Mechanische recyclage van meerlaagse PET-PE schalen

en folies: opwaarderen met verschillende

compatibilisatoren

Cédric Deceur

Promotoren: prof. dr. Kim Ragaert, dr. Laurens Delva

Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van

Master of Science in de industriële wetenschappen: elektromechanica

Vakgroep Materialen, Textiel en Chemische Proceskunde

Voorzitter: prof. dr. Paul Kiekens

Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur

Academiejaar 2016-2017

Voorwoord

Met deze masterproef sluit ik graag mijn opleiding tot industrieel ingenieur af. Het schrijven van een

eindwerk geeft de kans om veel te weten te komen over een bepaald onderwerp. Dit zou echter niet

mogelijk geweest zijn zonder de hulp van de CPMT-leden. Daarom zou ik hen graag bedanken.

Als eerste zou ik mijn promotor dr. L. Delva willen bedanken voor de goede begeleiding. Zijn feedback

en hulp bij het schrijven van deze thesis waren onmisbaar. Ook wil ik prof. dr. K. Ragaert bedanken

voor de goede ondersteuning en motivatie die mij werd gegeven. Ook een woord van dank aan N. Van

Damme voor zijn essentiële hulp bij het schrijven van dit werk. Daarnaast wil ik ook alle andere leden

van de CPMT-vakgroep bedanken voor de hulp en het mee helpen inzicht verwerven over het

onderwerp van dit eindwerk.

Als laatste wil ik mijn ouders, zus, broer en vrienden bedanken die mij doorheen het jaar steeds weten

te steunen en motiveren hebben.

Cédric Deceur, Werken 20 mei 2017

Deze scriptie werd uitgevoerd binnen de onderzoeksgroep CPMT (Centrum voor Polymeer en

Materiaaltechnologie) van prof. Ludwig Cardon en prof. Kim Ragaert. CPMT maakt deel uit van de

vakgroep Toegepaste Materiaalwetenschappen (EA10) van de faculteit Ingenieurswetenschappen en

Architectuur van Universiteit Gent. Het onderzoek binnen CPMT focust zich rond drie belangrijke

speerpunten:

- Additive manufacturing

- Geavanceerde polymeerverwerking

- Duurzaam gebruik en recyclage van polymeren en composieten

Deze scriptie kadert in de onderzoekslijn “Duurzaam gebruik en recyclage van polymeren en

composieten”.

De auteur geeft het recht het werk ter beschikking te stellen voor consultatie en delen van de

masterproef te gebruiken voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de betrekking van

auteursrechten, in het bijzonder met de verplichting de bron uitzonderlijk te vermelden bij het

aanhalen van resultaten uit deze masterproef.

Abstract

In dit werk wordt de invloed onderzocht van twee verschillende compatibilizers die gemengd worden

met een virgin polyethyleentereftalaat/polyethyleen (PET/PE) mengsel en een gerecycleerde blend

bestaande uit postindustriële voedingsschalen. De bestudeerde compatibilizers waren een propyleen

ethyleen rubber (PER) en een styreen ethyleen/butyleen styreen triblockcopolymeer gegraft met

maleïnezuuranhydride (SEBS-g-MA). Dit werk onderzoekt enerzijds het effect van deze

compatibilisatoren op de mechanische eigenschappen en morfologie van het PET/PE mengsel en

anderzijds of deze effecten overdraagbaar zijn naar een afvalstroom bestaande uit gerecycleerde

postindustriële voedingsschalen. De belangrijkste onderzoekstechnieken waren trek-, buig- en

impacttesten en scanning electron microscopy (SEM).

Uit de resultaten van de virgin blends kan geconcludeerd worden dat beide compatibilizers de

impactsterkte en breukrek van het materiaal sterk verhogen waarbij PER de impactsterkte effectiever

verhoogt dan SEBS-g-MA. De sterkte en stijfheid van het materiaal nemen echter af met toevoeging

van zowel SEBS-g-MA als PER. Ook wordt de morfologie van de mengsels niet significant verbeterd

door de toevoeging van de compatibilizers. Daarom kan bij de virgin blends worden geconcludeerd dat

zowel SEBS-g-MA als PER er niet in slagen om de interfasespanning tussen de componenten voldoende

te reduceren. Het is bijgevolg meer aannemelijk om te stellen dat de gebruikte compatibilizers meer

werken als impact modifier door middel van rubber toughening dan als compatibilizer.

De resultaten van de virgin blends zijn in mindere mate overdraagbaar naar een werkelijke afvalstroom

die bestaat uit postindustriële voedingsschalen. In tegenstelling tot de virgin blends slaagt SEBS-g-MA

er niet in een aanzienlijke verhoging van de impactsterkte te verwezenlijken. Daarnaast is de breukrek

van de gerecycleerde blend met SEBS-g-MA uitzonderlijk hoog in vergelijking met zijn virgin-

equivalent. Uit de resultaten van de recyclaatblends kan wel geconcludeerd worden dat ook hier de

compatibilizers er niet in slagen om de blendcomponenten voldoende te verenigen.

Mechanical recycling of multi-layered PET-PE trays and foils: upcycling with different compatibilizers

Cédric Deceur

Supervisors: prof. dr. Kim Ragaert, dr. Laurens Delva

Abstract: In this paper the influence of two different

compatibilizers melt-mixed with a polyethylene

terephthalate / polyethylene (PET/PE) blend and a

recycled blend consisting of post-industrial food trays was

investigated. The compatibilizers studied were a propylene

ethylene rubber (PER) and a styrene ethylene / butylene

styrene triblock copolymer grafted with maleic anhydride

(SEBS-g-MA).

This work examines the effect of these compatibilizers

on the mechanical properties and morphology of the

PET/PE blend and whether these effects are transferable

to the blend consisting of recycled post-industrial food

trays. The main techniques were tensile, flexural and

impact testing and scanning electron microscopy (SEM).

From the results of the virgin blends it can be concluded

that both compatibilizers increase the impact strength and

elongation of the material, wherein PER increases the

impact strength more effectively than SEBS-g-MA.

However, the strength and stiffness of the material

decreases with addition of both SEBS-g-MA and PER.

Also, the morphology of the blends is not significantly

improved by the addition of the compatibilizers.

Therefore, it can be concluded that both SEBS-g-MA and

PER are not effective in compatibilizing the blend

components. It is more plausible to assume that the used

compatibilizers do their work as impact modifier through

rubber toughening.

The results of the virgin blends are, to a lesser extent,

transferable to an actual waste stream consisting of post-

industrial food trays. In general, it can be concluded that

the compatibilizers are not effective at compatibilizing the

recycle blends either. However, unlike the virgin blends,

SEBS-g-MA does not succeed in significantly increasing

the impact strength of the recycle. In addition, strain at

break of the recycled blend with SEBS-g-MA is

exceptionally high in comparison with its virgin

equivalent.

Keywords: Polyethylene terephthalate, polyethylene, SEBS-g-

MA, PER, PE, PET, compatibilizer, blend.

I. INTRODUCTION

Plastics play an important role in current society. The

important contribution of plastics to the living standards is

widely recognized. Plastics are used in many fields including

food packaging, electrical and electronic equipment,

architecture, spacecraft ... This wide field of application is due

to the unique properties of low density in combination with

good mechanical properties such as ductility and toughness. In

addition, they are excellent electrical and thermal insulators

and have a high chemical resistance. However, this increasing

production of plastics causes a lot of waste and an increasing

consumption of fossil fuels [1].

These problems can be faced by recycling the used

materials. The recycling of plastics can reduce waste deposited

on landfills and the consumption of fossil fuels. Due to the

increasing demand for plastics it is clear that the recycling of

plastics will take on an increasingly important role in society.

In 2014, in Europe 25.8 million tonnes of post-consumer

plastic waste landed in official waste streams. Of these, only

29.7% were recycled while 39.5% were burned for energy

recovery and 30.8% ended at landfills [2]. It is clear that there

is still room for improvement.

The biggest difficulty in recycling plastics arises from the

variety of plastics used [3]. When glass and aluminum are

recycled, they can be converted into essentially the same

products, but that rarely happens with polymers. Most waste

streams contain different types of plastics that cannot be

properly recycled together. Consequently, the different

plastics from the waste streams must be separated before they

can be recycled qualitatively. However, with some waste

streams, it is impossible to separate the different types of

polymers. An example of this is the recycling of the food trays

discussed in this work. These scales consist of different layers

of plastics with polyethylene terephthalate (PET) and

polyethylene (PE) being the main ones. Since the different

materials are physically connected, they have to be recycled

together. Due to the minor miscibility of polymers, these

blends have inferior mechanical properties. As a result,

700,000 tonnes of food trays are not recycled annually, but

burned in Europe [4]. In order to be able to use this waste

stream for new closed-loop or open-loop products, the

mechanical properties must be improved. This can be done

either by using additives that improve miscibility or specific

custom processing techniques.

The purpose of this study is to examine whether the

mechanical properties of a recycled waste stream consisting of

PET trays and films can be improved by adding propylene

ethylene rubber (PER) and styrene ethylene / butylene styrene

grafted with maleic anhydride (SEBS-g-MA). The influence of

these additives on the morphology is also investigated.

In the first part of the research, virgin components are used

to simulate the selected waste stream. The virgin blend

consists of PET and PE and is processed with and without the

compatibilizers. These blends are then mechanically

characterized with flexural, tensile and impact tests. Also, the

morphology is determined using SEM. The purpose of the first

part of the study is to determine the influence of the

compatibilizers on a virgin blend.

In the second part of the research, a real waste stream is

used consisting of post-industrial food trays. This waste

stream is also processed with and without compatibilizers and

then mechanically characterized. As with the virgin blends,

morphology is also determined using SEM. In this second part

of the study it is intended to determine the effect of the

compatibilizers on an actual waste stream as well as the

Table 1: Composition of the samples

PET

(wt%)

LDPE

(wt%)

rTray

(wt%)

SEBS-g-

MA (wt%)

PER

(wt%)

Virgin

PET/PE 80 20 0 0 0

PET/PE/SEBS-g-MA-2.5 78 19.5 0 2.5 0

PET/PE/SEBS-g-MA-5 76 19 0 5 0

PET/PE/PER-5 76 19 0 0 5

Recycled

rTray 0 0 100 0 0

rTray/SEBS-g-MA-5 0 0 95 5 0

rTray/PER-5 0 0 95 0 5

transferability of the results of the virgin blends to this waste

stream.

II. EXPERIMENTAL

A. Materials

The selected PET used as matrix is Lighter ™ C93

produced by Equipolymers. This PET is made of purified

terephthalic acid (PTA) and monoethylene glycol (MEG). It

has a melting temperature of 247 °C and a glass transition

temperature of 78°C. For PE, Exceed ™ 1012 HA mVLDPE

produced by Exxonmobil is used. It consists of a metallocene

ethylene-hexene copolymer and is designed for the production

of sheets. The used PE has an MFI of 1.0 g/10 min and

melting temperature of 115°C. The used SEBS-g-MA as

compatibilizer is FG1901 G Polymer produced by Kraton.

The grafting level is 1.4 to 2.0 wt%. The used PER is

Vistamaxx™ 6202 produced by Exxonmobil. It is primarily

composed of isotactic propylene repeat units (85 wt%) with

random ethylene distribution (15 wt%). Postindustrial food

trays were offered by Ter Beke and consist mainly of PET and

PE.

B. Sample preparation

In the first part of this research the compatibilizers were

added to blends made up of virgin material. The blend

components were dried at 60°C during 6h in a vacuum dryer

before melt processing. This because of the hygroscopic

characteristics of these materials. The dried pellets were mixed

in the weight ratios shown in Table 1.

In the second part of this research the compatibilizers were

added to a real waste stream consisting of postindustrial food

trays. The food trays were shredded before they were fed into

the extruder for melt blending. The melt blending of the

different mixtures was performed on a co-rotating twin-screw

extruder ZSK 18 MEGAlab from Coperion. The temperature

profile, starting from the feeding zone to the die was 190°C –

240°C – 245°C – 245°C – 245°C – 250°C – 250°C – 255°C –

260°C. The screw speed was maintained at 200 rpm. The

extrudate was cooled and stranded in a water bath before

pelletization. Before injection moulding, the pellets were dried

again at 60°C for 6 hours

Samples for impact, tensile and flexural testing were

injection-moulded with an Engel ES 330 / 80 HL, barrel

temperatures spanning the range 250-280°C with the mould at

around 15-20°C.

C. Characterisation

Scanning electron microscopy (SEM) was used to study the

surface morphology of the samples using a JSM7600F FEG

SEM. The brittle fracture surfaces of the samples were

examined. The brittle fracture was achieved by cryogenic

breaking after liquid nitrogen cooling. Samples were taken

from the injection molded specimen. The accelerating voltage

was 15-20 kV.

Charpy impact properties (ISO 179 notched) were measured

using a Tinius Olsen IT 503 Pendulum Impact Tester,

equipped with a hammer with an energy of 2 J.

Tensile properties (ISO 527) were determined using an

Instron 5565 tensile testing machine, with a load cell of 5 kN.

The dynamometer was equipped with a Dynamic

Extensometer 2620-603 by instron, which was used to

accurately measure the strain. The crosshead speed was set at

1 mm/min until the highest stress was reached. Then the

crosshead speed was increased to 25 mm/min.

Flexural properties (ISO 178) were measured using an

Instron 4464 testing machine, with a load cell of 2 kN. The

crosshead speed was 2 mm/min. The measurement stopped at

a deflection of 15 mm.

All mechanical tests were performed at room temperature.

All the reported results are the average of at least five

measurements .

III. RESULTS AND DISCUSSION

A. Influence of the compatibilizers on the mechanical

properties

1) On the virgin blends

Table 2 shows the mechanical properties of the different

blends. The impact test shows that the addition of

compatibilizer has a positive influence on the impact strength

of the virgin blends. The addition of 5% SEBS-g-MA and

PER doubles and triples the impact strength, respectively.

However, both the flexural modulus and the stress at yield are

significantly reduced upon the addition of compatibilizer. The

reduction of flexural properties by adding both SEBS-g-MA

and PER indicates a poor effectiveness of the two

compatibilizers. In general, SEBS-g-MA is better at bend

properties than PER. One explanation for this is that the

compatibilizing effect of SEBS-g-MA is slightly better than

that of PER since SEBS-g-MA can covalently bond with the

PET-phase while PER cannot.

Tabel 2: Mechanical properties of the blends

0 Impact

Impact strength

(kJ/m²)

Flexural

Flexural modulus Stress at yield

(MPa) (MPa)

Tensile

Elongation at

break (%)

Virgin

PE > 100 109 ± 2 4.09 ± 0.21 571.46 ± 13.10

PET 2.17 ± 0.19 2040 ± 62 61.39 ± 1.41 2.47 ± 0.72

PET/PE 2.15 ± 0.07 1263 ± 31 40.43 ± 0.81 4.55 ± 1.19

PET/PE/SEBS-g-MA-2.5 3.33 ± 0.29 1198 ± 17 37.43 ± 0.60 8.62 ± 2.37

PET/PE/SEBS-g-MA-5 4.14 ± 0.43 1188 ± 58 37.10 ± 2.06 34.94 ± 18.05

PET/PE/PER-5 6.24 ± 0.16 1081 ± 18 34.65 ± 0.48 41.54 ± 15.90

Recycled

rTray 3.99 ± 0.32 1424 ± 37 43.71 ± 0.72 14.14 ± 10.20

rTray/SEBS-g-MA-5 4.63 ± 0.56 1228 ± 32 41.42 ± 0.40 355.57 ± 24.73

rTray/PER-5 5.78 ± 0.20 1262 ± 24 37.74 ± 0.44 23.58 ± 6.91

2) On the recycled blend

The results of the mechanical tests of the virgin blends are

to a lesser extent transferable to the recycled blends. Adding

SEBS-g-MA to the recycle does not cause a significant

increase in impact resistance. In addition, it is seen that when

PER is added to the recycle the impact resistance does not

increase as pronounced as in the virgin blends.

Remarkably, the strain at break in the Tray/SEBS-g-MA-5

blend is very high, which indicates there is some degree of

compatibility. A possible explanation for this increased

compatibility is the use of another type of PE. Studies

conducted by Zhang et al. [5] [6] [7] have already proven that

the solubility of SEBS in PE is highly dependent on the type

of PE used. It is possible that the PE type of the recycle

interacts better with SEBS than the PE type of the virgin

blends. This would explain why SEBS-g-MA is more

compatible with the recycled blends than with the virgin

blends.

The results show that the recycled blends perform better

than their virgin equivalents at the mechanical level. A

possible explanation is a different PET / PE ratio. For the

virgin blends, a PET / PE ratio of 80/20 was chosen. The PET

/ PE ratio in the recycle blends is higher, which could be a

possible explanation for the better mechanical properties.

B. Influence of the compatibilizer on the morphology

1) On the virgin blend

Figure 1 shows the SEM-micrographs of the different

blends. In the virgin blends, there is no clear improvement in

morphology by the addition of compatibilizer. The size of the

dispersion particles remains the same, indicating poor

interfacial stress and adhesion.

A remarkable phenomenon is the presence of a very fine

dispersion phase in the blend to which PER was added. Since

this fine dispersion phase is present only when adding PER, it

seems logical that this is the PER phase. This finely divided

rubber phase in the PET matrix with a small interparticle

distance can explain why PER achieves better impact strength

than SEBS-g-MA.

2) On the recycled blend

At the recycled blend, fewer PE particles are seen in

comparison to the virgin blends. Which confirms the lower

PE / PET ratio than with the virgin blends. The lower PE /

PET ratio can explain why the recycle blends on mechanical

properties score better than their virgin equivalents. Although

fewer PE particles are present, the size of the dispersion

particles appears to be as large as the virgin blends. In

addition, this is confirmed by determining the particle size

with software. This indicates that in the recycled blends the

compatibilizers fail to significantly reduce the interfacial

tension.

Once again the presence of a very fine dispersion phase can

be seen at the recycled blend to which PER was added. This

finely divided rubber phase in the PET matrix with a small

interparticle spacing can once again explain why PER

achieves better impact strength than SEBS-g-MA at the

recycled blends.

IV. CONCLUSION

This study consists of two parts, first the influence of SEBS-

g-MA and PER as compatibilizer on a 80/20 virgin PET / PE

blend was investigated.

Both compatibilizers increase the impact strength at which

SEBS-g-MA and PER cause a doubling and tripling of impact

resistance, respectively. Both compatibilizers cause a slight

decrease in the strength and rigidity of the material during the

flexural test.

The morphology of the virgin blends does not improve

when adding compatibilizer. The particle size of the

dispersion phase does not decrease upon addition of the

compatibilizers. From this, it can be decided that both SEBS-

g-MA and PER fail to reduce interfacial tension between

blend components and improve adhesion. Because

compatibilizers also fail to increase the strength and stiffness

of the material, PER and SEBS-g-MA are likely to work as an

impact modifier rather than a compatibilizer.

In the second part of the study, the influence of the

compatibilizers on an actual waste stream consisting of post-

industrial food trays was investigated. In addition, it is

examined whether the results of the virgin blends are

transferable to these recycled blends.

The mechanical results show that the effect of SEBS-g-MA

and PER on the virgin blends is to a lesser extent transferable

to a recycled waste stream. However, the influence of

compatibilizers on morphology is transferable. The size of the

dispersion particles appear to be as large as the virgin blends.

This is also confirmed by determining the particle size with

the software. This indicates that in the recycled blends the

compatibilizers also fail to significantly reduce the interfacial

tension between the blend components. Consequently, it is

also plausible to say that PER and SEBS-g-MA will have an

impact-modifying effect rather than a compatibilizing effect.

Figure 1: SEM-micrographs of the PET/PE blends: (A) PET/PE, (B) PET/PE/SEBS-g-MA-5, (C) PET/PE/PER-5, (D) rTray, (E) rTray/SEBS-

g-MA, (F) rTRay/PER (scalebar = 10 µm)

Overall, it can be concluded that PER and SEBS-g-MA

have a positive influence on the mechanical properties of the

blends. When compatibilizer is added, the impact strength

and/or elongation at break is significantly increased while the

modulus and strength of the material drop slightly.

Consequently, there is a positive trade-off between, on one

hand, the increasing impact strength and elongation at break

and, on the other hand, the decreasing of the strength and

stiffness of the material. The addition of PER has the best

influence on mechanical properties. This is positive as the

price of PER (≈ € 2.00 / kg) is three times cheaper than SEBS-

g-MA (≈ € 6,00 / kg).

REFERENCES

[1] Newell, J. (2009). Essentials Of Modern Materials Science. Hoboken:

Wiley.

[2] EU. (2014). Plastics – the Facts 2014/2015 - An analysis of European

plastics production, demand and waste data. Brussels: Retrieved

from

http://www.plasticseurope.org/documents/document/20150227150049

-final_plastics_the_facts_2014_2015_260215.pdf

[3] van Mourik, P., & van Dam, J. (2012). Materiaalkunde voor

Ontwerpers en Constructeurs. Delft: VSSD

[4] Van Damme, N. (2016a). Algemene presentatie: Recyctray. Gent:

Universiteit Gent

[5] Zhang, H., Guo, W., Yu, Y., Li, B., & Wu, C. (2007). Structure and

properties of compatibilized recycled poly(ethylene

terephthalate)/linear low density polyethylene blends. European

Polymer Journal, 43(8), 3662-3670. doi:

http://dx.doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2007.05.001

[6] Zhang, Y., Zhang, H., Ni, L., Zhou, Q., Guo, W., & Wu, C. (2010).

Crystallization and mechanical properties of recycled poly (ethylene

terephthalate) toughened by styrene–ethylene/butylenes–styrene

elastomer. Journal of Polymers and the Environment, 18(4), 647-653.

[7] Zhang, Y., Zhang, H., Guo, W., & Wu, C. (2011). Effects of different

types of polyethylene on the morphology and properties of recycled

poly(ethylene terephthalate)/polyethylene compatibilized blends.

Polymers for Advanced Technologies, 22(12), 1851-1858. doi:

10.1002/pat.1683

http://www.plasticseurope.org/documents/document/20150227150049-final_plastics_the_facts_2014_2015_260215.pdfhttp://www.plasticseurope.org/documents/document/20150227150049-final_plastics_the_facts_2014_2015_260215.pdfhttp://dx.doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2007.05.001

Inhoud

Hoofdstuk 1: Inleiding ............................................................................................................................. 1

Situering .................................................................................................................................. 1

Doel van het onderzoek .......................................................................................................... 2

1.2.1 Onderzoeksvraag ............................................................................................................. 2

1.2.2 Nevenonderzoeksvraag ................................................................................................... 2

Methode van het onderzoek ................................................................................................... 2

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie ................................................................................................................. 4

PET – PE schalen en folies ....................................................................................................... 4

2.1.1 Algemeen ......................................................................................................................... 4

2.1.2 Polyethyleen .................................................................................................................... 6

2.1.3 Polyethyleentereftalaat ................................................................................................... 7

2.1.4 Ethyleen-vinylalcohol ...................................................................................................... 9

PET-PE blends .......................................................................................................................... 9

2.2.1 Oppervlaktespanning en interfasespanning ................................................................... 9

2.2.2 Schatten van de oppervlaktespanning en interfasespanning ....................................... 11

2.2.3 Invloedsfactoren op oppervlaktespanning en interfasespanning bij polymeren ......... 13

2.2.4 Morfologie van incompatibele blends .......................................................................... 15

Compatibilizers in PET/PE blends .......................................................................................... 17

2.3.1 Algemeen ....................................................................................................................... 17

2.3.2 SEBS-g-MA ..................................................................................................................... 19

2.3.3 PER ................................................................................................................................. 24

Hoofdstuk 3: Materialen ....................................................................................................................... 28

Virgin Materiaal ..................................................................................................................... 28

3.1.1 PET ................................................................................................................................. 28

3.1.2 PE ................................................................................................................................... 28

3.1.3 SEBS-g-MA ..................................................................................................................... 29

3.1.4 PER ................................................................................................................................. 29

Gerecycleerde PET-PE schaal- en folie .................................................................................. 30

Hoofdstuk 4: Methodologie van het onderzoek ................................................................................... 32

Algemeen ............................................................................................................................... 32

Verwerking ............................................................................................................................ 33

4.2.1 Vermalen ....................................................................................................................... 33

4.2.2 Drogen ........................................................................................................................... 33

4.2.3 Compounderen .............................................................................................................. 34

4.2.4 Spuitgieten..................................................................................................................... 35

Karakterisatie ........................................................................................................................ 37

4.3.1 Trektest .......................................................................................................................... 37

4.3.2 Buigtest .......................................................................................................................... 39

4.3.3 Impacttest...................................................................................................................... 40

4.3.4 Differentiële scanning calorimetrie ............................................................................... 41

4.3.5 Melt flow index .............................................................................................................. 42

4.3.6 Rotationele reologie ...................................................................................................... 43

4.3.7 SEM ................................................................................................................................ 43

4.3.8 Fourier transformatie infraroodspectroscopie ............................................................. 44

4.3.9 Bulkdensiteit .................................................................................................................. 44

4.3.10 Lichtmicroscopie ............................................................................................................ 45

Verwerking van de data......................................................................................................... 45

Hoofdstuk 5: Resultaten en discussie .................................................................................................... 47

Virgin blends .......................................................................................................................... 47

5.1.1 Mechanische eigenschappen ........................................................................................ 47

5.1.2 Morfologie ..................................................................................................................... 56

5.1.3 DSC ................................................................................................................................. 59

5.1.4 Reologie ......................................................................................................................... 62

Tussentijdse discussie en conclusie I ..................................................................................... 67

Recyclaat................................................................................................................................ 68

5.3.1 Lichtmicroscopie ............................................................................................................ 68

5.3.2 Mechanische eigenschappen ........................................................................................ 70

5.3.3 Morfologie ..................................................................................................................... 80

5.3.4 DSC ................................................................................................................................. 82

Tussentijdse conclusie II ........................................................................................................ 85

Hoofdstuk 6: Conclusie en aanbevelingen ............................................................................................ 86

Conclusie ............................................................................................................................... 86

Aanbevelingen voor verder onderzoek ................................................................................. 87

6.2.1 Het gebruik van andere compatibilizers ........................................................................ 87

6.2.2 Reologie ......................................................................................................................... 87

6.2.3 Permeabiliteit van PET/PE blends ................................................................................. 87

6.2.4 MFC ................................................................................................................................ 87

6.2.5 Invloed van schroefsnelheid en temperatuur ............................................................... 87

Hoofdstuk 7: Referentielijst .................................................................................................................. 88

Hoofdstuk 8: Bijlagen ............................................................................................................................ 92

PET: Lighter C93 .................................................................................................................... 92

mVLDPE Exceed™ 1012 HA.................................................................................................... 95

SEBS-g-MA: Kraton® FG1901 G Polymer ............................................................................... 97

PER: Vistamaxx™ 6202 ........................................................................................................ 100

Bijlage A: DSC – diagrammen .............................................................................................. 102

Figurenlijst

Figuur 1: Beknopte grafische weergave van het gevolgde onderzoekspad ............................................ 3

Figuur 2: Grafische weergave van vaak gebruikte methode om voedsel te verpakken (Van Damme,

2016a) ...................................................................................................................................................... 4

Figuur 3: Schematische weergave van de opbouw van een meerlaagse voedingsschaal (Van Damme,

2016a) ...................................................................................................................................................... 5

Figuur 4: Structuureenheid van (K. Ragaert, 2017) ................................................................................ 6

Figuur 5: Verschil in structuur tussen HDPE, LLDPE en LDPE (K. Ragaert, 2017) .................................... 7

Figuur 6: Structuureenheid van PET (K. Ragaert, 2017) .......................................................................... 7

Figuur 7: Secundaire bindingen in PET veroorzaakt door het dipoolmoment (University of Wisconsin

Oshkosh, 2008) ........................................................................................................................................ 8

Figuur 8: Structuurformule van EVOH (Polysciences, 2017) ................................................................... 9

Figuur 9: Secundaire bindingskrachten in een waterdruppel (Rosen, 2004) ........................................ 10

Figuur 10: Evolutie van morfologie van onmengbare blend in functie van de relatieve concentraties

waarbij de relatieve concentratie van het blauwe polymeer stijgt van links naar rechts. ................... 16

Figuur 11: Gebruik van een blokcopolymeer om de interfasespanning te verlagen. Het blauwe

gedeelte van het copolymeer verenigt goed met de dispersiefase en het rode gedeelte verenigt goed

met de matrixfase. (Bicerano, 2005) ..................................................................................................... 18

Figuour 12: Gebruik van een niet reactief compatibilizer met polaire groepen waarbij de

compatibilizer goed verenigbaar is met het gele polymeer en interageert via dipoolverbindingen met

de polymeer B. (Bicerano, 2005) ........................................................................................................... 19

Figuur 13: Gebruik van een reactief gefunctionaliseerd polymeer waarbij het polymeer goed

verenigbaar is met de gele fase en een chemische binding vormen met polymeer B (Bicerano, 2005)

............................................................................................................................................................... 19

Figuur 14: Structuurformule van SEBS-g-MA met aanduiding van het styreen monomeer (A), het

ethyleen monomeer (B), het butyleen monomeer (C) en de gegrafte MA-groep (D) (Pracella, Haque,

& Alvarez, 2010) .................................................................................................................................... 20

Figuur 15: Ringopenginsreactie tussen SEBS-g-MA en PET, eigen bewerking van (Demets, 2016) ...... 20

Figuur 16: Structuurformule van PER (PolymerPropertiesDatabase, 2017) ......................................... 24

Figuur 17: Microscopische foto van het crazing effect (Deblieck et al., 2011) ..................................... 25

Figuur 18: Weight average partikel diameter in functie van de PER-g-GMA (0.6 wt% GMA) gehalte in

de dispersiefase (vierkant: 90/10 (PET)/(PER/PER-g-GMA1,5); ruit 80/20 (PET)/(PER/PER-g-GMA1,5);

driehoek: 70/30 PET/(PET)/(PER/PER-g-GMA1,5)) (Loyens & Groeninckx, 2002b) .............................. 26

Figuur 19: Weight average partikel diameter in functie van de PER-g-GMA (1.5 wt% GMA) gehalte in

de dispersiefase (vierkant: 90/10 (PET)/(PER/PER-g-MA); ruit 80/20 (PET)/(PER/PER-g-MA); driehoek:

70/30 (PET)/(PER/PER-g-MA)) (Loyens & Groeninckx, 2002a, 2002b) .................................................. 26

Figuur 20: Schematische voorstelling van de microstructuur van Vistamaxx™ (ExxonMobil, z. j.) ...... 30

Figuur 21: Voedingsschaal + topfolie .................................................................................................... 31

Figuur 22: Schematische weergave van het gevolgde onderzoekspad ................................................. 32

Figuur 23: Hydrolytische degradatie van PET (Sammon, Yarwood, & Everall, 2000) ........................... 34

Figuur 24: Afbeelding van vermalen voedingsschaal + topfolie ............................................................ 34

Figuur 25: Afmetingen van proefstaven voor buig en impactproeven ................................................. 36

Figuur 26: Afmetingen voor proefstaven voor trekproeven ................................................................. 36

Figuur 27: Trekcurve van 76/19/5 PET/PE/SEBS-g-MA met exensometer en versnelde treksnelheid . 38

Figuur 28: Principetekening van rotationele reologiemeting (K. Ragaert, 2017) ................................. 43

Figuur 29: Boxplot van de impactweerstanden van de virgin-blends ................................................... 48

Figuur 30: Buigcurves van de verschillende virgin blends ..................................................................... 48

Figuur 31: Boxplots van de opgemeten buigmoduli bij de virgin blends .............................................. 49

Figuur 32: Boxplots van de opgemeten vloeigrens bij de virgin blends ................................................ 50

Figuur 33: Boxplots van de opgemeten buigsterkte bij de virgin blends .............................................. 50

Figuur 34: Trekcurves van de virgin blends ........................................................................................... 51

Figuur 35: Boxplots van de opgemeten elasticiteitsmoduli bij de virgin-blends .................................. 52

Figuur 36: Boxplots van de opgemeten vloeigrens bij de virgin blends ................................................ 53

Figuur 37: Boxplots van de opgemeten treksterktes bij de virgin blends ............................................. 54

Figuur 38: Boxplots van de opgemeten breukrekken bij de virgin blends ............................................ 54

Figuur 39: Elasticiteitsmodulus in functie van de impactsterkte bij de verschillende blends .............. 55

Figuur 40: SEM-foto van de PET/PE-blend ............................................................................................ 56

Figuur 41: SEM foto van de PET/PE/SEBS-g-MA-2.5 blend ................................................................... 57

Figuur 42: PET/PE/SEBS-g-MA-5 ............................................................................................................ 57

Figuur 43: SEM-foto van PET/PE/PER-5 ................................................................................................. 58

Figuur 44: Schematische weergave van de PET/PE/PER-5 morfologie met de PET-fase (blauw), PE-fase

(groen) en PER-fase (geel) ..................................................................................................................... 58

Figuur 45: DSC-scan van de PET/PE/SEBS-g-MA-5 blend ...................................................................... 60

Figuur 46: Boxplots van de MFI waarden van de blendcomponenten met 2.16 kg en op 260°C ......... 63

Figuur 47:Boxplots van de MFI waarden van de blendcomponenten met 5 kg en op 260°C ............... 64

Figuur 48: Reologieopmetingen van de verschillende blendcomponenten ......................................... 65

Figuur 49: Lichtmicroscoopfoto van de verschillende lagen van de voedingsschaal ............................ 68

Figuur 50: Lichtmicroscoopfoto van de verschillende lagen van de topfolie........................................ 69

Figuur 51: Boxplots van de opgemeten impactsterkte bij alle blends .................................................. 71

Figuur 52: Buigcurves van het recyclaat ................................................................................................ 72

Figuur 53: Boxplots van de opgemeten buigmoduli bij zowel virgin als recyclaatblends ..................... 72

Figuur 54: Boxplots van de opgemeten vloeigrens bij zowel de virginblends als recyclaatblends ....... 73

Figuur 55: Boxplots van de opgemeten buigsterktes bij zowel de virinblends als recyclaatblends ..... 73

Figuur 56: Trekcurves van de recyclaatblends ...................................................................................... 74

Figuur 57: Boxplots van de opgemeten elasticiteitsmoduli bij zowel de virginblends als

recyclaatblends...................................................................................................................................... 75

Figuur 58: Boxplots van de opgemeten vloeigrens bij zowel de virginblends als recyclaatblends ....... 76

Figuur 59: Boxplots van de opgemeten treksterkte bij zowel de virginblends als recyclaatblends ..... 76

Figuur 60: Boxplots van de opgemeten breukrekken bij zowel de virginblends als recyclaatblends ... 77

Figuur 61:Tweevoudige breuk van Recyclaat/SEBS-g-MA-5 blend ....................................................... 77

Figuur 62: Infraroodspectrometrie van een PET-sample ...................................................................... 80

Figuur 63: Infraroodspectrometrie van PE-sample ............................................................................... 80

Figuur 64: SEM-foto van het recyclaat .................................................................................................. 81

Figuur 65: SEM-foto van de Recyclaat/SEBS-g-MA-5 blend .................................................................. 81

Figuur 66: SEM-foto van de Recyclaat/PER-5 blend .............................................................................. 82

Figuur 67: DSC-diagram van PE ........................................................................................................... 102

Figuur 68: DSC-diagram van PET ......................................................................................................... 102

Figuur 69: DSC-diagram van PET/PE .................................................................................................... 103

Figuur 70: DSC-diagram van PET/PE/SEBS-g-MA-2.5 .......................................................................... 103

Figuur 71: DSC-diagram van PET/PE/SEBS-g-MA-5 ............................................................................. 104

Figuur 72: DSC-diagram van PET/PE/PER-5 ......................................................................................... 104

Figuur 73: DSC-diagram van het recyclaat .......................................................................................... 105

Figuur 74: DSC-diagram van Recyclaat/PER-5 ..................................................................................... 105

Figuur 75: DSC-diagram van Recyclaat/SEBS-g-MA-5 ......................................................................... 106

Tabellenlijst

Tabel 1: Permeabiliteit voor zuurstof en water bij de meest courant gebruikte verpakkingsmaterialen

(P. Ragaert, 2017) .................................................................................................................................... 5

Tabel 2: Diktes van de verschillende lagen bij PET/PE voedingsschalen (Armstrong & Americas, 2004;

Van Damme, 2016b) ................................................................................................................................ 5

Tabel 3: Mechanische en fysische eigenschappen van HDPE en LDPE (Callister, 2003; Ehrenstein,

2001) ........................................................................................................................................................ 7

Tabel 4: Mechanische en fysische eigenschappen van PET (Callister, 2003; Ehrenstein, 2001)............. 8

Tabel 5: Atomaire en structurele contributie aan de parachor (Van Krevelen & Te Nijenhuis, 2009) . 12

Tabel 6: Thermodynamische constanten voor PE en PET bij 20°C (Van Krevelen & Te Nijenhuis, 2009)

............................................................................................................................................................... 13

Tabel 7: Interfasespanning tussen PET en PE op 20°C berekend met behulp van de verschillende

formules ................................................................................................................................................ 13

Tabel 8: Entanglement Molecular Weight van PE en PET bij desbetreffende temperaturen (Mark,

2007) ...................................................................................................................................................... 15

Tabel 9: Mechanische eigenschappen van R-PET/LLDPE/SEBS(-g-MA) blends (H. Zhang et al., 2007) 21

Tabel 10: Interfasespanning tussen PE en SEBS-g-MA bij 245°C (Y. Zhang et al., 2011) ....................... 22

Tabel 11: Mechanische eigenschappen van de verschillende blends (Y. Zhang et al., 2011) ............... 22

Tabel 12: Mechanische eigenschappen van de verschillende soorten gebruikte PE (Y. Zhang et al.,

2011) ...................................................................................................................................................... 23

Tabel 13: Partikelgroote van de dispersiefase (Y. Zhang et al., 2011) .................................................. 23

Tabel 14: Thermische eigenschappen van de verschillende soorten PE (Y. Zhang et al., 2011) ........... 24

Tabel 15: Thermische eigenschappen van de verschillende blends (Y. Zhang et al., 2011) ................. 24

Tabel 16: Weight average partikeldiameter en voornaamste mechanische eigenschappen bij PER/PET

blends (Loyens & Groeninckx, 2002a, 2002b) ....................................................................................... 26

Tabel 17: Eigenschappen van Lighter C93 PET ...................................................................................... 28

Tabel 18: Eigenschappen van Exceed 1012 HA mVLDPE ....................................................................... 29

Tabel 19: Eigenschappen van KRATON FG1901 G SEBS-g-MA .............................................................. 29

Tabel 20: Eigenschappen van Viscamaxx 6202 ..................................................................................... 30

Tabel 21: Gemaakte blends met gewichtspercentages van elke component ...................................... 35

Tabel 22: Verloop van temperatuurzones in de extrusiebarrel in °C waarbij zone 1 bij de hopper is en

zone 9 aan de spuitmond. ..................................................................................................................... 35

Tabel 23: Relevante procesparameters bij het spuitgieten van de betreffende polymeren ................ 36

Tabel 24: Relevante testparameters bij de trekproeven ...................................................................... 37

Tabel 25: Belangrijkste testparameters voor de buigproef .................................................................. 39

Tabel 26: Testparameters voor de impactproeven ............................................................................... 40

Tabel 27: Testparameters voor DSC-scans ............................................................................................ 41

Tabel 28: Resultaten van de impactproef bij de virgin blends .............................................................. 47

Tabel 29: Resultaten van de buigproef bij de virgin blends .................................................................. 49

Tabel 30: Resultaten van de trekproef bij de virgin blends .................................................................. 52

Tabel 31: Oppervlakte van de dispersiepartikels bij de verschillende blends ...................................... 59

Tabel 32: Smeltenthalpie per gram PET en kristallisatiegraad van PET berekend uit de tweede DSC-

scan. ....................................................................................................................................................... 60

Tabel 33: Glastransitietemperatuur van de PET-fase bij de verschillende blends ................................ 61

Tabel 34: Smeltenthalpie per gram PE en kristallisatiegraad van PE berekend uit de tweede DSC-scan.

............................................................................................................................................................... 61

Tabel 35: MFI-waarden van de blendcomponenten bij 2.16 kg............................................................ 63

Tabel 36: MFI-waarden van de blendcomponenten bij 5 kg ................................................................. 64

Tabel 37: Gemeten dikte van de schaal en folie ................................................................................... 70

Tabel 38: Resultaten van de impactproef bij alle blends ...................................................................... 70

Tabel 39: Resultaten van de buigproef bij alle blends .......................................................................... 71

Tabel 40: Resultaten van de trekproef bij alle blends ........................................................................... 74

Tabel 41: Absorptiegraad van C-H en C=O binding bij verschillende Recyclaat/SEBS-g-MA-5 samples 80

Tabel 42: Oppervlakte van de dispersiepartikels bij de verschillende blends ...................................... 82

Tabel 43: Smeltenthalpie van PET in de recyclaatblends ...................................................................... 83

Tabel 44: Smeltenthalpie van PE in de recyclaatblends ....................................................................... 83

Tabel 45: Smelttemperaturen van PET en PE in de blends ................................................................... 84

Lijst met afkortingen

ATR attenuated total reflection

DSC differential scanning calorimetry

PER propyleen ethyleen rubber

EVOH ethyleen-vinylalcohol

FTIR fourier transformatie infrarood

GMA glycidylmethacrylaat

HDPE high density polyethyleen

LDPE low density polyethyleen

LLDPE linear low density polyethyleen

MA maleïnezuuranhydride

MEG ethaan-1,2-diol (mono-ethyleenglycol)

MFC microfibrillair composiet

MFI melt flow index

mLLDPE metalloceen linear low density polyethyeleen

PET polyethyeleentereftalaat

PETe polyethyleentereftalaat

PETg polyethyleentereftalaat met glycol gemodificeerd

POE polyolefine elastomeer

PP polypropyleen

PTA purified terephtalic acid

SEBS styreen-ethyleen/butyleen-styreen triblockcopolymeer

SEBS-g-MA styreen-ethyleen/butyleen-styreen gegraft met maleïnezuuranhydride

SEM scanning electron microscopy

TPS thermoplast starch

VLDPE very low density polyethyleen

Lijst met symbolen

E interfase-energie A oppervlakte 𝛾 oppervlaktespanning 𝑃𝑠 parachorconstante 𝑀𝑛 number average moleculair gewicht 𝜌 densiteit 𝛾𝑥𝑦 interfasespanning tussen materiaal x en y

𝛾𝑥𝑑 oppervlaktespanning van component x veroorzaakt door dispersiekrachten

𝛾𝑥𝑝

oppervlaktespanning van component x veroorzaakt door dipoolinteracties T temperatuur 𝑇0 referentietemperatuur 𝜌0 referentiedichtheid M moleculair gewacht (number of weight average) 𝛾∞ oppervlaktespanning geëxtrapoleerd naar een oneindig hoge moleculair gewicht 𝑘1 evenredigheidsfactor tussen temperatuur en oppervlaktespanning �̇� afschuifsnelheid �̇�𝑎 schijnbare (apparent) afschuifsnelheid 𝜂 viscositeit 𝜂𝑑 viscositeit van de dispersiefase 𝜂𝑚 viscositeit van de matrixfase 𝑎𝑛 grootte van de dispersiepartikels 𝐸𝐶 charpy impact strength ℎ de dikte van het proefstaafje

𝑏𝑛 de overgebleven breedte van het proefstaafje na impacttest

L de overspanning in millimeter bij de buigproef

𝑙0 afstand tussen de klemmen van de extensometer

∆𝐻𝑚 energie die nodig is om het materiaal te doen smelten

∆𝐻𝑚,𝑐 energie die nodig is voor het smelten van een polymeer die 100% kristallijn is

∆𝐻𝑐𝑐 energie die vrijkomt door koudekristallisatie van het materiaal

m massa van het materiaal

𝑉𝑝𝑟𝑎𝑘𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ praktisch volume dat het materiaal inneemt

t tijd

1

Hoofdstuk 1: Inleiding

Situering Kunststoffen spelen een belangrijke rol in de huidige samenleving. De belangrijke bijdrage van

kunststoffen aan de levensstandaard wordt algemeen erkend. Kunststoffen worden gebruikt in tal van

domeinen waaronder voedselverpakking, elektrische en elektronische apparaten, bouwkunde,

ruimtevaart … Dit brede toepassingsgebied dankt men aan de unieke eigenschappen van polymeren

die een lage densiteit combineren met goede mechanische eigenschappen zoals ductiliteit en taaiheid.

Daarenboven zijn ze in tegenstelling tot metalen uitstekende elektrische- en warmte-isolatoren en

hebben ze een hoge chemische resistentie. De unieke eigenschappen van polymeren in combinatie

met hun lage kostprijs in vergelijking met andere materialen heeft ervoor gezorgd dat de totale

productie op volumebasis van polymeren die van metalen heeft ingehaald. Deze toenemende

productie aan kunststoffen zorgt ook echter voor een steeds groter wordende afvalberg en een

toenemend verbruik aan fossiele brandstoffen.

Deze problemen kunnen mede opgelost worden door de gebruikte materialen te gaan recycleren.

Door het hergebruiken van kunststoffen kan men de afvalberg verkleinen en ook het verbruik van

fossiele brandstoffen verminderen. Door de toenemende vraag aan kunststoffen is het duidelijk dat

de recyclage van kunststoffen een steeds belangrijkere rol in de maatschappij zal innemen. In 2014

belandde in de EU 25.8 miljoen ton post-consumer kunststofafval in de officiële afvalstromen. Hiervan

werd slechts 29.7% gerecycleerd terwijl 39.5% verbrand werd voor energierecuperatie en 30.8% op de

stortplaats belandde (EU, 2014). Het is duidelijk dat hier nog ruimte voor verbetering is.

De grootste moeilijkheid bij het recycleren van kunststoffen komt voort uit de verscheidenheid van de

gebruikte kunststoffen. Wanneer glas en aluminium worden gerecycleerd , kunnen ze worden omgezet

in hoofdzakelijk dezelfde producten, maar dit gebeurt zelden met polymeren. De meeste afvalstromen

bevatten immers verschillende soorten kunststoffen die samen niet goed gerecycleerd kunnen

worden. De verschillende kunststoffen uit de afvalstromen moeten bijgevolg gescheiden worden

alvorens ze kwalitatief gerecycleerd kunnen worden. Bij sommige afvalstromen is het echter

onmogelijk om de verschillende soorten polymeren van elkaar te scheiden. Een voorbeeld hiervan is

het recycleren van voedingsschalen die in dit eindwerk wordt besproken. Deze schalen bestaan uit

verschillende lagen kunststof waarbij polyethyleentereftalaat (PET) en polyethyleen (PE) de

voornaamste zijn. Aangezien de verschillende materialen fysisch met elkaar verbonden zijn, worden

deze ook samen gerecycleerd. Door de moeilijke mengbaarheid van polymeren hebben deze blends

inferieure mechanische eigenschappen. Het gevolg hiervan is dat er jaarlijks 700.000 ton aan PET-

schalen alleen niet worden gerecycleerd, maar verbrand (Van Damme, 2016a). Om deze afvalstroom

toch te kunnen gebruiken voor nieuwe voedingsschalen (closed-loop) of kwalitatief evenwaardige

producten (open-loop) moeten deze eigenschappen naar omhoog getrokken worden. Dit kan door

ofwel gebruik te maken van additieven, die de mengbaarheid verbeteren, of specifieke aangepaste

verwerkingstechnieken. Zowel voor de industrie, als de omgeving, is deze verhoging van resource

efficiëntie een groot voordeel.

2

Doel van het onderzoek In dit onderzoek wordt nagegaan of de mechanische eigenschappen van een gerecycleerde

afvalstroom bestaande uit PET-schalen en folies kunnen verbeterd worden door het toevoegen van

propyleen ethyleen rubber (PER) en styreen-ethyleen/butyleen-styreen triblockcopolymeer gegraft

met maleïnezuuranhydride (SEBS-g-MA). Ook de invloed van deze additieven op de morfologie en de

fysische eigenschappen worden onderzocht. Dit leidt tot volgende onderzoeksvragen:

1.2.1 Onderzoeksvraag Kan het toevoegen van PER of SEBS-g-MA de mechanische eigenschappen van een virgin PET/PE blend

significant verbeteren en zijn deze resultaten overdraagbaar naar een werkelijke afvalstroom

bestaande uit postindustriële voedingsschalen en folies die hoofdzakelijk bestaan uit PET en PE?

1.2.2 Nevenonderzoeksvraag 1. Welke hoeveelheid compatibilizer is optimaal voor het verbeteren van de mechanische

eigenschappen rekening houdend met de economische realiteit?

2. Is er een verschil in effectiviteit tussen het gebruik van PER of SEBS-g-MA als compatibilizer?

3. Wat is de invloed van de compatibilizers op de morfologie en fysische eigenschappen van

blend en kunnen deze in verband gebracht worden met de mechanische eigenschappen?

4. Zijn de resultaten consistent met hetgeen wat in de literatuur beschreven wordt?

Methode van het onderzoek Figuur 1 geeft een beknopte weergave van het gevolgde onderzoek. Voor een gedetailleerde

beschrijving wordt verwezen naar paragraaf 4.1.

In het eerste deel van het onderzoek wordt er gewerkt met virgincomponenten die de geselecteerde

afvalstroom dienen na te bootsen. Als eerst worden de afzonderlijke componenten (PET en PE)

verwerkt om vervolgens mechanisch en fysico-chemisch gekarakteriseerd te worden. Vervolgens

worden er blends van PET/PE met en zonder PER of SEBS-g-MA gemaakt en worden ook deze

mechanisch en fysico-chemisch gekarakteriseerd. Daarnaast wordt ook de morfologie van de blends

bepaald met behulp van scanning electron microscopy (SEM). De bedoeling van het eerste deel van

het onderzoek is de invloed van de compatibilizers op een virgin blend te bepalen. Na het eerste

onderzoeksdeel wordt een subconclusie gevormd.

In het tweede deel van het onderzoek wordt er niet meer gewerkt met virgincomponenten, maar met

een werkelijke afvalstroom bestaande uit postindustriële voedingsschalen. Deze afvalstroom wordt

ook met en zonder compatibilizers verwerkt en vervolgens mechanisch en fysico-chemisch

gekarakteriseerd. Net zoals bij de virgin-blends wordt ook de morfologie bepaald met behulp van SEM.

In het tweede onderzoeksdeel is het de bedoeling om de invloed van de compatibilizers op een

werkelijke afvalstroom te bepalen alsook de overdraagbaarheid van de resultaten van de virginblends

naar deze afvalstroom.

3

Figuur 1: Beknopte grafische weergave van het gevolgde onderzoekspad

4

Hoofdstuk 2: Literatuurstudie

PET – PE schalen en folies

2.1.1 Algemeen In de voedselindustrie worden vaak voedingsschalen uit kunststof gebruikt als verpakkingsmateriaal.

Een populaire methode om voedsel te verpakken wordt weergegeven in Figuur 2. Het verpakken van

de schalen gebeurt vanuit een sheet die ter plaatse gethermovormd wordt tot de gewenste schalen.

Vervolgens wordt het voedsel in de gevormde schaal gebracht en wordt deze geseald met een topfolie.

Conductie-sealing is de meest gebruikte vorm van sealen waarbij men de voedingsschaal en folie voor

een bepaalde tijd onder een bepaalde temperatuur en druk tegen elkaar houdt. Hierdoor versmelten

de polymeren met elkaar waardoor men een afgedicht geheel krijgt.

Figuur 2: Grafische weergave van vaak gebruikte methode om voedsel te verpakken (Van Damme, 2016a)

De sheets waaruit de voedingsschaal wordt gemaakt en de folies bestaan meestal uit verschillende

lagen. Er zijn verschillende combinaties van lagen mogelijk, maar een vaak gebruikte multilayer sheet

voor bovenstaande verpakkingstechniek wordt weergegeven in Figuur 3. De bovenste twee lagen

stellen de topfolie voor en de onderste twee lagen stellen de schaal voor. De figuur toont aan dat er

twee materialen worden gebruikt voor dergelijke voedingsschalen: PET en PE. PET wordt voornamelijk

gebruikt voor zijn goede barrière eigenschappen. De voedingsschalen moet immers een goede barrière

vormen voor zuurstof en water zodat het voedsel goed kan bewaard worden. Tabel 1 toont de

permeabiliteit voor zuurstof en water bij verschillende polymeren. Het valt op dat PET een lage

permeabiliteit heeft voor zowel zuurstof als water. Vooral de lage permeabiliteit voor water in

vergelijking met de polyolefines in combinatie met de lage kostprijs en hoge stijfheid maakt het een

populair materiaal voor de verpakkingsindustrie. PET heeft echter het nadeel dat het niet goed geseald

kan worden met de methode weergegeven in Figuur 2. Dit probleem wordt opgelost door een laag PE

toe te voegen aan de onderkant van de folie en de bovenkant van de voedinggschaal waardoor het

afdichten met conductie-sealing veel makkelijker gaat.

5

Figuur 3: Schematische weergave van de opbouw van een meerlaagse voedingsschaal (Van Damme, 2016a)

Vaak wordt er in de topfolie een extra laag ethyleen-vinylalcohol (EVOH) toegevoegd. EVOH heeft

uitstekende barrière-eigenschappen voor zuurstof zoals uit Tabel 1 blijkt. De barrière-eigenschappen

zijn afhankelijk van de dikte van de lagen. Bij dunne topfolies volstaat de dikte van PET meestal niet

om voldoende zuurstof tegen te houden. Uit Tabel 1 blijkt immers dat de barrière-eigenschappen voor

zuurstof slechter zijn dan deze voor water. Om dit probleem op te lossen voegt men een laag EVOH

toe die ervoor zorgt dat de folie voldoende zuurstof tegenhoudt. Door het belang van EVOH in

voedingsschalen wordt deze naast PET en PE ook kort beschreven in paragraaf 2.1.4.

Tabel 1: Permeabiliteit voor zuurstof en water bij de meest courant gebruikte verpakkingsmaterialen (P. Ragaert, 2017)

Tabel 2 geeft de meest voorkomende diktes weer van de verschillende lagen bij PET/PE

voedingsschalen. De meest courant gebruikte dikte van de voedingsschaal is 300 𝜇𝑚 waarbij de PET-

laag 250 𝜇𝑚 is en de PE-laag 50 𝜇𝑚 is. Deze verhoudingen dienden als referentie voor de keuze van

de verhouding van de virgin PET/PE blends die in dit eindwerk onderzocht worden, namelijk 80/20

PET/PE.

Tabel 2: Diktes van de verschillende lagen bij PET/PE voedingsschalen (Armstrong & Americas, 2004; Van Damme, 2016b)

Totale dikte(μm) PET (μm) PE(μm) EVOH (μm)

Voedingsschaal 200-650 (300 meest courant)

150-610 40-50 0

Folie 50-60 12 40-50 1.5-10

6

2.1.2 Polyethyleen Polyethyleen (PE) is een polyolefine, namelijk een polymeer die enkel waterstof en koolstof bevat. Het

bestaat uit een koolstofbackbone waarop enkel waterstofatomen gebonden zijn. PE is goedkoop,

makkelijk te maken en resistent voor de meeste chemische stoffen. Figuur 4 toont de structuureenheid

van het monomeer waaruit PE bestaat.

Figuur 4: Structuureenheid van (K. Ragaert, 2017)

De secundaire bindingen in een polymeer spelen een sleutelrol in de mechanische eigenschappen

ervan. De secundaire bindingen zorgen er immers voor dat de verschillende polymeerketens minder

makkelijk ten opzichte van elkaar kunnen bewegen wat een sterker materiaal teweegbrengt. De enige

secundaire bindingen die aanwezig zijn bij PE zijn van Der Waals krachten. Van Der Waals krachten zijn

de zwakste secundaire bindingen. Deze zwakke bindingen zorgen ervoor dat de

glastransitietemperatuur van PE onder de omgevingstemperatuur ligt. Hierdoor zijn de ketens op

kamertemperatuur beweeglijker ten opzichte van elkaar wat het zachte en ductiele karakter van PE

verklaart. De van Der Waals krachten kunnen echter een significante bijdrage leveren door

accumulatie daar de ketenlengte van polymeren vrij lang is. Bijgevolg kan men ook besluiten dat

polymeren met langere ketenlengtes sterker zullen zijn dan polymeren met kortere ketenlengtes.

De eigenschappen van PE hangen hoofdzakelijk af van de structuur van de keten. Zoals Figuur 5

aangeeft bestaan er naargelang de structuur drie belangrijke varianten van PE; High Density

Polyethyleen (HDPE), Linear Low Density Polyethyleen (LLDPE) en Low Density Polyethyleen (LDPE).

LDPE onderscheidt zich van HDPE doordat LDPE lange zijketens vormt tijdens de polymerisatie terwijl

HDPE deze nauwelijks of niet vorm. Bij een hoge druk en hoge temperatuur worden er zijketens

gevormd op de backbone van , dit wordt ook wel branching genoemd (Lepoutre, z.j.). De aanwezigheid

van deze zijketens verzwakt de secundaire krachten tussen de polymeerketens onderling waardoor de

treksterkte, smeltpunt, stijfheid, dichtheid en kristalliniteit van het polymeer lager worden.

Daartegenover krijgt men een hogere elasticiteit en impactsterkte. Het lage smeltpunt van LDPE zorgt

ervoor dat het makkelijk verwerkbaar is, daarom wordt het vaak gebruikt in toepassingen waar de

mechanische eigenschappen niet van groots belang zijn zoals plastiek zakjes, knijpflessen, speelgoed

… (Newell, 2009). Bij LLDPE worden ook zijketens gevormd op de backbone, maar deze zijketens zijn in

tegenstelling tot LDPE korter en van gecontroleerde lengte. Bovendien is de lineaire structuur van

LLDPE nog steeds goed zichtbaar terwijl dit bij LDPE veel minder prominent aanwezig is. Het gevolg is

dat men een polymeer krijgt die van sterkte en elasticiteit tussen LDPE en HDPE ligt en bovendien

goedkoper is dan LDPE omdat er op lagere drukken gewerkt kan worden. Als laatste moet er vermeld

worden dat men soms ook de benaming metalloceen linear low density polyethyleen (mLLDPE)

7

gebruikt voor LLDPE dit is een variant van LLDPE waarbij op metalloceen gebaseerde katalysatoren

gebruikt worden.

Figuur 5: Verschil in structuur tussen HDPE, LLDPE en LDPE (K. Ragaert, 2017)

De voornaamste mechanische eigenschappen op kamertemperatuur en thermische eigenschappen

van LDPE, LLDPE en HDPE zijn weergegeven in Tabel 3.

Tabel 3: Mechanische en fysische eigenschappen van HDPE en LDPE (Callister, 2003; Ehrenstein, 2001)

HDPE LLDPE LDPE

Soortelijk gewicht (𝑔/𝑐𝑚3) 0.952-0.965 0.911-0.943 0.917-0.932 Elasticiteitsmodulus (GPa) 1.06-1.09 0.25-0.70 0.17-0.28 Treksterkte (MPa) 22.1-31.1 8-20 8.3-31.4 Vloeigrens (MPa) 26.2-33.1 20-30 9.0-14.5 Ductiliteit (%) 10-12000 500-900 100-650 𝑇𝑔 (°C) -90 -97.5 -110 Tm (°C) 137 115 115 Kristalliniteitsgraad (%) 70-80 35-60 45-55

2.1.3 Polyethyleentereftalaat Polyethyleentereftalaat (PET) is een polymeer waaruit de structuur bestaat uit een tereftalaatgroep

verbonden met een ethyleengroep zoals Figuur 6 weergeeft. PET wordt voornamelijk gebruikt in de

textielsector, de tapijtindustrie en de voedingssector (voor verpakkingen zoals schalen en flessen)

(Newell, 2009).

Figuur 6: Structuureenheid van PET (K. Ragaert, 2017)

Opnieuw hebben de secundaire bindingen van PET een grote invloed op de mechanische

eigenschappen van het polymeer. Bij PET zijn er echter twee secundaire bindingen aanwezig, namelijk

de reeds besproken van Der Waals krachten en dipoolkrachten. Het dipoolmoment in de keten wordt

8

veroorzaakt door de hoge elektronegativiteit van het zuurstofatoom. Hierdoor worden de elektronen

tot het zuurstofatoom aangetrokken waardoor de zuurstofatomen licht negatief geladen worden en

de koolstofatomen licht positief zoals op Figuur 7 getoond wordt. Dit permanent dipoolmoment is

verantwoordelijk voor de secundaire bindingen tussen de ketens en is ongeveer vijf keer sterker dan

de van Der Waals krachten. De grote sterkte van de dipoolverbindingen, in combinatie met de

chemische structuur van PET, zorgt ervoor dat PET een veel sterker en stijver materiaal is dan PE. De

chemische structuur en sterke secundaire bindingen van PET zorgen echter ook voor een lage

beweeglijkheid tussen de ketens onderling. Hierdoor ligt de glastransitietemperatuur van PET boven

de omgevingstemperatuur wat voor een lagere ductiliteit en impactbestendigheid zorgt. Door de

complexere opbouw van het monomeer is ook de kristalliniteitsgraad kleiner dan deze van PE.

Bovendien heeft PET goede barrière-eigenschappen, dit verklaart waarom ze gebruikt wordt bij de

productie van voedingsschalen en folies (van Bruggen, 2014).

Figuur 7: Secundaire bindingen in PET veroorzaakt door het dipoolmoment (University of Wisconsin Oshkosh, 2008)

Volledigheidshalve dient er vermeld te worden dat er varianten van PET bestaan. De belangrijkste

variant van PET is PETG. Bij het produceren van PETG wordt de ethyleenglycol molecule vervangen

door een molecule die een groter vrij volume creëert (K. Ragaert, 2017). Hierdoor kan PETG niet

kristalliseren en is het bijgevolg volledig amorf. In dit eindwerk wordt enkel met PET geproduceerd uit

ethyleenglycol gewerkt. Deze PET kan ook amorf zijn, maar dit wordt veroorzaakt door de

verwerkingstechniek en niet door de structuur van de PET zelf.

De voornaamste mechanische eigenschappen op kamertemperatuur en fysische eigenschappen van

PET worden gegeven in Tabel 4.

Tabel 4: Mechanische en fysische eigenschappen van PET (Callister, 2003; Ehrenstein, 2001)

PET

Soortelijk gewicht (g/cm3) 1.29-1.40 Elasticiteitsmodulus (GPa) 2.8-4.1 Treksterkte (MPa) 48.3-72.4 Vloeisterkte (MPa) 59.3 Ductiliteit (%) 30-300 Tg (°C) 69

Tm (°C) 265 Kristalliniteitsgraad (%) 30-40

9

2.1.4 Ethyleen-vinylalcohol Ethyleen-vinylalcohol (EVOH) is een copolymeer dat bestaat uit ethyleen- en vinylalcoholmonomeren.

Figuur 8 toont de structuureenheid van EVOH. De opeenvolging van ethyleen en vinylalcohol in het

polymeer zijn random. EVOH wordt vaak gebruikt in verpakkingen door zijn uitstekende barrière-

eigenschappen voor zuurstof zoals reeds in paragraaf 2.1.1 vermeld werd.

Figuur 8: Structuurformule van EVOH (Polysciences, 2017)

Door de zeer kleine hoeveelheid van EVOH (< 3 vol%) in de schalen zijn de mechanische eigenschappen

ervan niet relevant en worden deze bijgevolg ook niet besproken.

PET-PE blends Wanneer men PET en PE mechanisch met elkaar probeert te mengen in de smeltfase om er een nieuw

recyclaat van te maken, verkrijgt men een onmengbare blend. Dat houdt in dat er twee verschillende

fases bestaan die niet met elkaar vermengd kunnen worden, namelijk een fase van PE en een fase van

PET. In deze paragraaf wordt deze onmengbaarheid vanuit thermodynamisch oogpunt benaderd.

2.2.1 Oppervlaktespanning en interfasespanning Oppervlaktespanning

De oppervlaktespanning van vloeistoffen kan verklaard worden door de vloeistoffen op moleculair

niveau te bestuderen. Op moleculair niveau zijn er aantrekkingskrachten aanwezig tussen de

moleculen onderling, deze worden de secundaire bindingskrachten genoemd.

Onderstel een waterdruppel in het vacuüm of in een gas. De moleculen in deze waterdruppel trekken

elkaar aan door de secundaire bindingskrachten. Een watermolecule die zich in het midden van de

druppel bevindt, zal langs alle richtingen secundaire bindingskrachten ondervinden zoals op Figuur 9

te zien is. Hierdoor zal de resulterende kracht op het waterdeeltje nul zijn. Een watermolecule die zich

aan de rand van de druppel bevindt zal enkel secundaire bindingskrachten ondervinden in de richting

naar het midden van de waterdruppel toe. De resulterende kracht zal bijgevolg niet nul zijn maar zal

een bepaalde waarde hebben met een richting naar het midden van de druppel. Dit fenomeen wordt

oppervlaktespanning genoemd.

10

Figuur 9: Secundaire bindingskrachten in een waterdruppel (Rosen, 2004)

De oppervlaktespanning wordt veroorzaakt door secundaire bindingskrachten op het moleculair

niveau, maar de parameter γ die gebruikt wordt om de oppervlaktespanning te karakteriseren is een

macroscopische parameter (Pushpavanam, 2014). Er kan algemeen gezegd worden dat een grensvlak,

bijvoorbeeld tussen het vacuüm en de waterdruppel, streeft naar een zo laag mogelijke energie. De

energie die een grensvlak bevat wordt de interfase-energie genoemd en wordt gegeven door volgende

formule (Pushpavanam, 2014):

𝐸 = γ ∗ A (1) Met:

A = De oppervlakte (𝑚2)

γ = De oppervlaktespanning (𝑁

𝑚)

E = De interfase-energie (J)

De oppervlaktespanning kan men dus zien als de hoeveelheid energie per oppervlakte die zich in het

grensvlak bevindt. In de literatuur wordt de oppervlaktespanning ook vaak uitgedrukt als kracht per

eenheid lengte wat exact hetzelfde betekent als de hoeveelheid energie per oppervlakte.

𝐽

𝑚2=

𝑁 ∗ 𝑚

𝑚2=

𝑁

𝑚 (2)

Daar elk systeem naar een zo laag mogelijke interfase-energie streeft, zullen bijvoorbeeld

waterdruppels in een gewichtloos vacuüm hierdoor perfecte bollen vormen. Bij een gegeven

oppervlaktespanning en gegeven massa water kan men immers de energie enkel verlagen door het

grensvlak zo klein mogelijk te houden. Een bol bevat het meeste massa per volume-eenheid voor een

minimaal oppervlak. Er dient opgemerkt te worden dat de oppervlaktespanning sterk afhankelijk is van

de temperatuur. Het is bijgevolg belangrijk om de temperatuur te geven wanneer men over een

bepaalde oppervlaktespanning spreekt. Op de verdampingstemperatuur is de oppervlaktespanning

logischerwijs nul.

Interfasespanning

Naast oppervlaktespanning bestaat er ook interfasespanning. Het belangrijkste verschil tussen deze

twee is de plaats waar het voorkomt. Oppervlaktespanning wordt gedefinieerd als een

vloeistofoppervlak, terwijl de interfasespanning is gedefinieerd als het grensvlak van twee niet-

mengbare vloeistoffen. Oppervlaktespanning is een afleiding van interfasespanning wanneer kracht

11

vanuit het tweede oppervlak verwaarloosbaar of nul is. Dit gebeurt wanneer de vloeistof zich in een

vacuüm bevindt of in een gas, bij een gas zijn door de lage dichtheid de secundaire bindingskrachten

van dat gas op de vloeistof immers verwaarloosbaar (Girifalco & Good, 1957).

Een mengsel met twee vloeistoffen zal niet goed mengen wanneer de interfasespanning tussen de

twee vloeistoffen groot is. Een goede mengbaarheid betekent immers een groot contactoppervlak

tussen de twee vloeistoffen. Aangezien een systeem naar een zo’n laag mogelijke energie streeft, zal

voor eenzelfde interfase-energie het contactoppervlak dalen wanneer de interfasespanning stijgt. Dit

heeft een verslechterde mengbaarheid en een grovere verdeling van de polymeercomponenten tot

gevolg (Pushpavanam, 2014).

Er kan algemeen gesteld worden dat een verhoging van de interfasespanning een verlaging van de

mengbaarheid tot gevolg heeft. Omgekeerd zal een verlaging van de interfasespanning een verhoging

van de mengbaarheid veroorzaken. Zeggen dat een polymeerblend onmengbaar is, betekent hetzelfde

als zeggen dat de interfasespanning tussen de polymeercomponenten hoog is. Hoe hoger deze

interfasespanning is, hoe grover gescheiden de twee polymeercomponenten zullen zijn.

2.2.2 Schatten van de oppervlaktespanning en interfasespanning Schatten van de oppervlaktespanning

De oppervlaktespanning tussen twee vloeistoffen kan berekend worden met een speciale term die in

de literatuur de Parachor genoemd wordt en voor het eerst geïntroduceerd werd door Sugden et al.

(Sugden, 1924).

𝛾 = (𝑃𝑠𝜌

∗ 𝑀𝑛)4

(3)

Met

𝑃𝑠 = De parachorconstante (𝑁

14∗𝑚𝑜𝑙

𝑚13/4)

𝑀𝑛 = Het number average moleculair gewicht van het polymeer (𝑘𝑔

𝑚𝑜𝑙)

𝜌 = de densiteit van het polymeer (𝑘𝑔

𝑚3)

𝛾 = de oppervlaktespanning van het polymeer (𝑁

𝑚)

De parachor is een speciale parameters die de chemische compositie van het materiaal in rekening

brengt. Elk atoom in de molecule krijgt een bepaald waarde die men in Tabel 5 kan terugvinden. Deze

werd eerst opgesteld door Sugden et al. (Sugden, 1924) en vervolgens verbeterd door respectievelijk

Mumford et al. (Mumford & Phillips, 1929) en Quayle et al. (Quayle, 1953). De parachorwaarde is dan

de sommatie van deze constanten uit de structuureenheid waarbij elk atoom 1 keer meegeteld wordt.

Voor PE betekent dit:

4 ∗ 𝐶 + 4 ∗ 𝐻 = 4 ∗ 15.5 + 4 ∗ 9 = 81 (4) Voor PET betekent dit:

10 ∗ 𝐶 + 8 ∗ 𝐻 + 4 ∗ 𝑂 + 5 ∗ (𝐷𝑢𝑏𝑏𝑒𝑙𝑒 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔) = 401.2 (5)

12

Tabel 5: Atomaire en structurele contributie aan de parachor (Van Krevelen & Te Nijenhuis, 2009)

De parachor is praktisch onafhankelijk van de temperatuur. Bijgevolg kan met vergelijking 3 de

temperatuurafhankelijkheid van de oppervlaktespanning onderzocht worden. Uit onderzoek blijkt dat

de bovenstaande methode ook leidt tot betrouwbare waarden voor de oppervlaktespanningen van

polymeren in vaste toestand (Van Krevelen & Te Nijenhuis, 2009). Als molair volume dient dan het

volume van de amorfe fase genomen te worden. Bovendien blijken de constanten van Sugden het

nauwst aan te sluiten bij de experimentele waarden.

Schatten van de interfasespanning

De interfasespanning van polymeermengsels kan enerzijds worden geschat uit de

oppervlaktespanningen en andere eigenschappen van de mengselcomponenten of anderzijds direct

worden gemeten (Brandrup, Immergut, Grulke, Abe, & Bloch, 1989; Mark, 2007; Wu, 1982). De

vergelijking om de interfasespanning van een polymeermengsel te bepalen wordt gegeven door:

𝛾12 = 𝛾1 + 𝛾2 − 𝐹𝑥

(6)

Met:

𝛾12= De interfasespanning tussen component 1 en 2 (N/m)

𝛾𝑥= De oppervlaktespanning van component x (N/m)

𝐹𝑥= De te bepalen waarden (N/m)

Er zijn 3 benaderingen voor 𝐹𝑥:

𝐹1 = 2(𝛾1

𝑑𝛾2𝑑)

1

2 (Girifalco & Good, 1957)

(7)

𝐹2 = 2(𝛾1

𝑑𝛾2𝑑)

1

2 + 2(𝛾1𝑝

𝛾2𝑝

)1

2 (Owens & Wendt, 1969)

(8)

𝐹3 =

(4𝛾1𝑑𝛾2

𝑑)

𝛾1𝑑+𝛾2

𝑑 +4(𝛾1

𝑝𝛾2

𝑝)

(𝛾1𝑝

+𝛾2𝑝

) (Wu, 1971)

(9)

Met:

13

𝛾𝑥𝑑: de oppervlaktespanning van component x veroorzaakt door dispersieve krachten (N/m)

𝛾𝑥𝑝

: de oppervlaktespanning van component x veroorzaakt door polaire interacties (N/m)

Merk op dat deze formules geldig zijn voor de interfasespanning tussen zowel vloeistoffen, vaste

stoffen of een combinatie van beide (Van Krevelen & Te Nijenhuis, 2009).

De waardes voor de constanten bij een temperatuur van 20°C kan men terug vinden in Tabel 6 (Van

Krevelen & Te Nijenhuis, 2009). Merk op dat 𝛾𝑝 bij PE gelijk aan 0 is. Dit is logisch aangezien PE een

apolaire molecule is en er bijgevolg geen dipoolmomenten aanwezig kunnen zijn.

Tabel 6: Thermodynamische constanten voor PE en PET bij 20°C (Van Krevelen & Te Nijenhuis, 2009)

γs (N

m10−3) γd(

N

m10−3) γp(

N

m10−3) −

dγsdT

(N

mK10−3)

PE-lineair 35.7 35.7 0 0.057

PE-vertakt 35.3 35.3 0 0.067

PET 44.6 35.6 9 0.065

Indien men vervolgens de interfasespanning bij 20°C berekent volgens bovenstaande formules krijgt

men de waardes uit Tabel 7.

Tabel 7: Interfasespanning tussen PET en PE op 20°C berekend met behulp van de verschillende formules

Interfasespanning (N

m10−3)

Formule 1 9.0 Formule 2 9.0 Formule 3 9.0

Er kan besloten worden dat de interfasespanning tussen PET en LDPE bij 20°C 9.0 mN/m bedraagt.

Deze interfasespanning is een maat voor hoe goed de fasen aan elkaar hechten bij kamer-

temperatuur. Bij incompatible blends is de interfasespanning hoog en de hechting bijgevolg slecht.

Hierdoor kunnen de aanwezige krachten niet goed overgedragen worden tussen de verschillende

polymeercomponenten onderling wat leidt tot inferieure mechanische eigenschappen.

2.2.3 Invloedsfactoren op oppervlaktespanning en interfasespanning bij polymeren Interfasespanning is één van de belangrijkste factoren voor de verenigbaarheid van

polymeermengsels. De interfasespanning van polymeermengsels is onder andere afhankelijk van

(Biresaw, Carriere, & Sammler, 2003):

1. Temperatuur

2. Molecuulgewicht

Invloed van temperatuur

Het verband tussen de oppervlaktespanning en de temperatuur kan complex zijn. Studies hebben

aangetoond dat een verhoging van de temperatuur zelfs kan leiden tot een verhoogde (Nose &

14

Kasemura, 1996) een constante (Nose & Tanabe, 1997) of een verlaagde interfasespanning (Nose,

1995; Nose & Kasemura, 1996; Nose & Tanabe, 1997; Wagner & Wolf, 1993). Het verband tussen de

temperatuur en de interfasespanning is meestal lineair en kan bijgevolg gekarakteriseerd worden door

één constante (Biresaw et al., 2003):

𝑑𝛾 =𝑑𝛾

𝑑𝑇∗ 𝑑𝑇 (10)

Met

𝑑𝛾 = de verandering in interfasespanning (N

m)

𝑑𝑇 = de verandering in temperatuur van de polymeerblend (K)

𝑑𝛾

𝑑𝑇= de evenredigheidsconstante (

N

m∗K)

Bovenstaande formule mag alleen verondersteld worden bij kleine temperatuurverschillen (Van

Krevelen & Te Nijenhuis, 2009). Bij grotere temperatuurverschillen dient ment zich opnieuw te baseren

op verge