Investigation of oxygen and chlorine effect on lifetime of glass fiber reinforced ppa (Polyphthalamide) composites under pressurized and hot water conditions

Abstract

Bu tez çalışmasında, temel olarak %40 cam fiber katkılı poliftalamid malzemesinden üretilmiş örneklerin yaşlanma sürecindeki davranış karakteristiği araştırılmıştır. Çeşitli cam fiber oranlarında poliftalamid (PPA), poliamid 66 (PA 66) ve polipropilen (PP) örneklerle de kıyaslama testleri yürütülmüştür. Hem standart örnekler, hem de kombide kullanılan gerçek parçalar üzerinde testler yürütülmüştür. Kombi merkezi ısıtma (CH) ve sıcak kullanım suyu (DHW) örnekleri ayrı ayrı incelenmiştir. Literatür yaşlanma hızı üzerine iki etkin bileşen olarak oksijen ve kloru vurguladığından (Solvay, 2002; Solvay, 2011; Gates, 2003; Martin, 2008; Lampman, 2003), bu moleküllerin etkileri irdelenmiştir.Malzemenin kristal yapısı ve bu yapının yaşlanma mekanizması üzerindeki etkileri, DSC (diferansiyel taramalı kalorimetre) cihazında izotermal olmayan koşullarda Ozawa modeli ile incelenmiştir. Model PPA GF40 örneklerin izotermal olmayan kristalizasyon davranışına başarılı bir şekilde uyum sağlamıştır. Farklı sıcaklıklarda hesaplanan Ozawa grafiklerinde, genellikle sıcaklık arttıkça Ozawa sabiti m'in arttığı, fakat Ozawa hız sabiti K(T)'nin azaldığı görülmüştür. Avrami yaklaşımı üzerinden hesaplanan büyüme hızları ve kristalizasyon yarı zamanları, hem CH, hem de DHW örnekleri özellikle 6061-saate dek sabit kalma veya azalma eğilimindedirler. Kristalizasyon süreci üzerinden Augis-Bennett ve Kissinger grafikleri ile örneklerin aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Belirleme (korelasyon) katsayısı (R2), Augis-Bennett modelinin genel olarak uygulanabilir olmadığını göstermiştir. Bunun yanında, daha yüksek R2 değerleri sergileyen Kissenger modelinin uygulanabilir olduğu görülmüştür. DSC deneylerinden elde edilen Tm ve Tc değerleri, DHW örneklerin maruz kaldığı, oksijen çözünmüş agresif su ortamını doğrular şekilde, daha yüksek değişimler göstermektedir. Hidrolik parça (HP) örneklerin kristallik dereceleriyse (Xc), özellikle 20 °C/dak. soğutma hızıyla yapılan testler, değerlerin düşüşünü net olarak ortaya koymuştur. Hem CH, hem de DHW örneklerinde yapılan TGA analizlerinde çok farklı sonuçlar elde edilmemiştir. Termal kararlılık açısından, her iki uygulama şartlarında malzemenin benzer performans gösterdiği ve 0-saat örneklere kıyasla termal kararlılığını kaybetmediği açıktır.FTIR analizleri, hidrofilik amid bağlarının suda çözünmesine bağlı olarak, tüm örneklerdeki karbon bağlarına oranlı amid ve aromatik bağları, yaşlanma zamanıyla orantılı çok belirgin olmayan bir artış eğilimi göstermiştir.SEM görüntüleri, hem CH, hem de DHW örnekleri için 1700-saat örneklerinden itibaren çatlak oluşumlarını göstermektedir. Bu sebeple bazı bölgelerde, polimer matrisi-cam fiber arayüzeylerinin yeterince iyi olmadığı görülmektedir. Ancak arayüzey çoğunlukla iyi bir görüntü sergilemektedir.Bağıl viskozite değerleri incelendiğinde, 6061-saatlik DHW örneklerinin, CH örneklere kıyasla 1.5 kat daha fazla düştüğü görülmüştür. Bu sonuç da DHW örneklerinin maruz kaldığı daha saldırgan ortamla örtüşmektedir. Çeşitli oranlarda cam fiber içeren farklı polimer örneklerinde mekanik özelliklerin değişimleri incelenmiştir. Tüm sonuçlar, cam fiber katkılı PPA malzemesinin, alternatif olarak incelenen PA 66 ve PP malzemelerine kıyasla çok daha yüksek performans gösterdiğini kanıtlamıştır.

In this thesis study, parts produced out of polyphthalamide with 40% glass fiber content material was mainly researched to understand ageing behaviour characteristics. Some comparison tests were also conducted with various glass fiber reinforced polyphtalamides (PPA), polyamide 66 (PA 66) and polypropylene (PP) samples. The components in central heating (CH) side and domestic hot water (DHW) side of combi-boilers were studied separately. Since the literature mainly emphasizes two dominant stressors as oxygen and chlorine effects on ageing speed (Solvay, 2002; Solvay, 2011; Gates, 2003; Martin, 2008; Lampman, 2003), the effects of these molecules were studied. The crystal structure and its effects on ageing mechanism were investigated under nonisothermal conditions with Ozawa model by DSC (differential scanning calorimeter). The Ozawa model successfully fits the nonisothermal crystallization behavior of the PPA GF40 samples. It was generally observed as temperature increases, Ozawa constant m increases, but Ozawa rate constant K(T) decreases. The growth rates calculated over Avrami approach and the crystallization half time values tend to remain stable or decrease especially until 6061-hour for both CH and DHW samples. Related with activation energy calculations of crystallization results, Kissinger and Augis?Bennett plots of the samples were obtained. Coefficient of determination (R2) results show that Augis-Bennett model is mostly not valid for this material. However, Kissenger model is mostly applicable as seen with higher R2 values. DSC experiments showed that, Tm and Tc reductions were higher for DHW parts which are attributable to more aggressive aqueous test media with oxygen dissolution. Degree of crystallinity (Xc) values of hydraulic part (HP) samples gives a noticeable drop especially with tests conducted by a cooling rate of 20 °C/min.TGA experiments for CH and DHW samples shows that there is not noticeable difference for the these values. So in terms of thermal stability values of the samples, the performances are similar for both application conditions and also they keep their thermal stability when compared with 0-hour samples. The FTIR analyses conducted for all samples show that amide and aromatic bonds relative to carbon bonds tend to show a small increase due to dissolution of hydrophilic amide bonds in the structure.The SEM images show that cracks are visible since 1700 hours of aged samples for both CH and DHW samples. It seems like the polymer matrix-glass fiber interaction was not good enough in some regions. However, mostly the interaction at polymer matrix-glass fiber interface is good.Relative viscosity results show that, in the long term, DHW samples were destructed around 1.5 times more after 6061-hr at inner sides of the parts when compared with CH samples. This result is in line with more aggressive media.Change of mechanical properties was investigated for various glass fiber containing polymeric materials. All results show that, glass fiber reinforced polyphthalamide materials have much better performancse when compared with PA 66 and PP.