Çapraz Bağlı Poli(dimetil Siloksan) Nanokompozitlerin Sentezi Ve Karakterizasyonu

Autor: Çavuşoğlu, Yağmur
Přispěvatelé: Uyanık, Nurseli, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
Rok vydání: 2013
Předmět:
Popis: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013
Genel olarak kompozitler, iki veya daha fazla malzemenin kendi fiziksel ve kimyasal özelliklerini koruyarak oluşturdukları malzemelerdir. Kompozitteki kuvvetlendirici katkıların sürekli fazda homojen dağıtılması ile malzemenin yapısal özelliklerinde iyileştirme sağlanabilmektedir. Kompozit yapılar matriks malzemesine göre metal, seramik, polimer kompozitler olarak sınıflandırılmaktadır. Klasik kompozitte katkılar matrise %10’dan fazla katılarak istenilen özellik sağlanmaya çalışılır. Nanokompozitlerde, klasik kompozitlere göre çok az miktarda katkı matris içerisinde homojen olarak dağıtılır. Kompozitler yapıları gereği anisotropi gösterirler. Ancak nanokompozitlerde katkının boyutundan dolayı bu durum çok belirgin değildir. Nanokompozitler, farklı kompozisyon veya yapılar içeren iki ya da daha fazla fazın ve katkılardan en az birinin bir boyutunun nano ölçekli olduğu sistemlerdir. Bu malzemeler, yapısal birimlerinin küçük boyutta ve yüksek yüzey/hacim oranına sahip olmalarından dolayı mikro ölçekli geleneksel kompozitlerden farklı davranış sergilerler. En çok kullanılan kompozit yapılardan biri polimer matriks nanokompozitlerdir. Bunlar; polimerlerin, elyaf, pul, küre ve tanecik gibi belli geometriye sahip katkı maddeleri ile karışımlarından oluşmaktadır. Literatürde tabakalı silikat katkılar (killer) en çok çalışılan nanokatkılardır. Polisiloksanlar, biyo malzemelerin elektrik izolasyonundan uzay araştırmalarına kadar çok çeşitli uygulama alanları için benzersiz özelliklere sahiptir. Poli (dimetil siloksan) (PDMS), polisiloksan grubunun en yaygın kullanılan üyesidir. Geniş molar hacim, kohezif enerji yoğunluğunun düşük olması ve esnekliğinin yüksek olması PDMS’nin önemli fiziksel özelliklerindendir. Bunlara ek olarak PDMS, görünür ve UV ışığına karşı saydam, ozon ve korona karşı çok dirençli, atomik oksijen ve hatta oksijen plazmalarına karşı kararlıdır. Diğer üstün özellikleri ise film şekillendirme yeteneği, çeşitli gazlara karşı yüksek geçirgenliği, su sevmeyen (hidrofob) yapıda olması, serbest hareket yeteneği, yüzey aktivitesi, kimyasal ve fiziksel etkilere karşı etkisiz (inert) olmasıdır. Birçok üstün özelliğine karşın, PDMS kauçukların mekanik özelliklerini geliştirmek için molekül ağırlıklarının oldukça yüksek olması gerekmektedir. Bu çalışmada tabakalı silikat olan Türk bentonitlerinin modifiye edilmesi ile oluşturulan çapraz bağlı poli (dimetil siloksan) nanokompozitlerinin (PDMSNK) hazırlanması amaçlanmıştır. Bu nanokompozitler alkil amonyum ve alkil fosfonyum tuzları kullanılarak modifiye edilen bentonitler ile değişen oranlarda (%3, 5 ve 10) in-situ polimerizasyon metodu ile hazırlanmıştır. Ayrıca yapılan testleri kıyaslama için organokil içermeyen çapraz bağlı PDMS hazırlanmıştır. Killerin modifikasyonu için hekzadesiltrimetilamonyum klorür (HDTMAC), tribütilhekzadesilfosfonyum bromür (TBHDPB) and (4-karboksibutil)trifenilfosfonyum bromür (4CBTPPB) kullanılmıştır. Çapraz bağlanma dikümil peroksit ile yapılmış, hazırlanan çapraz bağlı PDMS nanokompozit örnekleri ve organokiller; X-ışını kırınımı, evrensel test, Shore-A sertlik ve termogravimetrik analizler ile karakterize edilmiştir. Morfolojik araştırmalar X-ışını kırınımı (XRD) ve alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM) ile yapıldı ve organokillerin ve PDMS nanokompozitlerin tabakalar arası uzaklıkları belirlendi. Nanokatkı bentonitin tabakalar arası uzaklığı (d001) 13.86 Å’dir. Modifikasyonun kil tabakalarının arasını açtığı ve bu tabakalar arasına giren PDMS’in çapraz bağlanmasıyla “tabakaları tamamen dağılmış yapı” elde edildiği, çapraz bağlı PDMS nanokompozitlerinde XRD sonuçlarında d001 değerinin 44 Å’den büyük olduğu belirlenmiştir. Bu sonuç FE-SEM morfolojik ölçüm sonuçları ile uyumludur. Çünkü FE-SEM sonuçlarında killerin homojen dağılımı görülmüştür. Çapraz bağlı yapılarda, kilin malzemede dağılmasının çok iyi sağlanmasında pek çok parametre etkindir. Bilindiği gibi galeriler arası kürleşme hızı “kilin tabakaları tamamen dağıtılmış” yapıya ulaşmasında önemli bir faktördür ve galeriler arası kürleşme kürleşmenin başlangıcında gerçekleşir. Kilin bu yapıya ulaşması galeriler arası kürleşmenin hızının büyük olduğu durumlarda gerçekleşir. Kullandığımız sistemde de bu durum geçerli olmuştur. TGA analiz sonuçlarına gore saf PDMS, PDMS-HDTMAC-B-5, PDMS-TBHDPB-B-5 ve PDMS-4CBTPPB-B-5’in bozunmaya başlama sıcaklıkları sırasıyla 491.8 oC, 499.1 oC, 493.3 oC ve 516.8 oC olarak bulunmuştur. Aynı zamanda yapısındaki fenil gruplarınından dolayı PDMS-4CBTPPB-B nanokompozitin bozunma sıcaklığı PDMS-HDTMAC-B ve PDMS-TBHDPB-B nanokompozitlerine kıyasla daha çok artmıştır. Bozunma sona erdikten sonra, saf PDMS, PDMS-HDTMAC-B-5, PDMS-TBHDPB-B-5 ve PDMS-4CBTPPB-B-5’in ortamda kalan karbon yüzdeleri sırasıyla %24, %27.5, %27 ve %27 olup, bozunmanın bittiği sıcaklıkları ise 598, 584, 587 ve 596 oC’dir. Evrensel test cihazından alınan gerilim-gerinim sonuçlarından, elastik modülü ve kopma uzaması ile çekme mukavemeti değerleri hesaplanmıştır. Çekme test sonuçlarına gore, %3 organokil içerikli nanokompozitlerin E-moduli değerlerinin saf PDMS’e gore fazla değişiklik göstermiyorken, %5 ve %10 oranında organokil içeren nanokompozitlerin E-modül sonuçları tüm modifiye bentonit içeren nanokompozitler için artışa neden olmuşlardır. Bunun yanında HDTMAC ile modifiye edilen bentonit ile hazırlanan PDMS nanokompozitlerin, TBHDPC VE 4CBTPPB ile modifiye edilmiş bentonitlerle hazırlanan PDMS nanokompozitlere kıyasla daha iyi özellikler sergilediği gözlenmiştir. Depo modülü (E’), kayıp modülü (E”) ve modülün mutlak değeri (|E|) dinamik mekanik analiz (DMA) cihazı kullanılarak elde edilmiştir. Düşük frekanslarda E’değeri düşüktür. Çünkü en fazla deformasyon malzemenin viskoz kısmından gelir. Yüksek frekanslarda modülün mutlak değeri (E’)’a eşittir. Çünkü yüksek frekanslarda, bir salınım devri için geçen zaman boyunca viskoelastik malzemenin viskoz kısmında kayda değer bir akış için yeterli bir zaman olmaz. Hareket, malzemenin elastik kısmının gerilimi sonucu oluşur. Bu nedenle dinamik modül (E’), malzemenin elastic kısmının modülüne eşit olur. DMA sonuçları göre PDMSNC örnekleri viskoelastik malzeme davranışını desteklemektedir. Çapraz bağlı PDMS nanokompozitlerin sertlikleri Shore-A sertlik ölçümleri ile belirlendi. Sertlik ölçüm sonuçları kil yüzdesindeki artışla çok belirgin bir artış göstermediğinden, nanokatkısız PDMS’e göre, kilin sertliğe bir etki yapmadığı ifade edilebilir.Temas açısı ölçümleri ile yüzey özellikleri incelenmiş ve bu veriler kullanılarak yüzey serbest enerjileri hesaplanmıştır. Çapraz bağlı PDMS nanokompozitlerin temas açılarını ölçmek ve yüzey davranışla temas açı test sonuçlarına göre, HDTMAC ve 4CBTPPB ile modifiye edilmiş bentonit ile hazırlanan PDMS nanokompozitlerin su ile ölçüm temas açıları saf PDMS’e göre değişiklik göstermezken, TBHDPB ile modifiye edilmiş bentonit ile hazırlanan PDMS nanokompozitlerin su temas açı değerleri saf PDMS’e 104o’den 81.1o’e düşmüştür. Bu sonuçlara göre TBHDPB ile modifiye edilmiş bentonit ile hazırlanan PDMS nanokompozitlerde hidrofilik yapı oluştuğu gözlenmiştir.
Composite materials are a combination of two or more materials in which the constituents retain their identities. Composite structures can be classified according to the matrix material that they are made up of. One of the most widely used types of composite structure is polymer matrix composites. They are mixtures of polymers with inorganic and organic additives having certain geometries, such as fibers, flakes, spheres and particulates. Nanocomposites are a combination of two or more phases containing different compositions or structures, where at least one of the phases is in the nanoscale regime. These materials exhibit behavior different from conventional composite materials with microscale structure, due to the small size of the structural unit and the high surface-to-volume ratio. Polysiloxanes have unique properties for much diversified applications ranging from electrical insulation to biomaterials and to space research. Poly (dimethyl siloxanes) (PDMSs) are the most common member of the polysiloxane group. A large molar volume, a low cohesive energy density and high flexibility are the important physical properties of the PDMS. In addition, PDMS are transparent to visible and UV light, very resistant to ozone and corona discharge, stable against atomic oxygen an even oxygen plasmas. Other outstanding properties include film forming ability, high permeability to various gases, hydrophobic behavior, release action, surface activity and chemical and physiological inertness. Despite their many outstanding properties, PDMS rubbers require extremely high molecular weights to develop useful mechanical properties. The present study was aimed to useorganically modified bentonites in the cross-linked poly (dimethyl siloxane) nanocomposite (PDMSNC) preparation. The cross-linked PDMS nanocomposites were prepared by in-situ polymerization methodby using alkyl ammonium and alkyl phosphonium modified bentonites with varying compositions such as 3-5-10%. The cross-linked PDMS without organoclay was also prepared for the comparison purposes. The modifiers were hexadecyltrimethylammonium chloride, tributylhexadecylphosphonium bromide and (4-carboxybutyl) triphenylphosphonium bromide. The pure cross-linked PDMS rubber and itsnanocomposites were characterized by morphological, thermal and mechanical analysis. Structural analysis of the prepared organoclays and PDMS nanocomposites were determined by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The morphological investigations were performed by X-ray diffraction (XRD) and field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM) to obtain the interlayer distance of PDMSNCs. Elastic modulus, tensile strength and elongation at break values were determined by tensile tests.Storage modulus (E’), loss modulus (E”) and absolute value of modulus (IEI) of the PDMS nanocomposites were obtained by using dynamic mechanical analysis (DMA).Hardness of composites was evaluated by Shore-A hardness tests. The thermal properties of PDMSNC were investigated by thermogravimetric analysis (TGA). Surface properties were investigated by contact angle measurements and by using these data the surface free energy of the PDMS nanocomposites were calculated.
Yüksek Lisans
M.Sc.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: