Pil Kutuları için Polietilen Toz Kaplamalar Üzerine Bir Çalışma

Özet

Farklı özelliklere sahip polietilenin karıştırılarak modifiye edilmesiyle, akü kutuları için altı farklı polietilen toz kaplama türü tasarlanmıştır. Farklı karıştırma şemalarından elde edilen polietilen toz kaplamaların erime akış hızı, mekanik özellikleri ve asit direnci test edilerek, en iyi kapsamlı performansa sahip polietilen toz kaplama formülü belirlenmiştir. Hazırlanan polietilen toz kaplama, akü kutularının yüzey düzleştirme gereksinimlerini karşılayabilmekte ve aynı zamanda mükemmel mekanik özelliklere ve kimyasal dirence sahip olup, akü kutularının kullanım ömrünü etkili bir şekilde uzatabilmektedir.

Anahtar Kelimeler

Pil kutusu; Polietilen; Karıştırma; Toz boyalar
Sınıflandırma Kodu: TQ637.82
Belge Kodu: A

1 Giriş

Çevre korumaya yönelik giderek daha sıkı gereksinimler ortaya çıktıkça, egzoz gazı emisyonlarının kontrolü ve hava kirliliğinin azaltılması önemli çevre koruma göstergeleri haline gelmiştir [1].

Geleneksel yakıtlı araçlar genellikle güç kaynağı olarak fosil yakıtlar kullanır ve en ciddi dezavantajları, çevreyi ciddi şekilde kirleten büyük miktarda egzoz gazı emisyonudur. Buna karşılık, çekiş gücü olarak akümülatör kullanan yeni enerji araçları egzoz emisyonu üretmez ve atmosfere herhangi bir kirlilik yaratmaz, bu nedenle pazarda giderek daha fazla tercih edilmektedir [2].

Endüstriyel akü kutularının kullanım ömrü boyunca, akü asidi tarafından aşındırılırlar ve bu da kutuların korozyonunu ve arızalanmasını hızlandırır. Bu nedenle, akü kutularının korozyona karşı dayanıklılığı her zaman ilgi çekici bir araştırma konusu olmuştur. Endüstriyel akü kutuları genellikle karbon çeliğinden yapılır ve bu da iyi bir korozyon önleme performansına sahip değildir [3].

Bu nedenle, kutuların korozyon önleme performansı yalnızca iç ve dış duvarlarına yüzey işlemi uygulanarak etkili bir şekilde artırılabilir. Yaygın olarak kullanılan bir yüzey işleme teknolojisi, kutu yüzeyine bir kat korozyon önleyici kaplama uygulamaktır ve kaplamanın yalnızca asit erozyonuna karşı dayanıklı olması değil, aynı zamanda alt tabakaya sıkıca yapışması da gerekir.

Polietilen toz boyalar genellikle polietilen reçine, katkı maddeleri, dolgu maddeleri, pigmentler vb. içerir. Mükemmel kimyasal dirence ve yüksek maliyet etkinliğine sahip termoplastik toz boyalardır .

Akü kutularının korozyon önleme gerekliliklerinin yanı sıra görünüm ve maliyet gereksinimleri de göz önüne alındığında, polietilen toz boyalar ekonomik olarak uygulanabilir bir korozyon önleyici kaplama seçeneğidir. Ancak, polietilenin mekanik özellikleri ve akışkanlığı arasında bir çelişki bulunmaktadır. Polietilen toz boyaların genellikle hem mükemmel akışkanlığa hem de mekanik özelliklere sahip olması zordur, bu nedenle akü kutularının kaplama gereksinimlerini karşılayacak şekilde modifiye edilmeleri gerekir. Bu çalışmada, farklı özelliklere sahip polietilenin harmanlanmış modifikasyonu yoluyla akü kutuları için bir polietilen toz boya tasarlanmıştır. Bu kaplama mükemmel mekanik özelliklere, kimyasal dirence, yüksek yapışma özelliğine ve iyi yüzey düzleştirmesine sahiptir.

2 Deneysel Bölüm

2.1 Deneysel Hammaddeler ve Cihazlar

2.1.1 Hammaddeler

• Polietilen (PE-A, PE-B, PE-C): Sinopec;
• Polietilen (PE-D): Dow Chemical;
• Polietilen (PE-E): Prime Polymer Co., Ltd., Japonya;
• Polietilen yapıştırıcı (MAH-g-PE): Model SZ-07, Huangshan Beno Teknolojisi;
• Antioksidan: Model K7001, Luan JIENT;
• Işık stabilizatörü: Model UV531, BASF;
• Polietilen balmumu akış maddesi: Şanghay Katkı Maddesi Fabrikası;
• Çekirdekleştirici ajan: Model Hyperform HPN-20E, Milliken Chemical, ABD;
• Pigment karbon siyahı: Model R600R, Cabot.

2.1.2 Aletleri

• Çift vidalı ekstruder: Model T-35, Nanjing Rub Machine, Ltd.;
• Plaka vulkanizasyon makinesi: Model XLB-D, Huzhou Shyn Machinery Co., Ltd.;
• Çevresel gerilim çatlağı test cihazı: Model NYK-06, ChengdeTesting Equipment Co., Ltd.;
• Plastikler için üniversal test makinesi: Model WDS-3, Boyi InstruEquipment Co., Ltd.

2.2 Deneysel Yöntemler

2.2.1 Toz Kaplamaların Hazırlanması

Hammaddeler Tablo 1'deki formüle göre tartıldı ve yüksek hızlı karıştırma için bir miksere eklendi. Karışım daha sonra 160°C'de eriyik ekstrüzyon granülasyonu için çift vidalı bir ekstrüdere eklendi. Granüller toz haline getirilmek üzere bir değirmene konuldu, ardından sınıflandırıldı ve elendi.

Tablo 1 Polietilen Toz Kaplama Formülü

2.2.2 Kaplamaların Hazırlanması

Akü kutularının yüzeyine polietilen toz kaplama uygulamak için akışkan yataklı daldırma yöntemi kullanıldı. Akü kutusunun yüzeyi önce kum püskürtme yöntemiyle temizlendi, ardından fırında 250-350°C'ye kadar ısıtıldı. Daha sonra, polietilen toz kaplama akışkan yataklı daldırma yöntemiyle uygulandı ve plastikleştirme, iş parçasının artık ısısı kullanılarak veya fırına yerleştirilerek sağlandı.

2.2.3 Performans Testi için Numunelerin Hazırlanması

Polietilen tozunun mekanik özelliklerinin test edilmesine yönelik numuneler, sıkıştırma kalıplama yöntemiyle hazırlandı.

2.3 Performans Testi

• Polietilen toz boyaların eriyik akış hızı (MFR), GB/T 3682-2018'e uygun olarak test edildi;
• Polietilen toz boyaların çevresel stres çatlağı (ESC) performansı GB/T 1842-2008'e uygun olarak test edildi;
• Polietilen toz boyaların çekme özellikleri GB/T 1040.2-2018'e göre test edilmiştir;
• Polietilen toz boyaların asit direnci, GB/T 30-11547'e uygun olarak %2008 (kütle kesri) sülfürik asit çözeltisi kullanılarak test edildi;
• Polietilen toz boyaların yapışması GB/T 9286-2008'e göre test edilmiştir.

Akü kutuları için polietilen toz boyaların temel performans göstergeleri Tablo 2’de gösterilmektedir.

Tablo 2 Pil Kutuları için Polietilen Kaplamaların Ana Performans Göstergeleri

3 Sonuçlar ve Tartışma

3.1 Polietilenin Performans Analizi

Farklı polietilen türlerinin performans parametrelerinin analizi, karışık polietilen toz boya formüllerinin tasarlanması için bir ön koşuldur. Bu çalışmada, toz boya hammaddesi olarak 5 farklı polietilen türü seçilmiş ve özellikleri ilgili standartlara uygun olarak test edilmiştir. Sonuçlar Tablo 3'te gösterilmiştir.

Tablo 3'te görülebileceği gibi, PE-A ve PE-B son derece yüksek eriyik akış hızlarına sahiptir, bu nedenle kaplamanın yüksek yüzey düzleştirme gereksinimlerini karşılayabilirler. Ancak, PE-A ve PE-B'nin tokluğu nispeten zayıftır. PE-A'nın kopma uzaması yalnızca %100'dür ve gerilim çatlağı direnç süresi yalnızca 1 saattir, bu nedenle akü kutusu kaplamalarının mekanik özellik gereksinimlerini karşılayamaz. PE-C, orta eriyik akış hızına sahip doğrusal düşük yoğunluklu polietilendir, temel olarak sıradan kaplamaların düzleştirme gereksinimlerini karşılayabilir, ancak tokluğu da zayıftır. Hem PE-D hem de PE-E metalosen doğrusal düşük yoğunluklu polietilendir ve her ikisi de mükemmel tokluğa ve çekme mukavemetine sahiptir. Aradaki fark, PE-E'nin son derece düşük bir eriyik akış indeksine sahip olması ve bu nedenle kaplama düzleştirme görünüm gereksinimlerini karşılayamamasıdır.

Tablo 3 Farklı Polietilen Türlerinin Özellikleri

3.2 Polietilenin Seçimi ve Optimizasyonu

Polietilenin eriyik akış hızı (MFR), polietilenin sıcak eriyik halindeki akışkanlığını yansıtan bir göstergedir ve bir dereceye kadar polietilen kaplamanın düzleştirme etkisini temsil eder. Genellikle, MFR değeri ne kadar yüksekse, kaplamanın düzleştirme etkisi de o kadar iyidir. Ancak, MFR değeri ne kadar yüksekse, polietilenin bağıl molekül kütlesi genellikle o kadar düşük olur ve mekanik özellikleri de o kadar kötü olur. Bu nedenle, hem akışkanlık hem de mekanik özellik gereksinimlerini aynı anda karşılamak genellikle zordur ve bu durum Tablo 3'te gösterilen test sonuçlarıyla da doğrulanmaktadır. Farklı özelliklere sahip polietilen karıştırılıp birlikte kullanıldığında, karışımın hem mükemmel akışkanlığa hem de mekanik özelliklere sahip olması sağlanırsa, teorik olarak, gereksinimleri karşılayan kapsamlı özelliklere sahip polietilen toz kaplamalar hazırlanabilir.

Tablo 4 Farklı Karıştırma Şemaları

 Tablo 3'ten görülebileceği gibi, hem PE-A hem de PE-B yüksek eriyik akış hızlarına sahiptir, ancak PE-B nispeten daha yüksek tokluğa sahiptir, bu nedenle PE-B karışımın akışkanlığını iyileştirmek için matris malzemesi olarak kullanılabilir; PE-D ve PE-E iyi mekanik özelliklere sahiptir ve karışımın mekanik özelliklerini iyileştirmek için matris malzemesi olarak kullanılabilir. Ancak, PE-E düşük bir eriyik akış hızına sahip olduğundan matris malzemesi olarak uygun değildir. PE-E gibi büyük ortalama bağıl molekül kütlesine sahip polietilen için zincir dolanma yoğunluğu yüksek ve akış hızı düşüktür. Ancak, dış yüklere maruz kaldığında, akma mekanizması esas olarak kesme deformasyonudur ve belirgin moleküler akış oluşması kolay değildir, bu nedenle yüksek mukavemet ve tokluğa sahiptir [6]. Bu nedenle, harmanlanmış modifiye polietilen hazırlamak için PE-B ve PE-D farklı oranlarda karıştırılmıştır. Aynı zamanda, polietilen toz boya ile pil kutusu alt tabakası arasındaki bağlanma kuvvetini artırmak için uygun miktarda polietilen yapıştırıcı (MAH-g-PE) eklenmelidir. Polietilen yapıştırıcı, maleik anhidritin polietilene aşılanmasıyla hazırlanan bir bağlayıcıdır. Sonuç olarak, Tablo 6'te gösterildiği gibi 4 farklı karıştırma şeması tasarlanmıştır.

3.3 Polietilen Toz Kaplamaların Performans Analizi

Tablo 1'e dayanarak, Tablo 4'teki karıştırma şemalarına göre, hammaddeler karıştırılmış, ekstrüde edilmiş ve ezilmiş ve polietilen toz boyalar hazırlanmıştır. Toz boyaların eriyik akış hızı, çekme özellikleri, gerilim çatlağı direnci ve asit direnci ulusal standartlara uygun olarak test edilmiştir. Sonuçlar Tablo 5'te gösterilmiştir.

Tablo 5 Farklı Karıştırma Şemalarının Performans Testi Sonuçları

Tablo 5'ten görülebileceği gibi, karışımın eriyik akış hızı, PE-D oranının artmasıyla hızla düşmektedir. Bunun temel nedeni, düşük bağıl molekül kütleli PE-B'nin yüksek bağıl molekül kütleli PE-D ile karıştırılıp bir ekstrüderde eriyik halinde ekstrüde edilmesi durumunda, uzun molekül zincirlerinin kısa molekül zincirlerini sarması ve eriyik akış hızında hızlı bir düşüşe neden olmasıdır. Bu nedenle, düşük akışkanlığa sahip polietilenin ilave miktarı, karışımın akışkanlığı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir ve karışık polietilen toz boyaların formülü tasarlanırken ilave miktarına özel önem verilmelidir. Başka bir açıdan bakıldığında, PE-D'nin (düşük akışkanlığa sahip polietilen) akışkanlığı, PE-B (nispeten yüksek akışkanlığa sahip polietilen) ile karıştırıldıktan sonra da önemli ölçüde iyileştirilebilir. Bunun nedeni, kısa molekül zincirli polietilenin uzun molekül zincirli polietilene yoğun bir şekilde yerleşebilmesi ve bunun sonucunda katmanlı bir yapı oluşturması ve böylece moleküler zincir dolanıklığının zayıflamasıdır. Yüksek moleküler kütleli polietilen için akış değiştiriciler genellikle polietilenin akışkanlığını iyileştirmek için bu prensibi kullanır [7].

Tablo 5'ten de görülebileceği gibi, karışık polietilen toz kaplamaların çekme dayanımı ve kopma uzaması, PE-D ilavesi miktarının artmasıyla kademeli olarak artmakta ve bu da iki farklı polietilen türü arasındaki uyumluluğun iyi olduğunu göstermektedir. Bunun temel nedeni, PE-B ve PE-D'nin entalpi ve entropi değerlerinin benzer olması, dolayısıyla karışımın serbest enerjisinde temelde hiçbir değişiklik olmaması ve iki polietilen türü arasındaki uyumluluğun yüksek olmasıdır. Şema 1 ile karşılaştırıldığında, Şema 6'da dayanımda önemli bir artış, kopma uzamasında 2 kat artış ve kaplama tokluğunda önemli bir iyileşme görülmektedir. Kaplama dayanımı ve tokluğu, PE-D ilavesi miktarının artmasıyla önemli ölçüde iyileşse de, iyileşme oranı eriyik akış hızındaki azalma oranından çok daha düşüktür. Bunun nedeni, PE-B'nin eklenmesinin PE-D'nin moleküler zincir dolanma yoğunluğunu azaltması ve bu nedenle gerilme işlemi sırasında moleküler zincir akışının meydana gelme olasılığını artırırken, kesme etkisinin zayıflamasıdır.

Akü kutusu yüzeyine uygulanan polietilen kaplamada, iç yapının stabilize olma eğiliminin neden olduğu gerilim boşalması ve köşe bölgelerinde oluşan gerilim yoğunlaşması, kaplamanın çatlamasına neden olabilir. Bu nedenle, gerilim çatlağı direnci, kaplamanın kullanım ömrünü ölçmek için önemli bir standarttır. Tablo 5'teki çevresel gerilim testi sonuçlarından da görülebileceği gibi, polietilen toz boyanın gerilim çatlağı direnci, tokluğuyla tutarlıdır; yani, kaplama tokluğu ne kadar yüksekse, gerilim çatlağı direnci de o kadar iyidir. PE-D, karışık polietilen toz boyanın gerilim çatlağı direncini önemli ölçüde artırabilir.

Akü kutuları için polietilen toz boya, akü asidi tarafından sürekli olarak aşındırılır, bu nedenle mükemmel bir korozyon önleme performansına sahip olmalıdır. Tablo 5'teki asit direnci test sonuçlarından görülebileceği gibi, Şema 1 ile hazırlanan polietilen toz boya asit çözeltisine daldırıldıktan sonra kabarcık veya çözünme oluşmaz, ancak ciddi bir şişme meydana gelir ve kaplama yapışma derecesi yalnızca 5'tir; Şema 1 ile karşılaştırıldığında, Şema 2 ile hazırlanan kaplama, asit çözeltisiyle aşındırıldıktan sonra nispeten daha az şişme gösterir ve yapışma derecesi 3'e ulaşır; diğer şemalarla hazırlanan polietilen kaplamalarda belirgin bir korozyon olayı görülmez ve kaplama yapışma derecesi 1'in üzerine çıkabilir. Metalosen PE-D'nin kendisi mükemmel bir kimyasal dirence sahiptir, bu nedenle ekleme miktarı kademeli olarak artırıldıkça kaplamanın korozyon önleme performansı kademeli olarak artar.

Yukarıda tasarlanan farklı formüllere sahip polietilen toz boyaların performans testleri aracılığıyla, sonuçlar Şema 3 ve Şema 4 ile hazırlanan polietilen toz boyaların sadece yüksek akışkanlığa sahip olmadığını, aynı zamanda mükemmel mekanik özelliklere ve korozyon önleyici performansa sahip olduğunu, bu nedenle pil kutuları için toz boyaların performans gereksinimlerini karşılayabileceğini göstermektedir. Genel olarak, polietilen toz boyaların eriyik akış hızı ne kadar yüksekse, düzleştirme performansı o kadar iyi ve kaplama yüzeyi o kadar pürüzsüz olur. Yaygın olarak kullanılan polietilen toz boyaların eriyik akış hızı 10 g/(10 dak)'dan yüksek olduğunda, daha yüksek düzleştirme gereksinimlerini karşılayabilir. Ancak, Şema 5 ve Şema 6'nın eriyik akış hızları 10 g/(10 dak)'dan düşük olduğundan düzleştirme gereksinimlerini karşılayamazlar. Şema 1 nispeten yüksek bir eriyik akış hızına sahip olmasına rağmen, mukavemeti ve tokluğu zayıftır ve asit direnci testinde başarısız olur; Şema 2'de mekanik özelliklerde belirgin bir iyileşme görülmemektedir ve asit daldırma işleminden sonra yapışma azalmaktadır, bu nedenle yüksek kaplama görünümü gereksinimlerinin gerekli olduğu, ancak düşük mekanik özellikler ve korozyon önleme performansı gereksinimlerinin gerekli olduğu durumlarda uygulanabilir.

4 Sonuç

Bu çalışmada, farklı özelliklere sahip polietilen karıştırılıp kullanılarak, farklı harmanlanmış modifiye polietilen toz boya şemaları tasarlanmış ve farklı şemaların performansı test edilmiştir. Sonuçlar, Şema 3 ve Şema 4'e göre tasarlanan polietilen toz boyaların, akü kutusu koruyucu kaplamasının yüzey düzeltme gereksinimlerini karşılamanın yanı sıra, iyi mekanik özelliklere ve korozyon önleme performansına da sahip olduğunu göstermektedir. Araştırma sonuçları, akü kutularının korozyon korumasında önemli bir rol oynamakta ve araştırma fikirleri, polietilen toz boyaların modifikasyon tasarımı için önemli bir yol gösterici öneme sahiptir.

Referanslar

[1] Ji Y. Yurtiçi toz boya pazarı hızla büyüyor [J]. Yapı Malzemeleri Endüstrisi Bilgileri, 2003(10): 17.

[2] Li Z R. Yeni enerjili araç geliştirmenin çıkmazının ve karşı önlemlerinin kısa analizi [J]. Automobile World, 2020(4): 1.

[3] Lu J Q. Endüstriyel pil kutularının korozyon önleme teknolojisi [J]. Gemi İnşa Teknolojisi, 2001(4): 27-28.

[4] Yu GL, Wang ZH, Wang XK ve diğerleri. Yeni kaplamaların son araştırma ilerlemesi [J]. Kaplama ve Koruma, 2019, 40(10): 49-52.

[5] Liu CQ, Cai Y M. Yüksek kaliteli polietilen toz kaplamalar üzerine araştırma [J]. Kaplama Teknolojisi, 1993(2): 4-7.

[6] Liao HY, Tao G L. Yüksek yoğunluklu polietilen karışımlarının darbe dayanımı ve eriyik akış hızı [J]. Polimer Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, 2013, 29(7): 72-75, 79.

[7] Wang S, Wang QZ, Chen Y ve diğerleri. Ultra yüksek moleküler ağırlıklı polietilen taşıyıcıların akışkanlık modifikasyonunda araştırma ilerlemesi [J]. Mühendislik Plastikleri Uygulaması, 2014(10): 113-117.

İlgili Mesajlar:

Akü Kutuları için Termoplastik Toz