Development of PBT/recycled PET binary blends

Abstract

Bu tez çalışmasında, artan çevresel kirlilik göz önünde bulundurularak PBT içerisine şişe atıklarından geri dönüştürülmüş PET çapakları eklenmiştir. Geri dönüştürülmüş PET çapaklarının molekül yapısı, pek çok sebep ile bozunmuş olabilir. Fiziksel, mekanik, termal ve yüzey özelliklerindeki bozunmalar geri dönüştürülmüş polimerlerin bir sonraki uygulamarını zorlaştırmaktadır. Özellikle nem ve polivinilklorid (PVC) varlığında geri dönüştürülmüş PET yüksek sıcaklıklarda prosese girdiğinde molekül zincirlerinin kopması hızlanabilmekte ve son ürün özellikleri düşebilmektedir. Bozunan özellikler, başka bir polimer ile harmanlama yolu ile geliştirilebilir. Ayrıca, geri dönüştürülmüş plastiklerin molekül zincirlerinin yeniden bağlanması için zincir bağlayıcı kimyasal ajan adı verilen katkılar da kullanılabilmektedir. Bu katkılar, moleküllerine bağlı fonksiyonel gruplar sayesinde eriyik proses sırasında kırılan polimer molekül zincirleri arasında köprü oluşturarak, geri dönüştürülmüş polimerin molekül ağırlığını, eriyik mukavemetini ve son ürün performansını arttırabilmektedir. Reaktif gruplara sahip katkılar kullanılarak yapılan eriyik prosesler reaktif eriyik proses olarak adlandırılmaktadır.Bu tez çalışmasında, PBT/geri dönüştürülmüş PET harmanları çift vidalı ekstrüder kullanılarak üretilmiştir. Ekstrüder ile üretilen pelletler enjeksiyon kalıplama kullanılarak test numuneleri haline getirilmiştir. Zincir bağlayıcı ajan olarak ticari adı Joncryl ADR 4468 ® olan epoksi reaktif gruplara sahip multi-fonksiyonel stiren akrilik katkı malzemesi kullanılmıştır. Öncelikle, geri dönüştürülmüş PET çapakları, sırasıyla ağırlıkça % 0.05, % 0.25, % 0.40 ve % 0.80 Joncryl ile fiziksel olarak karıştırılarak ekstrüder prosesinde pellet haline getirilmiştir. Harman hazırlanırken geri dönüştürülmüş PET, PBT içerisine ağırlıkça % 25, 50 ve 75 oranlarında eklenmiştir. Joncryl, PBT/geri dönüştürülmüş PET harmanlarına eklenirken iki yöntem kullanılmıştır. Birinci yöntemde, PBT, geri dönüştürülmüş PET çapakları ve Joncryl katkı malzemesi fiziksel olarak karıştırılarak ekstrüderde pelletler üretilmiştir. İkinci yöntemde, geri dönüştürülmüş PET çapakları belli oranlarda Joncryl ile karıştırılarak ekstrüderde pelletler üretilmiştir. Üretilen bu pelletler, kurutma işleminin ardından PBT ile fiziksel olarak karıştırılarak tekrar ekstrüderde harmanlanmış ve son ürün haline getirilmiştir. Bu tez çalışmasında, farklı oranlarda geri dönüştürülmüş PET kullanmanın PBT/geri dönüştürülmüş PET harmanları üzerine etkisi incelenmiştir. Ayrıca, geliştirilen iki ayrı yöntem ile üretimin son ürünün özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır. Örnek olarak, öncelikle ağırlıkça % 75 PBT ve % 25 geri dönüştürülmüş PET malzeme fiziksel olarak karıştırılarak, extrüderde pelletler üretilmiştir. Zincir bağlayıcı ajan katkısı, daha önce bahsedildiği gibi iki farklı yöntem kullanılarak harmanlara eklenmiştir. İlk yöntemde, ağırlıkça % 0.2 zincir bağlayıcı ajan, yaklaşık olarak ağırlıkça % 75 PBT ve % 25 geri dönüştürülmüş PET ile fiziksel olarak karıştırılıp, ekstrüderde pelletler üretilmiştir. İkinci yöntemde ise, ağırlıkça % 0.8 zincir bağlayıcı ajan, öncelikle geri dönüştürülmüş PET ile ekstrüderden geçirilerek ön karışım hazırlanmıştır. Hazırlanan ön karışım, kurutma işleminin ardından, ağırlıkça % 75 PBT, % 25 ön karışım olacak şekilde karıştırılıp ekstrüderden geçirilmiştir. İkinci yöntem ile hazırlanan malzeme, ilk yöntem gibi sonuçta % 0.2 ajan içermektedir. Yalnızca, 50:50 ve 25:75 PBT/geri dönüştürülmüş PET harmanlarında, farklı zincir bağlayıcı ajan konsantrasyonlarının etkisi araştırılmıştır. % 0.8 zincir bağlayıcı ajan ve geri dönüştürülmüş PET içeren ön karışım, PBT içerisine ağırlıkça % 25, 50 ve 75 oranlarında eklenmiştir. Böylece ön karışım konsantrasyonunun harman malzemesi özellikleri üzerindeki etkisi incelenebilmiştir.Geliştirilen harman malzemelerin termal bozunma özellikleri termal gravimetrik analiz (TGA) ile, termal özellikleri ve kristalizasyon davranışları, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Viskoelastik özellikler, dinamik mekanik analiz (DMA) ve eriyik akış indeksi (MFI) teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Akma dayanımı ve elastik modül değerleri çekme deneyi, darbe dayanımı Izod darbe deneyi sonucunda elde edilmiştir.

In this thesis study, twin-screw extruder (TSE) was used for producing PBT/recycled PET blends. Injection molding was used to prepare testing specimens. Raw materials and extruded pellets were dried in an oven overnight to avoid further degradation in the presence of moisture during extrusion and injection molding processes. A commercial chain extender with Joncryl ADR 4468 ® trade name was used in the blends. Joncryl is a multi-functional styrene acrylic oligomer with epoxy functional groups. First of all, 0.05, 0.25, 0.40 and 0.80 wt% of Joncryl was physically mixed with recycled PET flakes and extruded to obtain extended recycled PET. During blending, 25, 50 and 75 wt% of recycled PET flakes was physically mixed with PBT and extruded. Addition of Joncryl into the blends was carried out via two different extrusion method. In the first method, which was named as all together method, PBT, recycled PET flakes and Joncryl were physically mixed and extruded all together to the pellets from a hopper. In the second method, which was named as premixing method, recycled PET flakes were extended with Joncryl in extrusion previously. Extended PET pellets were dried in an oven overnight, and then physically mixed with PBT at certain ratios and extruded from a hopper to obtain final blends. In this thesis study, the effect of vaiorus concentrations of recycled PET on PBT/recycled PET binary blends were investigated. Furthermore, the effect of different blending methods on the final blend performances were examined. Various concentrations of chain extender additive was used in both production methods. As an example, PBT/recycled PET were blended and extruded at 75:25 ratios. Addition of chain extender is carried out by using two different processing methods, as mentioned above. In the all together method, 0.2 wt% of chaine extender was physically blended with around 75 wt% of PBT and 25 wt% of recycled PET flakes and extruded all together from a hopper. In the premixing method, recycled PET flakes were blended with 0.8 wt% Joncryl and extruded from a hopper. After drying, 25 wt% of this masterbatch was blended with 75 wt% of PBT and extruded from a hopper. The final Joncryl content was adjusted to be 0.2 wt% as in the first method. Only in 50:50 and 25:75 PBT/recycled PET blends, effect of different chain extender concentrations on the blend properties were examined. To achieve the final 0.2 wt% content of chain extender also in 50:50 and 25:75 PBT/r-PET blends, extended recycled PET with 0.4 and 0.25 wt% of chaine extender was used, respectively. Only in 50:50 and 25:75 PBT/recycled PET blends, effect of different final Joncryl concentrations on the blend properties were examined. The extended r-PET with 0.8 wt% of chain extender mixed with PBT at the ratios of 25, 50 and 75 wt%. Effect of this premix concentration on the blend properties were also investigated. Thermal degradation, crystallization behavior, viscoelastic properties, tensile and impact properties of the blends were investigated. Thermal properties and crystallization behavior of the blends were investigated by using thermal gravimetric analysis (TGA), and differential scanning calorimetry (DSC). Dynamic mechanical analysis (DMA) and melt flow index (MFI) was used for investigation of viscoelastic properties of the blends. Tensile strength and modulus was obtained from tensile testing. Impact strengths of the blends were obtained from Izod notched impact testing. In thermal analysis, nucleation point effect of chain extender were observed in branched r-PET molecules. All blends either with chain extender or not showed single glass transition temperature during first and second heating cycled in DSC, which could be attributed to miscibility at amorphous state. Separate crystal melting temperatures in first heating cycle turned into a single peak with some shoulders in second heating, consequently miscibility could be observed depending on cooling rate. At constant chain extender concentration, blends prepared with all-together mixing method showed higher crystallinity. In DMA analysis, blends prepared with pre-mixing method showed higher storage modulus. Complex viscosity also supported the same behavior. Damping values from tan delta graphs was relevant with impact resistance of the materials. Increasing amount of chain extender decreased melt flow rate in MFI analysis, consequently increased melt strength by increasing molecular weight. All blends prepared by all together mixing method showed lower melt flow rate. E modulus and tensile strength of all blends was in the same range and was not affected from the compositions, chain extender concentration or processing strategies.