ve böylece kopma uzaması değerlerini düşürdüğü sonucuna varılmıştır. Sıcaklık parametresindeki artışın ise borunun dış ve iç yüzeylerindeki soğuma hızlarındaki farkı arttırdığı ve böylece termal gerilmelere yol açtığı sonucuna varılmıştır. Termal gerilmeler neticesinde de moleküler yönlenmelerin arttığı ve kopma uzaması değerlerinin düştüğü sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Plastics and its composites are among the most widely used materials due to their lightweight, easy processability, cheapness and recyclability. They can be shaped into solid forms and can be synthetic or semi-synthetic. They have a wide range of applications from daily life to high technology. They are preferred to ceramic and metallic materials due to their advanced features. In addition, low production costs and high shaping capabilities makes plastics preferable to other materials.
Plastics are divided into two subcategories according to their chemical structure and temperature behaviour; thermosets and thermoplastics. Thermosets goes under a chemical reaction above a certain temperature and forms crosslinks. Crosslinking is a process that causes thermosets to resist deformation and this process can not be undone. On the other hand, thermoplastics do not have a crosslink structure. Their weak bonds lead them to soft and melt with the effect of temperature and these bonds can be formed again when they cooled. Because of these properties, thermoplastics can be shaped many times and can be recycled. Thermoplastics are more suitable for mass production than thermosets, because of their high forming ability and recyclability. They can be produced by multiple processes such as injection molding, blow molding and extrusion. Since there is no chemical reaction during the production processes, they have shorter processing times than thermosets.
Thermoplastics can never have completely crystalline structure due to their complicated molecule chains in their structure and difficult crystallization process. They can have a completely amorphous structure, as well as a semi-crystalline structure which contains both amorphous and crystalline phases. The chemical and physical properties of semi-crystalline polymers are directly related to the crystallity ratio of their structures. With the increase of the crystalinity ratio of plastics, properties such as tensile strength, yield strength and chemical resistance also increases. On the other hand, elongation at break values decreases. And crystallity ratio of the structure is directly related with production processes of the plastic.
Thermoplastics can be divided into three groups as standard plastics, engineering plastics and high-performance plastics according to their thermal stability. Long-term operating temperatures of high-performance plastics are higher than standard plastics and engineering plastics. However, their costs are also higher than others. Polyphenylene sulphide is a high-performance thermoplastic which has a semi-crystalline structure. It is a suitable material for working in harsh environments due to its high temperature resistance, high chemical resistance and high mechanical strength. It is an indispensable material for the automotive industry due to its long-term operating temperature of 200 ⁰C and its low density. Due to its high resistance to environmental influences such as engine oils, fuels and engine coolants, it has a wide usage in under hood applications. Cooling systems, turbo systems and exhaust systems are some examples of these applications.
What makes a vehicle move on the road is the vehicle engine which ignites the fuel in the system, producing an energy that can be converted into motion energy. The engine must be cooled down efficiently to control the temperatures that arise during this conversion, otherwise it can be damaged. Cooling system is the system which cools down the engine safely. The engine cooling system which mainly consists of a pump, a radiator, a fan, a thermostat and a bypass valve, has a simple working principle. It is expected that the coolant reaches the hot spots of the engine and cools the engine by transferring energy from these regions. The heated liquid goes to the radiator and cools down with the air flow and pumped back into the system.
Plastic pipes and rubber hoses are the connection elements which connects the components of the cooling system and allow the coolant to be carried in the system. These connection elements must be resistant to pressure, temperature and vibration of the engine. Otherwise, the coolant can not be carried within the system and the engine can be damaged.
The pipes which used in the engine cooling systems is generally shaped by the extrusion. Extrusion is a continuous production method to obtain hollow products with a certain wall thickness value such as hose, pipe and tube. It has a different system where the raw material goes into the system as a powder or granule and goes out as finished product which has a certain outer diameter and wall thickness values.
In this study, firstly PPS pipe with 8 mm outer diameter and 1 mm wall thickness was produced by extrusion. For this production, pin with 8 mm diameter, die with 12 mm diameter and calibrator with 8,35 mm diameter were used. The production was performed with 275 ⁰C extruder temperature, 72 rpm screw speed, (-40) mm-Hg vacuum and 15 meters/minute line speed.
In the extrusion process, parameters such as line speed, vacuum, material temperature, screw speed, screw geometry and screw pressure are the parameters that determine the product quality. The effects of these parameters on the extrusion process and the quality of the finished product have been subject to the literature many times. In the Teklas plastic extrusion production line, the parameters that can be controlled are screw speed, line speed, temperature and vacuum parameters. Among these parameters, temperature, line speed and vacuum parameters were determined as the factors to be tested for optimization of the production line, also the effects of changes in these parameters on the performance of the products were examined. For this study, "the parameters in question have no effect on performance of finished product" was accepted as the H0 hypothesis.
In order to test the effects of the change in the factors on the product performance, a full factorial experimental design method was applied. With this experimental design, a low and a high level of each factor has been considered. Levels are determined as 275 and 285 ⁰C for temperature parameter, 13 and 15 meters/minute for line speed parameter and (-40) and (-55) mm-Hg for vacuum parameter.
For the experimental design, 8 (23) different test groups were determined with 3 factors and 2 levels. Each of these test groups are named with different letters. Pipes are produced according to the process parameters and levels determined by the test groups. Then, sample pipes were taken from each trial production and DSC analysis, hot bursting test and tensile tests were performed on these pipes. The test results were analyzed with the Minitab 18 program and the relationships of the results with the changing factors were examined.
Melting enthalpy values of the samples were obtained with DSC analysis. By dividing these values into the enthalpy value of the material, the crystallity ratios of the samples were found. The crystalinity ratios which found were analyzed and the effects of the parameters on the crystalinity were examined. According to the results obtained, it was observed that the single effect that had the greatest impact on crystalline was the Line Speed factor. The increase in the Line Speed parameter decreased the crystalinity ratio of the sample, i.e. it had a negative effect on the crystalinity. It was concluded that the increase in the Line Speed parameter decreases the shear time of the material and thus, it becomes more difficult to form crystalline structures in the samples. It was concluded that the structures that have difficulties in forming the crystalline structure have more amorphous structure and the crystalinity ratios decrease.
Resistance of samples to pressure and temperature were measured by hot bursting test. The results which obtained were analyzed and the effects of the change of parameters on the bursting test result were examined.  According to the analysis result, it was revealed that the Line Speed parameter is the most affective factor for the burst pressure values. It was observed that this parameter had a negative effect on the bursting pressure values and the increase in the parameter decreased the bursting pressure values. It was concluded that the increase in the Line Speed parameter complicates the calibration process, increases the stress on the pipe and causes to regional weaknesses. As a result of regional weakening, the pipe's resistance to the pressure is decrease.
With the tensile test, the elongation at break values of the samples were measured. The results are analyzed and the effects of change in parameters on the results of elongation at break were examined. As a result of the analysis, it has been determined that Vacuum and Temperature parameters are the parameters that affect the elongation at break values the most. It was observed that both parameters had negative effects on elongation at break values. It was concluded that the increase in the vacuum parameter increases the molecular orientation and thus reduces the values of elongation at break. It was concluded that the increase in the temperature parameter is increase the difference in cooling speeds on the outer and inner surfaces of the pipe, thus causing thermal stresses. As a result of thermal stresses, it was concuded that the molecular orientations increase and the values of elongation at break decrease.