Production and characterization of polyester/poly(methyl methacrylate) and acrylonitrile butadiene styrene terblends and nanocomposites

Abstract

Polimerik malzemeler; düşük maliyeti, kolay işlenmesi ve ayrıca çok çeşitli özellikleri nedeniyle birçok uygulamaya girmiş; metal, seramik ve ahşap gibi geleneksel malzemeler yerini almıştır. Polimerik malzemelerin dezavantajlarını ortadan kaldırmak veya özelliklerini güçlendirmek amacıyla son yıllarda birçok polimerik karışım ve kompozit geliştirilmiştir. Polimerik karışımlar, modifiye edilmemiş polimerlere kıyasla daha iyi özelliklere sahip olan yeni malzemelerin işlenmesinde çok önemli bir alanı temsil eder. Bunlar ekolojik ve ekonomik açıdan da önemlidir. Bir mühendislik termoplastik malzemesi olarak ABS (akrilonitril-bütadien-stiren), tokluk, mukavemet ve sıcaklık direnci ve yüksek yüzey kalitesi gerek duyulan çeşitli uygulamalarda üretilen parçaları kolayca farklılaştırmak için kullanılır. ABS'in en büyük dezavantajları olarak düşük kimyasal dayanım, düşük sıcaklıklarda deformasyon ve özellikle final parçalarda düşük boyutsal kararlılığa neden olan kalıntı gerilmesi ile, göreceli olarak sıcaklık dayanımı gerektiren yapılsal parçalardaki uygulamaları yada 75 ° C gibi düşük sıcaklıkta uzun süreli kürlenme süreleri nedeni ile oluşan yüksek maliyetlerden ötürü sınırlamalar yaratır. Bu çalışmanın amacı; uyumlaştırıcı ve nano dolgu malzemesi takviyesinin üç karışmaz organik faza sahip olan ABS (Akrilonitril Bütadien Stiren), PET (Poli(etilen tereftalat)) ve PMMA (Polimetil Metakrilat) karışımlarına morfolojik, fiziksel, termal ve mekanik özellikleri üzerindeki birleşik etkisini araştırmaktır. Tüm bu değerlendirmeyi tamamlamak için, ilk önce ABS ile PET'in karıştırılabileceği yüksek sıcaklıkların etkisini öngörmek amacıyla, çift vidalı ekstrüzyon işlem sıcaklıklarının ABS üzerindeki etkisi, mekanik testler ve renk değişiklikleri ile değerlendirilmiştir. ABS, farklı çift vidalı ekstrüzyon sıcaklıklarında ekstrüde edildi ve elde edilen ürünlere etkileri araştırılmıştır. Olası sıcaklık profillerinin ABS özelliklerinde gözle görülür bir fark yaratmadığı sonucuna varılmıştır. Bundan noktadan sonra, ABS / PET karışımları eriyik harmanlama yöntemiyle çift vidalı ekstruder ile hazırlanarak enjeksiyon kalıplama işleminden sonra reolojik, termal ve mekanik özellikler ile karakterize edilmiştir. Özellikle yüksek sıcaklıklara dirençli uygulamalar için optimum ABS / PET karışım oranının belirlenmesi için enjeksiyon proseseinden sonraki boyutsal kararlılığını incelemeleri 125 ° C'de boyutsal kararlılık incelemesi ile yapılmıştır. ABS / PET karışımları için eriyik viskozitesi-bileşim eğrileri, PET'e ABS eklenmesinin işlenebilirliği geliştirdiği ve bu ilişkinin karışımlar kuralına benzeyen bir eğilim sergilediği belirlenmiştir. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) incelemesinde, ikili karışımların karışmadığını ve iki fazlı bir yapının bileşim oranına göre dağılmıştan sürekli yapıya kadar farklı morfolojiler sergilediği tespit edilmiştir. Çekme özellikleri, PET içeriğindeki artışla artarken, çentiksiz darbe dayanımının ağırlıkça % 40 PET içeren bileşimlerde maksimuma ulaştığı tespit edilmiştir. Diferansiyel taramalı kalorimetre ölçümlerinde, PET fazının erime sıcaklığının düz PET'e göre değişmemesi nedeniyle fazlar arasında kısmı çözünürlük gözlenmemiştir. Ayrıca, ABS fazlarının PET fazlarının soğuk kristalenme sürecinde değiştirerek çekirdeklendirme etkisi göstermiştir. Isıl yaşlandırma ile yapılan boyutsal kararlılık ölçümlerinde ABS'in boyutsal kararlılığın PET ilavesi ile iyileştirildiği görülmüştür. MA-g-SEBS, MA-g-EP, PETG ve E-EA-GMA gibi çeşitli malzemelerin uyumluluk etkisi, seçilen ağırlıkça % 70/30 ABS / PET oranı için farklı enjeksiyon kalıplama sıcaklık profilleri için değerlendirilmiştir. Yüksek enjeksiyon kalıplama sıcaklıklarında üretilen karışımların azalan viskoziteleri nedeni ile, düzensiz şekilli PET parçacıklarına neden olduğu ve bunun uyumlaştırılmış karışımlar için de geçerli olduğu tespit edilmiştir. Bu düzensiz ve büyük PET fazları karakterizasyon sırasında düşük mekanik özelliklerle de tespit edilmiştir. Özellikle E-EA-GMA ile uyumlaştırılmış karışımlarda iyileştirilmiş mekanik özellikler görülmüştür. Öte yandan, ABS/PMMA karışımları eriyik harmanlama yöntemiyle çift vidalı ekstruder ile hazırlanmış ve bu ikisi arasındaki etkileşimi değerlendirmek için, termal ve mekanik özellikler ile karakterizasyon yapılmıştır. PMMA oranlarının ağırlıkça% 50 ve ağırlıkça% 75 olduğu karışımlarda iki fazın çözünmesi ile tek faz camsı geçiş sıcaklığı elde edilmiş ve taramalı elektron mikroskobu incelemesinde faz ayrımı gözlenmemiştir. Bu noktadan sonra, ABS/PET/PMMA üçlü karışımları ile uyumlulaştırıcı içeren ve içermeyen karışımlar mekanik ve fiziksel özellikler açısından değerlendirilmiştir. ABS ile kaplanmış parça yüzeyleri nedeniyle parlaklık değerlerinin değişmediği ve üçlü karışımdaki E-EA-GMA uyumlulaştırıcının fazlar arasındaki iyileştirilmiş etkileşim nedeni ile gerilme mukavemetini % 12 ve darbe özelliklerini % 30'luk arttırmada en etkili olduğu tespit edilmiştir. Üçlü karışımlara nano kalsiyum karbonat eklenmesi için, ilk adım olarak ABS ve PET olarak iki farklı taşıyıcı reçine kullanılan konsantre karışımlar üretilmiş ve ikinci aşamada iki farklı uyumlulaştırıcının E-EA-GMA ve E-BA-GMA etkileri nano CaCO3 içeren konsantreler ile beraber incelenmiştir. E-BA-GMA'ya kıyasla üzerinde daha reaktif epoksit grubu olması nedeniyle E-EA-GMA ile geliştirilmiş karışımlarda iyileştirilmiş PET dispersiyonu tespit edilmiştir. Nano dolgu maddesinin taşıyıcı reçinesi için, ABS taşıyıcı sistemin PET taşıyıcı konsantrelere göre kıyasla daha küçük ve yuvarlak boyutu PET fazları içerdiği ve bunun nano boyutlu CaCO3'ün seçici bir lokalizasyon eğilimi göstermesinden ötürü olabileceği tespit edilmiştir. PET fazlarının camsı geçiş sıcaklığında uyumlaştırıcı ve nano dolgu kullanımı nedeni ile düşüşün olmadığı gözlenmemiştir. Kullanılan uyumlaştırıcıya bağlı olarak PET fazların soğuk kristallenme sıcaklığının değişkenlik gösterdiği ve ayrıca PET reçine taşıyıcı konsantreli nano malzeme ile bu değerin iyileştirildiğitespit edilmiştir. 125 ° C'deki boyutsal stabilite ölçümlerinde, PMMA ve nano dolgu maddesi bir çok belirgin bir iyileşme yaratmamıştır. Boyutsal kararlılıktaki ana iyileşme karışımdaki PET fazından kaynaklanmıştır. Nano boyutlu CaCO3 ve uyumlulaştırıcı ilavesi, karışımların parlaklık özelliklerini biraz daha kötüleştirmiş fakat yine de uygun aralıkta bulunduğu tespit edilmektedir. Uyumlaştırıcı ilavesiyle iyileştirilmiş mekanikler gözlenmemiştir. Nano boyutlu CaCO3, gerilme kuvvetlerinde bir azalma yaratmadan gerilme modülünü geliştirmiştir. PET taşıyıcı reçineli nano dolgu konsantresi ve uyumlulaştırıcı E-EA-GMA kullanımı ile daha yüksek gerilme modülü ve gerilme dayanımı değerini elde edilmiştir. Yeni geliştirilen üçlü karışım veya üçlü karışım nanokompozitlerinin kürlenme sıcaklığının arttırılabileceği ve böylelikle kürlenme süresinin kısaltılabilmesiyle ABS yerine kullanımı mümkün olabilecektir. Sıcaklığın arttırılmasına bağlı olarak kısaltılmış kürlenme süresiyle boyalı ürünlerin maliyetleri azaltılabilir ve nihayetinde daha rekabetçi ürünler piyasaya sürülerbilecektir.

Polymeric materials; because of having low cost, ease of processing and also wide range of properties, have found their way into many applications and replaced conventional materials such as metals, ceramics and wood. To eliminate disadvantages of polymeric materials or to improve the properties, many polymeric blends and composites have been developed in recent decades. Polymer blend represents very important field in developing of new materials, which has better properties in comparison with the net polymers. They are significant also from ecological and economical point of view. ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) as an engineering thermoplastic material has been using for the several application which requires toughness, strength, and high surface finish quality with paintability properties in order to differentiate produced parts easily. The drawbacks of ABS are low chemical resistance, low heat deflection temperature and residual stress in final parts which causing less dimensional stability at elevated temperatures particularly in the paint curing process. The later one results in higher processing cost due to longer paint curing times at a relatively lower paint curing temperature. The aim of this study is to investigate the combined effect of compatibilizer and nanofiller reinforcement on morphology, physical, thermal and mechanical properties of multiphase polymer blend having three immiscible organic phases, ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), PET (Polyethylene Terephthalate) and PMMA (Polymethyl Methacrylate). In order to complete these whole evaluation, at the first stage, the effect of twin screw compounding process temperature profiles on ABS were evaluated via mechanical testing and color measurement to foresee the effect of high processing temperatures on ABS during blending with PET. ABS were extruded with different twin screw extrusion temperature profiles and obtained products were investigated by focusing on mechanical nad physical properties. In that way, extrusion temperature profiles did not create noticable difference in the properties. Then, ABS/PET blends were prepared via melt blending method within the twin screw extruder and characterized by rheological, thermal and mechanical properties after injection molding process. Dimensional stability measurements after being aged at 125 °C for 48 hours was applied to correlate with injection molded part post shrinkage with blend ratio to reach a most reasonable ABS/PET blend composition ratio. From dimensional stability measurements, it was recorded that the ABS dimensional stability was improved with addition of PET. In order to investigate effect of blend ratio on viscosity of ABS and PET, rheological measurements were applied. The melt viscosity–composition curves for ABS/PET blends exhibited a trend like the rule of mixtures in which adding ABS to PET improved the processability. Morphology of ABS/PET blends with different blend ratios were examined by Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques. (SEM) examination revealed different morphologies depending on the composition such as dispersed, co-continuous and phase inverted, which indicated that the binary blends were immiscible and form a two-phase morphology. Glass transition, melting and crystallization behavior of prepared blends were determined by differential scanning calorimetry (DSC). In DSC analysis, no partial miscibility was observed from the PET phase melting temperature shifts as compared to those of the neat component. Also, ABS phases acted as nucleating agents due to change in PET cold crystallization temperature. Mechanical properties of blends were determined by applying tensile and impact test. Tensile properties increased with an increase in the PET content while the unnotched impact strength reached a maximum at 40 wt. % ABS content. From those measurements, optimum blend ratio was selected as ABS/PET ratio as 70/30 wt.% Compatibilizing action of several materials like maleic anhydride grafted styrene ethylene butylene styrene (MA-g-SEBS), maleic anhydride grafted ethylene propylene rubber (MA-g-EP), polyethylene terephthalate glycol (PETG), and ethylene ethyl acrylate glycidyl methacrylate (E-EA-GMA) were evaluated for the selected ABS/PET ratio as 70/30 wt.%. Effect of the different injection molding temperature profiles were also investigated to see stability of morphologies during the final processing step. Decreased viscosites of the produced blends at high injection molding temperatures caused higher and irregularly shaped PET particulates which was also valid for compatibilized blends. This irregularity was also captured during the characterization by low mechanical properties. Improved mechanical properties were observed for the compatibilized blends and especially for E-EA-GMA best results were captured. ABS/PMMA blends were also prepared via melt blending method by twin screw extruder and characterized by rheological, thermal and mechanical properties in order to evaluate interaction between these two. Single phase and miscible blends were obtained in which the PMMA ratios were at 50 wt.% and 75 wt.% by measured single glass transition temperature and SEM investigations. Terblends of ABS/PET/PMMA with compatibilizers such as E-EA-GMA, E-BA-GMA (Ethylene-b-butyl acrylate-b-glycidyl methacrylate), MA-g-SEBS, and MA-g-EP and without compatibilizers were prepared by same compounding method and evaluated for the mechanical and physical properties. Since ABS solidify on the mold surface first, gloss value did not vary with the composition of terblends. E-EA-GMA as a compatibilizer in terblend was the most efficient compatibilizer with regards to mechanical properties. In compatibilized terblends, as a results of improved interaction in between immiscible phases, improvement in the tensile strength as 12 % and impact strength as 30 % were recorded. In order to add nano calcium carbonate (CaCO3) into terblends, a masterbatch was prepared. The carriers of masterbatch were selected as ABS and PET, alternatively. Loading level of CaCO3 in the masterbatch was set as 10 wt.%. In the second step, two different compatibilizers, E-EA-GMA and E-BA-GMA and terblend were blended. Masterbatch containing ABS carrier showed smaller domain size and rounded PET phases compared to masterbatch containing PET carrier. When the effect of type of compatibilizer was compared, it was observed in the morphology investigation that the dispersion of PET phase was improved by addition of E-EA-GMA compared to addition of E-BA-GMA due to having more reactive epoxide groups on E-EA-GMA. It was noted that E-EA-GMA was an effective compatibilizer. In DSC analysis, it was observed that the glass transition temperature of PET in ABS/PET blends decreases. The decrease of glass transition temperature of PET terblends was eliminated by the introduction of both types of compatibilizer and nano filler together. The heat of fusion value at cold crystallization of PET phase was varied with type of compatibilizer. Masterbatch having PET carrier for nano CaCO3 improved the heat of cold crystallization value and crystallization properties. In dimensional stability measurements, it was observed that PMMA and nano filler did not contribute a spectacular improvement. From that observation, it could be claimed that main improvement in the dimensional stability was caused by the PET phase in the terblends. Addition of nano sized CaCO3 and also compatibilizer slightly worsen the gloss properties of terblends. Any improved in mechanical properties did not record for the terblends by addition of compatibilizer. Addition of nano sized CaCO3 was improved tensile modulus without creating a decrease in tensile strength. Usage of nanofiller masterbatch with PET carrier resin and E-EA-GMA as a compatibilizer resulted in the higher tensile modulus and tensile strength values due to the improvement of interaction between blend ingredients. By replacing widely used commercially available ABS grades with one of already developed terblend or nano sized CaCO3 reinforced terblend nanocomposites, higher curing temperature in paint curing process can be applicable to decrease curing time. In that way, the curing process costs of painted products can be decreased due to increase in the throughput of the process and more cost competitive products with improved mechanical, physical properties as well as dimensionally stable at elevated temperature can be launched to the market.