The production of chopped glass fiber reinforced PPS composite via extrusion and injection moulding and characterization studies - Zengin, Feyza (My University, 2020)
Günümüzde, havacılık, otomotiv, denizcilik, enerji ve inşaat işleri gibi çok çeşitli endüstriyel alanlarda daha sert ve daha güçlü ancak daha hafif, kimyasallara dirençli, alev geciktirici malzemeler için talep ortaya çıkmıştır. Bir üründe bu tür çeşitli mekanik ve fizikokimyasal özellikler gerekliliklerinin bir sonucu olarak, farklı malzemelerin birleştirilmesi eski kavramına olan ihtiyaç arttıkça kompozitlerin kullanımı daha sık hale gelmiştir. Bu nedenle, kompozit malzemeler yaparak mekanik özellikleri arttırmak için çeşitli plastik matrisler ve fiber takviyeler kullanılmaktadır. Fiber takviyeli plastik kompozitler, havacılık, ulaşım (Trenler, uçaklar, kamyonlar ve otomobiller), tekneler, rüzgar türbinleri, ev aletleri vb. gibi çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Polifenilen sülfür (PPS), alternatif para-ikameli fenilen halkaları ve iki değerlikli sülfür kısımlarından oluşan simetrik tekrar birimine sahip yarı kristalli yüksek performanslı bir mühendislik –termoplastiğidir. Bu kimyasal özelliklerin sonucu olarak, PPS - mükemmel termal kararlılık, kimyasal ve yorulma direnci, yüksek sertlik ve modül, üstün mekanik ve elektriksel özellikler, iyi boyutsal kararlılık gibi üstün termal ve mekanik özelliklere sahiptir. Ayrıca, polieter eter keton ve poliamid gibi yüksek performanslı polimerler arasında PPS sıklıkla matris malzemesi olarak tercih edilir. Bu özellikler PPS'nin çok çeşitli ticari ve endüstriyel uygulamalarda kullanılmasını sağlamıştır. Diğer yandan, PPS, yüksek erime noktası (280 ° C), kırılganlığı ve nispeten düşük mukavemeti ile karşılaştırıldığında düşük cam geçiş sıcaklığı (yaklaşık 90 ° C) gibi bazı dezavantajlara sahiptir. Bu dezavantajların üstesinden gelmek için bazı yöntemler vardır. Düşük maliyeti ve verimliliği nedeniyle en sık tercih edilen uygulama PPS reçinesini dolgu maddeleri ile güçlendirmektir. Dolgu olarak diğer termoplastik polimerler, makro ve nano boyutlu partiküller veya lifler ilave edilebilir. Fiber dolgu maddeleri arasında karbon fiber (CF) ve cam fiberler (GF) sıklıkla kullanılan takviyelerdir. Gelişmiş mekanik özellikleri, yüksek kimyasal direnci ve düşük maliyeti sayesinde, cam elyaf takviyeli PPS kompozit, yüksek performanslı mühendislik uygulamaları için yaygın olarak tercih edilmektedir. Ancak cam elyaf takviyeli PPS kompozitler beklendiği gibi daha iyi mekanik performans gösteremezler. Kompozit malzemelerin özelliklerinin, kompozitleri oluşturan bileşenler (lif ve matris), fiziksel / kimyasal bağların mukavemeti, lif ve matrisin uyumluluğu (arayüz özellikleri), nem ve proses parametreleri gibi bazı parametrelerden etkilendiği iyi bilinmektedir. Cam elyaf takviyeli kompozitin düşük mekanik performansının ana nedenlerinden biri, PPS ve cam elyafın uyumsuzluğudur. PPS üzerindeki fonksiyonel gruplar, cam elyaf takviyeli iyi bir yapışma için yeterli değildir. Bu nedenle, cam elyafı ile PPS matrisi arasındaki arayüz yapışmasının iyileştirilmesine ihtiyaç vardır . Bu sebeple çalışmada uyumlaştırıcı olarak PEI ve etilen-metil akrilat-glisidil metakrilat terpolimer (E-MA-GMA) polimerleri kullanılmıştır.Arkema Lotader AX8900 rastgele dizilimli bir terpolimerdir. Asıl adı etilen-akrilik ester glisidil-metakrilat terpolimerdir. PPS ile kıyaslandığında daha yumuşak, tok ve daha reaktiftir. Ayrıca PPS ile üstün arayüzey uyumu vardır. PEI amorf bir termoplastiktir, üstün elektiksel özellikler, geniş frekans aralıklarında stabil kalabilmek gibi ilginç ve üstün özellikler sergilemektedir. Özellikle yüksek sıcaklıklarda, korozyon ve aşınma direnci, üstün mukavemet özellikleri gerekiğinde PEI en sık tercih edilen termoplastiklerdendir. Diğer önemli özellikleri yüksek sıcaklıklarda yüksek sıcaklıklarda kimyasal stabilizasyon ve gelişmiş termo-oksidatif stabilizasyondur.Bu çalışmanın amacı, cam elyaf (GF) ile güçlendirilmiş polifenilen sülfür (PPS) matrisli kompoziti üretmek ve uyumlulaştırıcılar ekleyerek PPS matris ve GF arasındaki yapışma düzeyini artırmak ve mekanik özellikler üzerindeki etkilerini incelemektir. Kompozitler, çift vidalı extrüder, ardından enjeksiyonlu kalıplama işlemleri ile üretilmiştir. Proje 2 adımdan oluşmaktadır. Başlangıçta ağırlıkça % 0, ağırlıkça % 5, % 15, % 25 cam elyaf takviyeli PPS kompozit numuneler üretilip mekanik olarak test edilmiştir. Mekanik özellikler incelenip karşılaştırılır karşılaştırılmaz, üstün mekanik özelliklere sahip olan deney grubu daha sonraki adımlar için seçilmiştir. Projenin ikinci aşaması olarak, seçilen deney grubuna uyumlaştırıcı olarak (E-MA-GMA) eklenmiş ve mekanik performanslar incelenmiştir. Deney gruplarının mekanik performanslarını değerlendirmek için çekme testi, 3 nokta eğme testi ve darbe testleri uygulanmıştır. Ayrıca karakterizasyon çalışması olarak diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) analizleri, He-gazı piknometresi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve ters metal mikroskop incelemeleri yapılmıştır. Yeni üretim parametreleri, değiştirilen enjeksiyon parametrelerinin boşluk oluşumunu engellerken, kristalleşme derecesinde düşüşe sebep olduğu gözlemlenmiştir. Mekanik performans testi sonuçları, E-MA-GMA terpolimeri katkılanan kompozit ve PEI katkılanan kompozit ile karşılaştırıldığında, E-MA-GMA terpolimer numuneleri, gerilme mukavemeti (73,7 MPa), eğilme mukavemeti (109,8 MPa) ve darbe mukavemetine (7,24 kJ/ m2) sahip olduğunu göstermiştir. PEI katkılanan kompozitler gerilme mukavemetine (69,8 MPa) ve eğilme mukavemetine (106,6 MPa) sahiptir. Diğer yandan, PEI katkılaması bazı mekanik değerlerde-darbe davranışı- azaltıcı etki göstermiştir. Tutma basıncında meydana gelen artış moleküler yönelimde bir artmaya sebep olmaktadır ve bu, kristalleşme derecesinin artmasına yol açar. Düşük cam elyaf katkılı ürünlerde, cam elyaf çekirdek oluşturucu madde olarak hareket eder ve PPS'nin heterojen çekirdeklenmesini artırmaktadır. Bu nedenle, kristalleşme derecesi artar. Diğer taraftan, daha yüksek miktarda cam elyaf ve kırılmış cam elyaf katkılı ürünlerde, cam elyaflar PPS spherulit oluşumunu önler ve kristalleşme derecesi neredeyse doğrusal olarak azalmıştır. Kristallik derecesi sonuçları, E-MA-GMA terpolimer (% 34,6) katkılanan test grubunun, PEI (% 33,0) katkılanan test grubuna göre daha yüksek kristallik derecesine sahip olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, E-MA-GMA terpolimerinin fiber / matris arayüzünün iyileştirilmesi üzerinde daha yüksek bir etkisi vardır. PPS ve PEI fazlarının karışmazlığı ise, azalmanın ana nedenidir.

Nowadays, demand for stiffer and stronger yet lighter, chemical resistant, inherently flame retardant materials have arisen in a wide range of industrial fields such as aerospace, automotive, marine, energy, and civil construction. As a consequence of such diverse mechanical and physicochemical properties requirements on a product, the use of composites has become more frequent as the need for the ancient concept of combining different materials into a composite material increased. Therefore, a variety of plastic matrixes and fiber reinforcements are used to enhance the mechanical properties by making composite materials. Fiber-reinforced plastic composites are widely used in various industries such as aerospace, transportation (trains, planes, trucks, and automobiles), boats, wind turbines, house appliance, etc. - with the rapid improvement of composites. Polyphenylene sulfide (PPS) is a semi-crystalline high-performance engineering-thermoplastic with a symmetrical repeat unit consisting of alternate para-substituted phenylene rings and divalent sulfur portions. As a result of these chemical properties, PPS - excellent thermal stability, chemical and fatigue resistance, high hardness, module and superior thermal and mechanical properties such as superior mechanical and electrical properties, good dimensional stability. Also, among high- performance polymers such as polyether ether ketone and polyamide, PPS is often preferred as matrix material. These features have allowed PPS to be used in a wide variety of commercial and industrial applications. On the other hand, PPS has some disadvantages such as a low melting point (about 90 ° C) compared to its high melting point (280 ° C), fragility, and relatively low strength. There are some methods to overcome these disadvantages. Due to its low cost and efficiency, the most preferred application is to strengthen the PPS resin with fillers. Other thermoplastic polymers, macro- and nano-sized particles or fibers can be added as fillers. Among the fiber fillers, carbon fiber (CF) and glass fibers (GF) are frequently used reinforcement materials. Thanks to its advanced mechanical properties, high chemical resistance, and low cost, glass fiber reinforced PPS composite is widely preferred for high-performance engineering applications. However, glass fiber reinforced PPS composites do not perform better as expected.It is well known that the properties of composite materials are influenced by some parameters, such as the components (fiber and matrix), the strength of physical/ chemical bonds, the compatibility of fiber, and matrix (interface properties), moisture and process parameters. One of the main reasons for the low mechanical performance of the glass fiber reinforced composite is the incompatibility of PPS and glass fiber. Functional groups on PPS are not sufficient for forming a good adhesion between fibers and the matrix. Therefore, there is a need to improve interface adhesion between the glass fiber and the PPS matrix. Therefore, PEI and E-MA-GMA polymers have been used as compatibilizers in the study.Arkema Lotader AX8900 is a random terpolymer. The original name is ethylene-acrylic ester glycidyl-methacrylate terpolymer. It has some superior properties with comparing pps such as; softness, toughness, and reactivity. Lotader AX8900 has improved interfacial compatibility with PPS. PEI is an amorphous polymer and it exhibits many interesting and excellent properties such as excellent electrical properties and remaining stable a broad range of frequencies. Especially it is one of the most preferred thermoplastic when enhanced strength combined with high temperature, corrosion, and wear resistance is demanded. Some of the most important properties are stability at elevated temperatures and excellent thermo-oxidative stability.The aim of this study is to produce glass fiber (GF) reinforced polyphenylene sulphide (PPS) matrix composite and to improve adhesion between PPS matrix and GF through adding compatibilizers and examine their effect on the mechanical properties. The composites are produced via a twin-screw extrusion followed by injection moulding processes. The Project involves 2 steps. In the beginning 0wt%, 5wt%, 15wt%, 25wt% glass fiber reinforced PPS composite specimens are produced and mechanically tested. As soon as mechanical properties examined and compared, the one with superior mechanical properties were chosen for further steps. As the second step of the project, ethylene–methyl acrylate–glycidyl methacrylate terpolymer (E-MA-GMA) added into the superior specimen group as a compatibilizer and mechanical performances are examined. Tensile test, 3 point bending test, and impact tests are applied to evaluate the mechanical performances of experiment groups. Besides as characterization studies differential scanning calorimetry (DSC) analyses, He-gas pycnometer, scanning electron microscope (SEM) and inverted metal microscopy examinations are held. Adopted production parameters showed that changing injection parameters cause lower DoC while impeding the formation of voids. Mechanical performance test results showed that compared to a composite consisting of E-MA-GMA terpolymer and composite consisting of PEI, E-MA-GMA terpolymer specimens have improved tensile strength (73.7 MPa), flexural strength (109.8 MPa) and impact strength (7.24 kJ/ m2) in a general manner. Composites consisting of PEI also has a slightly closer tensile strength (69.8 MPa) and flexural strength (106.6 MPa). On the contrary, it causes a decrease in some of them like impact behaviour. For the degree of crystallization, anincrease in holding pressure provides an increase in the molecular orientation, and this leads to an increase in the degree of crystallization. When the glass fiber has lower content, GF acts as a nucleating agent and improves the heterogeneous nucleation of PPS. Therefore, the degree of crystallization increases. On the other way, a higher amount of glass fiber and fractured fibers prevents the formation of PPS spherulite, and the degree of crystallization decreased almost linearly . The degree of crystallinity results shows that terpolymer (34.6%) added test group has a higher crystallinity degree according to the test group consisting of PEI (33.0 %). As a result, terpolymer has a higher impact on the improvement of the fiber/ matrix interface. Immiscibility of PPS and PEI phases are the main reason for the decrease.
Keywords: Composite; Engineering; Fiber; kompozit; Matris Fiber; matrix; Metallurgy; Metalurji; Mühendislik; PPS