Conductive Polyamide /carbon Black, Carbon Fiber And Carbon Nanotubes Composites For Electrostatic Painting

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Son yıllarda plastiklere iletken özellik kazandırmak üzerine çalışmalar önem kazanmıştır. İletkenlik özelliğinin yanında mekanik, optik, termal ve fiziksel özelliklerinde elde edilmesi için nano katkılar kullanılmaktadır. Örneğin karbon nanotüp (CNT) bu özellikleri kompozite kazandırmak için kullanılan katkılardan biridir ve iletkenlik ve sertliği arttırırken elastiklik özelliğini azalttığı yönünde bulgular elde edilmiştir. Birden fazla iletken katkı kullanılarak sinerjetik etki yaratılması üzerine yapılan çalışmalar da mevcuttur. Karbon yapılı bileşiklerin birlikte kullanıldığı matrikslerde sinerjetik etki ile iletken ağ yapısının daha iyi oluştuğu görülmüştür. Endüstride de bu amaçla karbon bazlı katkılar kullanılmaktadır. İletken kompozitlerin eldesinde düşük miktarlardaki katkılarla iletken ağ yapısının oluşumunun sağlanması ve perkolasyon limit değeri düşürülmesi önemlidir. Karbon katkıların tek başına ve birlikte kullanılmasıyla ilgili çok sayıda çalışma yapılmış olmasına rağmen poliamid (PA) için hepsinin ayrı ayrı ve birlikte kullanıldığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu tez çalışmasında da literatürdeki bu eksikliğe katkı sağlanması amaçlanmıştır. İletken dolgu malzemesinin, yalıtkan polimer matrisi ile birleştirilerek elde iletken polimer kompozitler (CPCs) birçok ilginç özelliğe sahip olduklarından çok sayıda uygulama alanında kullanılabilmektedir. Örneğin araç ağırlık azaltma çalışmaları sonucunda metal parçaların yerini alan mühendislik plastiklerinin ürüne dönüştürülmesi aşamalarının iyileştirilmesi gerekmektedir. Parça kalitesi ile direk ilgili üretim aşaması olan boyama operasyonunda son teknolojik gelişme olan elektrostatik boyama (EP) sisteminin metal malzemelerde olduğu gibi mühendislik plastiklerine de uygulanabilir hale getirilebilmesi birçok avantaj sağlayacaktır. Otomobil parçalarından biri olan jant kapağının, sadece bir firmada yıllık üretim yaklaşık adedi 560 bin ve yıllık cirosu 1,8 M€’dur. Geleneksel ıslak boyama işlemi malzeme sarfiyatı, uygulama alanı gereklilikleri, çevreye olan olumsuz etkileri ve enerji tüketimi açısından yüksek maliyetli bir operasyondur. Mühendislik plastikleri ile üretilen jant kapağı parçasının boya uygulama işleminde EP sistemine geçilmesi ile %50 boya tasarrufu sağlanacaktır. EB sisteminde kullanılan boyada kimyasal çözücü geleneksel ıslak boyanın içerdiğinden daha az olduğu için üretim sırasında tehlikeli kimyasal salınımı en düşük seviyeye inmiş olacaktır. Malzemenin yüzey enerjisi, boyanın homojen dağılımı ve tutunması ile doğrudan etkilidir. Yüzeyin temizlenmesi ve yüzey enerjisinin arttırılması için kimyasal temizlik ve flamaj gibi ön işlemler boya atımı öncesi parçalara uygulanır. Metal parçaların yağdan arındırılması için kimyasal temizlik, plastik parçaların yüzey enerjilerinin arttırılması için flamaj işlemi maliyetin arttırılmasına ve verimliliğin düşmesine sebep olmaktadır. Mühendislik plastiklerinde EP sistemine başarılı bir şekilde geçilmesi yüzeyin tozdan arındırılması için daha düşük maliyetli bir yıkama işlemi olacaktır. Islak boya atım sisteminde kabin yüzeyinde kürlenen boyalar düzenli aralıklarla kabinlerin bakım ve onarıma alınmasını gerektirmektedir. Bakım, onarım sırasında kabinin kullanıma kapanması ve işçilik maliyetinin artması üretim verimliliğini düşürmektedir. EP sistemine geçilmesi ile üretim verimliliğinde %50 artış öngörülmektedir. Bu çalışmanın asıl amacı, otomotiv sektöründe maliyet azaltıcı, iyi mekanik özelliklere ve üretim verimliliğine sahip bir mühendislik plastiği üretmektir. Bu amaçla iletken metal yüzeylerde başarılı sonuç sağlayan EP sisteminin plastik malzemeler için de kullanımını yaygınlaşmak üzere plastik malzemelere iletken özellik kazandırılması ve EP uygulaması için uygun hale getirilmesi plânlanmıştır. Poliamide iletken özellik kazandırılması ve EP uygulaması için uygun hale getirilmesi amacı ile karbon siyahı (CB), karbon fiber (CF) ve CNT ile kompozitleri oluşturularak gerekli iletkenlik değerlerine ulaşılmasına çalışılmıştır. PA matrisi olarak Dupont firması tarafından üretilen ve %15 katkı içeren Minlon isimli ticari ürün kullanılmıştır. Dolgu olarak ise, ABCR firmasından temin edilen CB ( Acetylene, 50% compressed), Grafen firmasından temin edilen, çok duvarlı CNT, (Çap:9.5 nm, Uzunluk: 1.5 mm Yüzey alanı:250-300m2/g ) ve Dost Kimya çapı 7.2 mm uzunluğu 3-12 mm olan kırpılmış CF kullanılmıştır. Her bir bileşen ekstruderde kullanılmadan önce 80°C’ de 2 saat kurutulmuştur. Deneylerde çift burgulu Scientific marka ekstruder kullanılmıştır. Vida hızı, ön denemeler sonucunda 30 rpm olarak belirlenmiştir. Ekstrüzyon yapmadan önce başlangıç maddesinin (Minlon), ve nihai ürünün termal özellikleri TA Q10 Model DSC cihazında 50 ml/ dak akış hızı ile 0-400 °C aralığında incelenmiştir. Erime sıcaklığı yaklaşık 260°C’de gözlemiştir. Bu sonuca göre ekstruderde çalışmak için uygun aralık 260-280°C olarak belirlenmiştir. Piyasada ticari olarak Noryl (N1) adıyla satılan ve EP boyama için uygun, ancak mekanik özellikleri Minlona göre zayıf olan malzeme, elde edilen kompozitlerin iletkenliklerini kıyaslamak için referans olarak kullanılmıştır. 4. Nokta probe tekniği ile ölçülen iletkenliği 2.310-8 S/cm olarak elde edilmiştir. Bu projede Minlondan hareketle elde edilecek kompozitlerin iletkenliği karbon katkılar ile bu degree eşit yada yüksek hale getirilmiştir. SEM ölçümleri ile karbon katkıların poliamid matrisi içinde dağılımı ve uyumlaştırıcının kompozitin homojenliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sonuçlar, karbon dolguların yapıya katıldığı ve homojen olarak dağılabildiği uyumlaştırıcının karbon içeriğinin homojen dağılmasına katkısı olduğunu göstermektedir. Kompozitlerin mekanik test sonuçlarına göre üretilen kompozitin elastik modülü ve 23°C ve -30°C’lerdeki darbe dayanımlarında artışlar gözlenmiştir. Diğer özellikleri ise kullanım amacına uygun sınırlar içerinde ve Minlon’un özellikleriyle yakın değerlerde bulunmuştur. Bu çalışmada elde edilen kompozitlerin mekanik özellikleri amaca uygun olacak şekilde korunurken, iletkenlik kazandırılarak elektrostatik boyamaya uygun hale getirilmiştir. Bu çalışmada prototip malzeme olarak jant kapağı seçilmiş ve üretimi için hammadde olarak kullanılacak iletken poliamid kompozitleri, ticari Minlon ve CB,CF ve CNT olmak üzere karbon esaslı iletken dolgular kullanılarak ekstrüzyon metodu ile hazırlanmıştır. Komozitleri daha homojen hale getirmek amacıyla kompozit formülasyonlarına ayrıca uyumlaştırıcı da ilave edilmiştir. Farklı karbon dolgular içeren formüller hazırlanmış, kompozitler üretilip ve test edilmiştir. Elde edilen kompozitlerin iletkenlik ve mekanik özellikleri EP uygulamaları için kullanılan ticari ürün olan Noryl ile karşılaştırılmıştır. Norly’in dezavantajı jant kapağı gibi EP uygulamaları için gerekli olan mekanik özelliklere sahip olmamasıdır. Bu çalışmada Noryl’e göre mekanik özelliklerinin amaca uygun olarak iyileştirilmesi hedeflenmiştir. CPC üretmek için çözelti, eriyik karışımı etc. gibi metodlar kullanılmaktadır. Bu çalışmada, ekstrüksiyon metodu kullanılmıştır. Ektruksiyondan sonra, kompozitlerin elektiriksel iletkenlikleri 4 nokta probe metodu ile ölçülmüştür. Ayrıca ürünler ATR-FTIR, DSC, SEM ve mekanik özellik testleri ile karakterize edilerek jant kapağı için istenen özelliklere sahip kompozit formülasyonları belirlenmiştir. Mekanik, elektrik ve maliyet açısından optimum özelliğe sahip kompozit formulasyonu ile enjeksiyon yöntemi kullanılarak jant kapağı elde edilmiştir. Jant kapakları elektrostatik olarak boyanmış ve daha sonra çapraz kesim, sertlik, ağırlık düşmesi darbe direnci gibi temel testlere tabii tutulmuştur. Tüm bu test sonuçları, mevcut ürüne göre yaklaşık aynı maliyette mekanik özellikleri iyileştirilmiş, EP için uygun bir kompozit hazırlandığını ve jant kapağı üretimi için gerekli özelliklere sahip olduğunu ve ön denemelere göre ticari olarak kullanıma uygun olduğunu göstermektedir. Geri kazanım EP sisteminin en büyük ekonomik avantajlarından biridir. Diğer avantajları ise aşağıdaki şekilde özetlenebilir; - Islak boya uygulama kabinlerinde, boyanın kabine tutunmasını önlemek amacı ile kabin duvarlarından akan çözücü kimyasal içeren su çevrim ünitesi, EP kabinleri için gerekli değildir. - Atık kimyasal miktarı EB sisteminde ıslak boyamaya göre oldukça düşüktür. - Islak boya sistemi daha sık bakım, temizlik ve onarım gerektirdiği için personel maliyeti %38 daha yüksektir. - EP sisteminde boya sarfiyatında %60-70 arasında kazanç sağlanmıştır. - Kabinlerin temizlik ve bakım masrafları EP sisteminde, geleneksel boya yöntemine göre %50 daha azdır. Bu avantajlar sayesinde bu endüstride EP sistemine geçilmesi ile sistemin 6 ay içinde kendini amorti edebileceği öngerülmektedir. Bundan sonraki otomobil parçası üretimlerinde mevcut ithal malzemeye ihtiyaç duyulmadan ülkemizde üretilecek iletken kompozit kullanılması mümkün olabilecektir. Bunun da önemli bir yaygın etki olduğu düşünülmektedir.Conductive polymer composites (CPCs) coming out from the combination of an insulating polymer matrix with conductive fillers exhibit several interesting features and many applications. In automotive industry metal parts can be replaced by CPCs which means a vehicle with the lower weight and lower fuel consumption.The motivation behind this study was to produce an engineering plastic in order to use in the automotive industry with cost reduction, to improve mechanical properties and production efficiency. For this purpose, this study was aimed to find a conductive polyamide compound (CPAC) formula in order to use as raw material to produce hubcap (wheel cover) which is suitable for electrostatic painting (EP) system. The CPAC was prepared by extrusion methods by using commercial polyamide (Minlon) and carbon based conductive materials such as carbon black (CB), carbon fiber (CF), and carbon nano-tube (CNT). Compatibilizer was also added to the formula to obtain the suitable CPAC, which covers the requirements for the resulting composite. Formulations with different carbon filler contents were prepared and then produced and tested. They were compared with commercial product of Noryl, which have been used for EP applications. The disadvantage of Noryl is poor mechanical properties for some applications such as wheel cover. There are types of method to produce the conductive polymer composites (CPCs) such as; solution, melt mixing etc. In this study, the extrusion, which is one of the melt mixing method, was used. After compounding materials, electrical conductivity of composites was measured by a 4-point probe method. ATR-FTIR, DSC, SEM and mechanical properties tests were also performed on the samples. Wheel cover was produced from the samples that have the desired properties and after electrostatic painting the basic tests such as cross cut, hardness, drop weight impact were carried out on the final product. The results of all these tests suggested that, the suitable composites for EP were prepared and these composites fit the requirements of the wheel coverYüksek LisansM.Sc