Kalsiyum borat'ın (CaB2O4) polietilen terafitalat'ın (pet) kimyasal bozunması üzerine inhibisyon etkisi ve kalsiyum borat (CaB2O4) katkılı petten üretilen şişelerin mekanik davranışlarının incelenmesi
Improvement of light barrier and mechanical performance of pet packaging material: CaB2O4 synthesis and concentration effect
Yazar: NİHAT BURHAN İNANER
Danışman: PROF. DR. BİLAL DEMİREL
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Asetaldehit = Acetaldehyde ; Etilen glikoller = Ethylene glycols ; Kolemanit = Colemanite ; Polietilen tereftalat = Polyethylene terephthalate ; Termal bozunma = Thermal decomposition ; İzofitalik asit = Isophytalic acid

Özet:
Yapılan bu çalışmada Kalsiyum Borat minerallerinin bir çeşidi olan Kolemanit'in (CaB2O4) Polietilen Tereftalat'a (PET) katkılaması yapılmıştır. PET'in darbe dayanımının artırılması, termal özelliklerinin iyileştirilmesi, işleme tekniklerinin kolaylaştırılması ve kristalinitesinin artırılması amacıyla çeşitli katkı maddeleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada genel olarak ambalaj malzemesi olarak kullanılan PET'e Kolemanit ilave edilerek elde edilen malzemeden üretilen şişelerin mekanik, fiziksel, kimyasal ve termal özellikleri incelenmiştir. Kimyasal özelliklerin incelenmesinde gerek mekanik gerekse termal etki kaynaklı açığa çıkan Asetaldehit (AA), Karboksil Uç Gruplar (COOH), Dietilen Glikol (DEG), İzoftalik Asit (IPA) gibi kimyasalların konsantrasyon değişimi ölçülmüştür. Termal özelliklerin incelenmesinde saf ve katkılı numunelerin Tg, Tm ve Tc sıcaklıkları ölçülmüştür. Mekanik özelliklerin incelenmesinde ise nihai ürün olan şişelerin yük taşıma kapasitesi, iç basınç dayanımı, çevresel gerilim çatlama dayanımı, termal dayanım kapasitesi ölçülmüştür. Çalışmada PET'e katkı malzemesi olarak kullanılan CaB2O4 bileşiği sol-jel yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Elde edilen CaB2O4 bileşiği çift burgulu ekstrüder kullanılarak PET granülleri ile harmanlanmış ve PET/CaB2O4 kompozitler hazırlanmıştır. PET'e CaB2O4 katkılaması kütlece % 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8 oranlarında yapılmıştır. Elde edilen katkılı granüller ilk olarak enjeksiyon kalıplama ile preform, ardından şişirme kalıplama yöntemi ile şişe haline getirilmiştir. Elde edilen nihai ürün olan şişelere yük taşıma, iç basınç dayanım, çevresel çatlama, termal dayanım testleri uygulanmış, mekanik özelliklerdeki değişimleri açıklamak adına bölgesel ağırlık ve kalınlık dağılım testleri gibi mekanik testler uygulanmıştır. Ayrıca, kimyasal ve fiziksel değişimlerdeki nedenleri açıklamak için XRD, SEM, FTIR, ve DSC analizleri de gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışma sonucunda COOH için 50.44≌77.87, AA için 3.99 ≌ 46.01, DEG için 1.75≌2.16 aralığında sonuçlar elde edilmiştir. Diğer taraftan IPA, miktarlarında ise büyük oranda bir değişim olmadığı gözlenmiştir. Yük taşıma kapasitesi ise CaB2O4 ilavesi ile belli bir orana kadar iyileşmiş ağırlıkça %0,2 CaB2O4 ilavesinden sonra azalmıştır. Standart çevresel gerilim çatlama test prosedürüne göre yapılan ESCR değerleri bütün katkı oranları için saf PET'e göre oldukça yüksek çıkmıştır. Elde edilen bulgulara göre, PET'e CaB2O4 ilavesinin PET'in mekanik ve termal özelliklerini iyileştirdiği söylenebilir.  

Anahtar Kelimeler: CaB2O4-Kolemanit- PET- Polietilen Teraftalat –Şişe - Termal Bozunma- Mekanik Bozunma- Asetaldehit- Etilen Glikol-İzofitalik Asit

Abstract:
In this study, Colemanite (CaB2O4), a type of Calcium Borate mineral, was added to Polyethylene Terephthalate (PET). Various additives are used to increase the impact resistance of PET, to improve its thermal properties, to simplfy its processing techniques and to increase its crystallinity. In this study, the mechanical, physical, chemical and thermal properties of the bottles produced from the material obtained by adding Colemanite to PET, which is generally used as a packaging material, were investigated. In the analysis of chemical properties, the concentration change of the chemicals such as Acetaldehyde (AA), Carboxyl End Groups (COOH), Diethylene Glycol (DEG), Isophthalic Acid (IPA) released due to both mechanical and thermal effects were measured. Tg, Tm and Tc temperatures of the pure and added samples were measured in the analysis of thermal properties. In the analysis of the mechanical properties, the load carrying capacity, burst pressure capacity, environmental stress cracking resistance, thermal resistance of the final products were measured. In the study, CaB2O4 compound, which was used as an additive to PET, was synthesized using the Sol-Gel method. The obtained CaB2O4 compound was blended with PET granules by using a twin screw extruder and PET/CaB2O4 composites were prepared. Addition of CaB2O4 to PET was made at 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8 percent by mass. Firstly, preforms were produced with the obtained granules with CaB2O4 through injection molding process, the bottles which are the final product were blown by Stretct Blow Moulding Method. Top Load capacity, burst pressure strength, environmental stress crack resistance and thermal resistance tests were applied to the bottles, and mechanical tests such as regional weight and thickness distribution tests were also carried out to explain the changes occuring in the mechanical properties. In addition, XRD, SEM, FTIR, and DSC analyzes were also performed to explain the reasons in the chemical and physical changes. In conclusion, the values between 67.87 and 60.05, 5.80 and 6.36, 1.83 and 1.52 were obtained for COOH, for AA, for DEG, respectively. On the other hand, it was observed that there was no significant change in IPA value. The load carrying capacity increased for a certain addition ratio but decreased after 0.2% CaB2O4 addition. Environmental stress cracking resistance values for all CaB2O4 ratios were significantly higher than the one for pure PET, which was carried out to the standard environmental stress cracking test procedure. Especially for the low addition values, it is much higher compared to the pure PET. As a result, it can be said that CaB2O4 addition improved the mechanical and thermal properties of PET.

Keywords: CaB2O4- Colemanite – PET - Polyethylene Terephthalate – Bottle - Thermal Decomposition - Mechanical Decomposition – Acetaldehyde - Ethylene Glycol - Isophthalic Acid