plastik-ambalaj.com

Güvenlik Camı Atığından Polivinil Butiral (PVB) / Polivinil Klorür (PVC) Kompozitlerinin Hazırlanması ve Karakterizasyonu

Özet

Plastikleştirilmiş PVB ve plastikleştirilmiş PVC’den çeşitli konsantrasyonlarda Polivinil Butiral (B) / Polivinil klorür (P) kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu üzerine çalışılmıştır. PVB’nin en önemli kullanım alanı güvenlik camları olup, geri dönüşüme giren güvenlik camından kazanılan PVB tekrar kullanılabilir ve PVC gibi benzer özellikteki polimerlerle harmanlanabilir. Polimerik kompozit filmleri hazırlamak için çift gidiş gelişli W50 ve sürtünme oranı 2:3 olan Brabender yoğurucu cihazı kullanılmıştır. Öncelikle, PVB/PVC kompozitlerde yer alan PVB’nin orijinal (OB) ve geri dönüştürülmüş (RB) kaynaklı olmasının etkisi araştırılmıştır.

Giriş

Polimer karışımları, ticari uygulamalar için çok yönlü özelliklere sahip polimerik malzemelerin geliştirilmesinde, kolay ve maliyet açısından etkin bir yöntem olarak dikkat çekmektedir. Diğer bir deyişle, karışımların özellikleri, bileşen polimerlerin doğru seçilmesiyle son kullanıma uygun olarak ayarlanabilmektedir [1]. Ayrıca, polimer karıştırma yaygın olarak kullanılan petrol türevli polimerlerin geri dönüşümü ile ilgili çevre mevzuatının gelişmesinde de kullanılır hale gelmiştir [2].

Hammadde fiyatlarının, çevresel koşulların ve hala büyümekte olan atık depolama alanlarının artmasıyla plastik atığın geri dönüşüm ihtiyacı da artmaktadır. Polimer geri dönüşümü, artarak üretilen polimer malzemelerin çeşitli uygulamalarıyla oluşan polimerik atık birikiminden kaynaklanan çevresel sorunları azaltmak için tercih edilen bir yoldur. Aynı zamanda, polimerik atıkların geri dönüştürülmesi, doğal kaynakların korunmasına yardımcı olur.

Polivinil butiral (PVB) genellikle güçlü bağlanma, optik netlik, birçok yüzeye yapışma, tokluk ve esneklik özellikleri gerektiren uygulamalar için kullanılan bir reçinedir. PVB reçineler ahşap kaplamalar, yıkama astarları, yapısal yapıştırıcılar, mürekkepler / kuru tonerler, seramik ve kompozit lifler için bir bağlayıcı olarak tüketilir. Fakat, PVB otomotiv emniyet camı ara katmanı için anahtar madde olarak öncüdür. Bu nedenle, otomotiv sektöründe ve inşaat mühendisliği uygulamaları için üretilen PVB tabakanın toplam miktarı dünya çapında yılda 120 milyon kg civarında olduğu tahmin edilmektedir [3].

Uygulanan ön cam geri dönüşüm süreci mekanik soyma işlemine dayanmaktadır. Bu tip geri dönüşüm teknolojisi, yüksek miktarda atık cam tozu (1-5 w/w %) ve su, renkli PVB levha parçaları, çeşitli PVB karışımları, çamur, kağıt ve yabancı plastik maddeler gibi diğer kirleticileri içeren PVB sağlamaktadır. Bu PVB bir yan üründür ve cam laminasyonu için uygun PVB levha halinde tekrar işlenemez.

Ayrıca, bu PVB hurdaları yakılmakta ya da katı atık sahasında tutulmaktadır [4,5]. Fakat günümüzde geliştirilen geri dönüşüm süreçleriyle, cam ham malzeme karışımlarında kısmen ya da diğer teknolojilerde yeniden kullanılabilen kaliteli cam hurda üretilmektedir. Bununla birlikte, ayrılmış PVB atık, hala tamamen geri dönüştürülebilir değildir [6]. Böylece, geri dönüşümlü PVB için yeni uygulama olasılıklarının araştırılması, önemli bir çevre sorununu çözmek için yardımcı olabilecektir. PVB’nin tartışılmaz avantajı, iki cam arasında işlem görmüş PVB’nin bozunmamasıdır. Çünkü PVB, esasen UV ışınları (320 nm’ye kadar), mekanik stres, yüksek sıcaklık, oksijen ve herhangi bir aşındırıcı zararlı maddeye maruz kalmamaktadır [6, 7]. Bu nedenle, iki cam arasındaki PVB tabakası, ekstrüde edilen malzeme ile laminasyon prosesinden önceki, çok benzer fiziksel özelliklere sahip olmalıdır.

Bu bilgilere bağlı olarak, PVB, polivinil klorür (PVC) gibi benzer polimerler ile karıştırılarak tekrar kullanılabilir. Elde edilen malzeme, döşeme, yapıştırıcı üretimi, inşaat mühendisliği, otomotiv endüstrisi gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilir. Geri dönüştürülmüş PVB’nin kullanım alanlarından biri de beton yapıların çevresel etkilere karşı korunması olabilir.

Bu amaçla, daha çok kaplama uygulamaları için kullanılan PVC seçilmiştir [2]. Ayrıca, PVB / PVC karışımları tellerin kaplanması, halı üretimi, drenaj, pencere profili, su yalıtım membranı ve levhaları, kanalizasyon boruları, otomotiv uygulamaları, yapıştırıcı ve sentetik deri gibi alanlarda uygulanabilmektedir. Diğer önemli bilgi ise PVC ve PVB’nin yüksek sertlik elde etmek amacıyla plastikleştirilen tipik polimerler olmasıdır. Polivinil butiral (PVB) ve polivinil klorür (PVC) kimyasal yapısı şekil 1 ‘de verilmiştir.

PVB ve PVC çok benzer makro moleküler polaritelere sahip olduğundan her ikisi için de benzer plastikleştiriciler kullanılabilir. Bu benzer polarite nedeniyle, PVB ve PVC’den iyi mekanik özelliklere sahip bir karışım elde edilebildiği varsayılmaktadır [8]. Bu çalışmada, PVB / PVC karışım oranı için en uygun işlem koşulları belirlenecektir. Ekonomik açıdan bakıldığında, virjin PVB fiyatı yaygın polimerlere (PE, PS ve PVC gibi) göre çok daha yüksektir. Aksine, geri dönüştürülmüş PVB (aynı zamanda çok iyi mekanik özelliklere sahip) fiyatı PVC’den daha düşüktür. Böylece, PVC ürünlerinde geri dönüşümlü PVB kullanımı, PVC ürünlerin maliyetinin düşürülmesinde katkıda bulunabilecektir.

Materyal-Yöntem

İki farklı polimerik kompozit film grubu hazırlanmıştır. Orijinal PVB’ye sahip ilk grupta, PVC miktarı ağırlıkça %100 PVC elde edilinceye kadar %10 şeklinde arttırılmıştır. İkinci grupta kompozitler, atık PVB ile aynı kompozisyonlarda hazırlanmıştır. Çalışmanın sonunda, OPVB, RPVB, PVC ile Tablo 1’de görülen toplam 21 polimerik kompozit film elde edilmiştir.

Polimerik kompozit filmleri hazırlamak için çift gidiş gelişli W50 ve sürtünme oranı 2:3 olan Brabender yoğurucu cihazı kullanılmıştır. Sabit hacimli ısıtma haznesine, 40g’lık giriş malzemeleri (PVB / PVC) yerleştirilmiş ve 25 rpm’lik bir dönüş hızı ile 160 °C’de 10 dakika boyunca işlenmiştir. Topak halindeki karışımlar, hava ile teması ve dolayısıyla oksidatif bozunmayı önleyebilmek için iki PET tabaka arasına yerleştirilmiş ve daha sonra, masa presi içerisine yerleştirilerek, 5 dakika boyunca 160 °C’de tutulmuştur. Son olarak, polimerik kompozit filmler soğuk bir presle soğutulmuştur. Üretilen filmlerin diğer uygulama alanlarında yeni bir ürün olarak değerlendirilebilmesi için kimyasal, mekanik ve termal özellikleri FTIR, Mekanik, TGA, Optik Mikroskop ve Renk Ölçümü cihazları ile karakterize edilmiştir.

Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) analizi ile her kompozit film için beş farklı pozisyonda fonksiyonel gruplar belirlenmiştir. Şekil 2’de görüldüğü gibi kompozit filmler oldukça üniform yapıda olup yeni bir fonksiyonel grubun oluşumu gözlenmemiştir.

Mekanik testlerin sonuçları Şekil 3’de görülmektedir. Güvenlik camı atığından geri kazanılmış PVB ile orijinal PVB yaklaşık olarak aynı sonuçları vermiştir. PVC’nin eklenmesiyle geri dönüştürülmüş PVB’nin mekanik özellikleri zayıflarken, %10, 20, ve 30 oranında PVC bulunan polimerik kompozitlerin mekanik özellikleri ticari olarak kullanılan PVC malzemelerden daha iyi gerilme mukavemetine sahip olduğu görülmektedir.

Polimerik kompozit filmlerin termal bozunma davranışı Şekil 4’de görülmektedir. Termal bozunma azot atmosferi altında 10 ° C / dakika’lık bir ısıtma hızında 30 ° C’den 1200 ° C’ye kadar gerçekleştirilmiştir. Fakat PVB, PVC ve polimerik kompozit filmler 600 ° C’den önce tamamen bozunmaktadır. Orijinal PVB (OB100) ve geri dönüşümlü PVB (RB100)’nin 600 °C’deki kül miktarları ağırlıkça %1,30 ve %3,16 olarak ölçülmüştür. PVC’nin (P100) 600 °C’deki kül miktarları ağırlıkça %12,16 dir.

PVB’nin kütle kaybı, 200-300 ile 300-500 °C arasındaki iki ayrı bölgeden oluştuğu ve yaklaşık %20 ve %80 ağırlık kaybına karşılık geldiği görülmektedir. PVB için, 200-300 °C arasındaki sıcaklık işleminde öncelikle plastikleştirici buharlaşmaktadır. 300 °C üzerindeki bozunmanın ana ürünleri başlangıçta butiral grupların bozunmasıyla elde edilen butiraldehit ve butenal, ardından asetat gruplarının bozunmasıyla 380 °C’nin üzerinde asetik asittir. PVC’nin termal bozunması, 230- 330 °C ile 330-500 °C arasındaki iki bozunma aşamasında olduğu görülmektedir. PVC’nin maksimum ağırlık kaybı 330 ve 500 °C’de gözlenmiştir. İlk adım, PVC’nin dehidroklorinasyonundan kaynaklanan ağırlık kaybına karşılık gelirken, ikinci aşamada dehidroklorize edilmiş atıkların bozunmasından kaynaklanan toplam ağırlık kaybı görülmektedir. 

Şekil 4’ten görüldüğü gibi, orijinal ve geri dönüşümlü PVB filmlerin ısıl kararlılıkları, PVC ilaveli kompozit filmlerden daha iyidir. PVB’nin PVC’ye ilavesi, plastikleştirilmiş PVC’nin termal stabilitesini arttırdığı sonucuna ulaşılmaktadır.

Sonuç

Daha önce de belirtildiği gibi, PVB güvenlik camları ara tabakasının ana bileşenidir, yaygın olarak taşıtlarda ön camlarda kullanıldığı gibi aynı zamanda mimari uygulamalarda da kullanılmaktadır. Şu anda, bu polimerin genellikle geri dönüşümlü uygulamaları yaygın değildir ve depolama alanlarına yerleştirilmektedir. Plastik atıkların yeniden kullanımı için yeni fikirler, hammadde maliyetinin artması ve güvenlik camlarından gelen PVB atıkların bolluğu, iyi ve kaliteli oluşu, ürünler için olası ikinci bir hayatı hedefleyen üreticiler için PVB’yi çok ilginç kılmaktadır. Bu anlamda, ürün özellikleri ticari olarak kullanılan PVC’ye kıyasla daha iyi olan PVB, polimerik kompozitler ve sadece geri dönüştürülmüş PVB ile elde edilecek olan yeni malzemeler, atık güvenlik camının neden olduğu çevre sorunlarının çözümüne yönelik bir girişim olup, döşeme, tutkal üretimi ve inşaat mühendisliği gibi farklı uygulamalarda kullanılabilir.

Teşekkür

Bu projedeki filmler Erasmus+Programı kapsamında Çek Cumhuriyeti, Zlin, Tomas Bata Üniversitesi, Polimer Mühendisliği Bölümünde Dagmar MERÍNSKÁ danışmanlığında hazırlanmıştır. Bu projenin çıktıları 2-4 Kasım 2017 tarihlerinde İzmir’de gerçekleştirilen 5. Uluslarası Polimerik Kompozitler Sempozyumu’nda sözlü bildiri olarak sunulmuştur.

Kaynaklar

[1] Paul, D.R., 1989, Control of phase structure in polymer blends, in Functional Polymers (eds D.E. Bergbreiter and C.R. Martin), Plenum Press, New York, p. 1–18.

[2] Bendaoud, A., Carrot, Ch., Charbonnier, J., Pillon, C., 2013, “Blends of Plasticized Polyvinyl Butyral and Polyvinyl Chloride: Morphology Analysis in View of Recycling, Macromol Symp Eng, vol. 298, pp. 1259-1268.

[3] IOCA, 2010, The International Organization of Motor Vehicle Manufacturers, Displayed in: http://www.oica.net/category/production-statistics/.

[4] Dhaliwal, A.K., Hay, J.N., 2002, “The characterization of poly(vinyl butyral) by thermal analysis’’, JourThermochemacta, vol. 391, pp. 245-255.

[5] Papenfuhs, B., Steuer, M.,2001, “Plasticizer-containing polyvinylbutyrals, method for producing the same and the use thereof, especially for producing films for use in laminated safety glasses”, US Patent 6,984,679.

[6] Tupy, M., Merinska, D., Kasparkova, V., PVB sheet Recycling and Degradation, Recycling / Book 1, 1st ed. Rieka: Intech, 2012, ch. 5.

[7] Tupy, M., Mokrejs, P., Merinska, D., Svoboda, P., Zvonicek, J., 2014a, “Windshield recycling focused on effective separation of PVB sheet”, JourApplPolymSci, vol. 131, issue 4.

[8] Tupy, M., Merinska, D., Tesaríková-Svobodová, A., Carrot, C., Pillon, C., Petránek V., 2014b, “Mechanical Properties of Recycled Plasticized PVB/PVC Blends”, World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Civil, Environmental, Structural, Construction and Architectural Engineering Vol:8, No:9.

Cansu KÖROĞLU

Serap CESUR

Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü