Development of extruded high impact polystyrene foams

Abstract

İkinci dünya savaşından günümüze kadar, polimer endüstrisi yıldan yıla gelişerekbüyümüştür. Günümüzde, kullanılan polimer malzeme miktarları oldukça fazla olup,yılda yüzlerce milyon polimer ürün üretilmektedir. Polimer sektörünün bu denlibüyümesinin ana nedeni, polimer malzemelerin özelliklerinin diğer metalik veseramik malzemeler ile kıyaslandığında avantajlarının oldukça fazla olmasıdır.Öncelikle, polimerler pek çok malzemeye oranla daha hafif materyeller olup,üretimleri oldukça kolaydır. Ayrıca polimerler metaller gibi korozyona uğrayarakaşınmazlar.Polistiren (PS) amorf kimyasal yapıdaki polimerlerden olup, 105 oC camsı geçişsıcaklığına sahiptir. Fiyat olarak pahalı değildir ve en çok kullanım alanına sahipolan polimer malzemelerden biridir. Kullanım alanlarına örnek olarak ise: plastikçatal, bıçak ve tabak parçaları, oyuncaklar, otomotiv endüstrisi, beyazeşya endüstrisive elektronik olarak gösterilebilir. Genel amaçlı polistiren (GPPS) ve yüksek darbedayanımlı polistiren (HIPS) polistiren malzeme türlerindendir. GPPS, şeffaf vekırılgan yapıda bir malzeme olup, polimer sektöründe daha çok kristal adıylabilinmektedir. HIPS ise, içeriğinde % 5-15 aralığında polibütadien (PB) kauçuğubulundurmaktadır. Darbeyi daha iyi sönümleme özelliği, yapısındaki kauçuktangelmektedir. HIPS, PS ve PB malzemelerinin birbiri içerisinde karışmayan harmanyapısından oluşmaktadır.Köpürtülmüş polimerler, polimer matriksin içerisinde gaz boşlukları (hücre) veporlar içeren polimerler olarak tanımlanabilir. Köprtülmüş polimerler oldukça hafifve düşük maliyetli ürünlerdir. Ayrıca, geleneksel köpürtülmemiş polimerlerlekıyaslandığında, karşılaştırılabilir mekanik özelliklere ve ağırlıklarına oranla oldukçayüsek mukavemet değerlerine sahiptirler. Bu gibi avantajlarından dolayı, polimerköpük malzemeler otomobil parçaları, paketleme sektörü, sandviç kapları, inşaatyalıtım sektörü, spor ekipmanları endüstrisi gibi bir çok uygulama alanındakullanılmaktadır.Köpürtülmüş ürünler elde edebilmek için, polimer malzemenin yanı sıra köpürtücüajanların da kullanılması gerekmektedir. Köpürtücü ajanlar, fiziksel köpürtücüajanlar (PBAs) ve kimyasal köpürtücü ajanlar (CBAs) olmak üzere iki sınıfaayrılmaktadırlar. Fiziksel köpürtücü ajanlar; gaz, sıvı veya süper-kritik faz formundaolup, proses esnasında polimer matriksin içerisine direkt olarak enjekte edilmektedir.Kimyasal köpürtücü ajanlar ise katı granül veya toz formunda malzemeler olup,proses esnasında sıcaklıkla beraber dekompoze olarak gaz açığa çıkarmakta, busayede polimer malzemede köpürtme sağlanmaktadır.Polimer köpük malzemeler hücre morfolojisine göre açık veya kapalı hücreli; şişmeoranına göre yüksek yoğunluklu, orta yoğunluklu ve düşük yoğunluklu, hücreyoğunluğu ve hücre boyutuna göre mikro hücreli, ince hücreli ve geleneksel köpükler olmak üzere sınıflandırılırlar. Polimer köpük malzemeler üretebilmek içinpek çok geleneksel polimer proses etme yöntemi kullanılabilir. Sürekli prosesler vebatch prosesi, iki farklı polimer köpük üretim yöntemine örnektir. Sürekli proseslerde kendi içerisinde ekstrüzyon köpürtme ve emjeksiyon köpürtme (yarı-sürekli)prosesleri olarak iki farklı grupta incelenebilir.Ekstrüzyon köpürtme prosesinde, proses esnasında direkt olarak fiziksel köpürtücüajan enjeksiyonu veya kimyasal köpürtücü ajanın dekompozisyonu ile polimer/gazkarışımı yüksek basınç altında oluşturulur. Proses içerisindeki basınç, polimerin gazçözünürlük limitinin altındayken gaz, polimer içerisinde çözünür. Polimer/gazkarışımı ekstrüderin kalıp bölgesine geldiğinde ise, burada oluşan ani basınç düşüşütermodinamik bir kararsızlık yaratır. Bu sayede, bu bölgede hücre çekirdeklenmesive büyümesi başlar.Bu tez çalışmasında, çift vidalı ekstrüderde, iki farklı kimyasal köpürtücü ajankullanılarak, HIPS polimerinin köpürtme davranışı incelenmiştir. Köpürtülmüşnumuneleri elde etmek için, 4 mm uzunluğunda ve 2 mm çapında filament kalıbıkullanılmıştır. Kimyasal köpürtücü ajanların birbirinden farklı tarafı ajanlarındekompozisyon sıcaklıklarıdır. CBA-1 ve CBA-2 olarak adlandırılan bu iki kimyasalköpürtücü ajanın, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal gravimetrikanaliz (TGA) cihazları kullanılarak termal özellikleri ve dekompozisyon sıcaklıklarıbelirlenmiştir.Proses sıcaklıklarının köpürtme davranışı üzerindeki etkisinin görülmesi amacıyla,CBA-1 için üç, CBA-2 için ise beş farklı ekstrüder kovan sıcaklık profilibelirlenmiştir. Her iki köpürtücü ajan için de optimum proses sıcaklık profilibelirlendikten sonra, beş farklı kalıp sıcaklığı kullanılarak (en düşük sıcaklıktan enyüksek sıcaklığa kadar), her iki köpürtücü ajan için de denemeler yapılmıştır. Budeneyler ile, kalıp sıcaklığının HIPS polimerinin köpürtme davranışı üzerindekietkisi incelenmiş, her iki köpürütücü ajan için de en uygun kalıp sıcaklıklarıbelirlenmiştir.Bir sonraki adımda, köpürtücü ajan oranının köpürtme üzerindeki etkisiincelenmiştir. Her iki köpürtücü ajandan da üç farklı oranda (düşük, ortalama veyüksek oran) kullanılarak deneyler gerçekleştirilmiştir. En uygun köpürtücü ajanoranları belirlendikten sonra, ekstrüder vida dönüş hızının (RPM) HIPS polimerininköpürtme davranışına etkisi incelenmiştir. Dört farklı vida dönüş hızı (düşük,ortalama, yüksek ve çok yüksek RPM) uygulanmış, ve her iki köpürtücü ajan için deen uygun RPM belirlenmiştir.Bu tez çalışmasında, HIPS polimerinin köpürtme davranışının incelenmesine, GPPSve HIPS polimerlerinin farklı oranlarda harmanlanmasıyla devam edilmiştir.Ağırlıkça farklı oranlarında (sadece HIPS, HIPS ve düşük oranda GPPS harmanı,HIPS ve yüksek oranda GPPS harmanı) harmanlar hazırlanarak, GPPS'in köpürtmeüzerindeki etkisi, her iki köpürtücü ajan için de incelenmiştir. Sonrasında,çekirdeklendirici ajan olarak farklı oranlarda, üç farklı inorganik katkı kullanılmış vefarklı oranlardaki farklı çekirdeklendirici ajanların, HIPS polimerinin köpürtmedavranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çekirdeklendirici ajan olarak; düşük,ortalama ve yüksek oranlarda talk, kalsiyum karbonat ve mikro lamel yapılı talkkullanılmıştır.Köpürtülmüş HIPS filament numuneleri iki farklı açıdan karakterize edilmiştir.Öncelikle, köpürtülmüş numunelerin yoğunlukları saf su içerisinde ölçülüp, Arşimedeşitliği kullanılarak hesaplanmıştır. Sonrasında, her bir numunenin içerisindeki boşluk oranları hesaplanmışır. Ayrıca, taramalı elektron mikroskobu (SEM)kullanılarak, köpürtülmüş numunelerin hücresel yapıları incelenmiştir. İlk olarak,köpürtülmüş HIPS filamentleri sıvı azot altında kırılmış ve her bir numune altın ilekaplanmıştır. Elektron mikroskobunda hücresel yapı tayini yapıldıktan sonra ise, tümnumunelerin hücre boyutları, hücrelerin polimer matriks içerisindeki dağılımlarıincelenmiş, hücre yoğunlukları hesaplanmıştır.

The use of polymers has been increaseed significantly since the second world war.Currently, hundreds of millions of polymeric products are being manufactured. Thisis due to the advantages that polymers could provide compared to other metallic orceramic counterparts. Firstly, polymers possess low density and their manufacturingis cheaper and easier. In addition, polymers are corrosion resistant materials.Polystyrene (PS) is an amorphous polymer that has glass transition temperature ofaround 105 oC. It is cheap and one of the mostly used polymers in commodityapplications. There are many areas for the use of PS such as plastic cutlery, pots,toys, automotive industry, whitegoods industry, electronics etc. General purpose PS(GPPS) and High impact PS (HIPS) are the types of PS that are widerly being usedin various areas. GPPS is a transparent and brittle material and it is known as crystalin plastic industry. HIPS is also a blend of PS which contains around 5-15 wt %polybutadiene (PB) rubber. These two polymers form an immiscible blend of PS andPB.Foamed polymers can be defined as polymers include bubbles and pores. Foamedpolymers are very light weight and cost-effective materials. In addition, they havecomparable mechanical properties and very high strength to weight ratios as it iscompared to conventional neat polymers. Because of such advantages, the polymericfoams are used in many applications such as automobile parts, packaging industry,sandwich caps, insulators in construction industry, sport industry etc.The use of blowing agents are required in order to obtain foamed structure infoaming process. Blowing agents are classified into two groups as physical blowingagents (PBAs) and chemical blowing agents (CBAs). PBAs are directly injected intothe polymer matrix melt during processing and they are in the form of gas, liquid orsupercritical phase. On the other hand, CBAs decompose and generate gases duringprocessing and they are in the form of solid granules or powder.Polymeric foams can be classified as open or closed cell foams based on themorphology; microcellular, fine celled and conventional foams as the cell density;high density, medium density and low density based on void fraction or expansionratio. Many of traditional polymer processing methods can be performed in order toproduce polymeric foams. Batch process and continuous process are the twotechniques for foam production. Continious process also classified into two groups asfoam extrusion and foam injection molding (semi-continuous).In foam extrusion process, polymer/gas mixture starts to be generated by the directlyinjection of PBA or decomposition of CBA under higher pressure during processing.The gas dissolve in to polymer matrix when the pressure is under the solubility limitof polymer. When the polymer/gas mixture flew through the extruder die, the sudden pressure drop at the die nozzle creates thermodynamic instability and causes cellnucleation and growth during the foaming step.This thesis studies the extrusion foaming behavior of HIPS through a twin-screwextruder using two various types of CBAs. The filamentary die having 4 mm lengthand 2 mm diameter was used in order to obtain foamed filament samples for eachexperiment. The CBAs differences is about their decomposition temperatures. TheseCBAs were named as CBA-1 and CBA-2 and they were thermally analyzed in orderto observe the thermal properties and decomposition temperatures by usingdifferantial scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetric analysis (TGA).Three and five different extruder barrel temperature profiles were determined inorder to observe the effect of processing temperature for CBA-1 and CBA-2,respectively. After the determination of optimum processing temperature profile forboth CBAs, the five different die temperature profiles (from the highest to the lowesttemperature) were tailored during the foaming of HIPS for two different CBAs. Theeffect of the die temperature on the foaming behavior of HIPS was observed, and theoptimum die temperature profile was determined.The next step is to verify the CBA content effect on the foamed HIPS for both CBAs.Three different contents (i.e., low, moderate and high content) of chemical blowingagents were used for each CBAs and content of CBA on foamig was investigated.After the determination of optimum CBA content for both CBAs, effect of screwRPM (revolution per minute) on the foaming behavior of HIPS was, subsequently,illustrated for both CBAs. Four different screw RPM (low, moderate, high, very highRPM) were tailored during the foaming of HIPS for two different CBAs and themost proper RPM conditions were selected for CBA-1 and CBA-2.The HIPS extrusion foaming behavior was further investigated via blending it withGPPS at the various blending cotents (neat HIPS, HIPS with low content GPPS,HIPS with high content GPPS). The effect of GPPS and its blending content wasinvestigated for both CBAs. After that, foaming behavior was also examined viacompounding HIPS with three different inorganic fillers (i.e., microlamellar talc,talc, and calcium carbonate) at three different contents (i.e., low, moderate and highcontent). The effect of the inorganic fillers as a nucleating agent and the effect ofinorganic filler type and content were investigated with this study.The foamed HIPS samples were characterized in two aspects. Firstly, the density offoamed samples were measured in pure water and calculated by using archimedesequation. After the determination of the density of foamed HIPS samples, the voidfractions of each sample was calculated. On the other hand, the morphology ofcellular structure in foamed samples were observed by using scanning electronmicroscope (SEM). Firstly the foamed HIPS filaments were broken under liquidnitrogen and the samples were coated with gold. After the observation of cellularmorphology; cell distributions and cell dimensions were examined and the celldensity of each of filamentary samples were calculated.