Stiren-bütadien kauçuğun özelliklerinin farklı nanodolgularla geliştirilmesi
Improvement of the properties of styrene-butadiene rubber with different nanofillers
Yazar: SEDA BEKİN AÇAR
Danışman: PROF. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN ; DOÇ. DR. BAĞDAGÜL KARAAĞAÇ
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmada, metakrilat-fonksiyonlu polihedral oligomerik silseskuokzan (MA-POSS) ve oktaisobütil POSS (OIB-POSS) nanopartiküllerin stiren-butadien kauçuk (SBR) kompozitlerine eklenmesi reolojik, mekanik ve morfolojik özellikler açısından değerlendirilmiştir. Kauçuk nanokompozitlerin yaşlanma prosesi ve çapraz bağ yoğunluğu da nanodolgular varlığında incelenmiştir. SBR nanokompozitlerinin kükürt vulkanizasyonu özellikleri döner kalıp reometresi ile belirlenmiştir. MA-POSS ve OIB-POSS'un SBR kompozitlerine eklenmesinin pişme süresini uzattığı ve çapraz bağ yoğunluğunu azalttığı belirlenmiştir. MA-POSS/OIB-POSS nanopartikülleri ile SBR matrisi arasındaki iyi etkileşim ve POSS'un iyi dağılımı nedeniyle, nanokompozitlerin mekanik özelliklerinin nanodolgu içermeyen referans bileşiğinden daha iyi olduğu bulunmuştur. SBR matrisinde MA-POSS/OIB-POSS'un varlığı ve rastgele dağılımı TEM analizi ile doğrulanmıştır. Nanokompozitlerin Flory-Rehner ile hesaplanan çapraz bağ yoğunlukları, artan POSS miktarı ile azalmıştır. Ayrıca, termal yaşlandırma ile POSS/SBR nanokompozitlerinin mekanik özellikleri ve çapraz bağ yoğunluğunun önemli ölçüde azaldığı görülmüştür.
Tiyol ve vinil grupları ile modifiye edilmiş halloysit nanotüplerin (HNT) ve montmorillonit nanokillerin (MMT) SBR matrisine dahil edilmesi de aynı özellikler açısından değerlendirilmiştir. SBR/HNT-Tiyol nanokompozitinin, tiyol gruplarındaki kükürtten dolayı saf HNT veya HNT-Vinil ile hazırlanan diğer SBR nanokompozitlerinden daha fazla çapraz bağ oluşumuna katkıda bulunduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, saf veya modifiye edilmiş HNT içeren SBR nanokompozitleri, referans numunesine göre gelişmiş mekanik özellikler sağlamıştır. İlginç bir şekilde, SBR/MMT-Tiyol nanokompozitinin, SBR/MMT ve SBR/MMT-Vinil'den daha düşük çapraz bağ yoğunluğuna ve daha kötü mekanik özelliklere sahip olduğu bulunmuştur. Bu bulgu, nanodolgu şeklinin de karışımın reaksiyon mekanizmasında ve çapraz bağ oluşumunda büyük önem taşıdığını ortaya çıkarmıştır. Mekanik özelliklerdeki artışların, HNT ve MMT'nin çapraz bağlama etkisinden ziyade takviye etkisiyle daha fazla ilişkili olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca termal yaşlanma ile SBR/HNT ve SBR/MMT nanokompozitlerinin çapraz bağ yoğunlukları ve mekanik dayanımları artmıştır. Bu sonuç ısı oluşumu ile ilave çapraz bağ oluşumunu ifade eden post-cure etkisini doğrulamıştır.

Anahtar Kelimeler: Haloysit, kauçuk, montmorillonit, nanokompozit, polihedral oligomerik silseskuokzan, stiren-bütadien kopolimeri

Abstract:
In this study, the addition of methacrylate-functional polyhedral oligomeric silsesquioxane (MA-POSS) and octaisobutyl POSS (OIB-POSS) nanoparticles to styrene-butadiene rubber (SBR) composites was evaluated in terms of rheological, mechanical, and morphological properties. The aging process and crosslink density of rubber nanocomposites were also examined in the presence of nanofillers. The sulfur vulcanization characteristics of SBR nanocomposites were determined by moving die rheometer. It was indicated that the addition of MA-POSS and OIB-POSS to SBR composites retarded the curing time and decreased the crosslink density. Due to the good interaction between MA-POSS/OIB-POSS nanoparticles and SBR matrix and excellent dispersion of POSS, the mechanical properties of nanocomposites were higher than those of the reference compound without nanofiller. The presence as well as a random distribution of MA-POSS/OIB-POSS in the SBR matrix was confirmed by TEM analysis. The crosslink densities of composites, which were calculated using Flory-Rehner equation, decreased with increasing amount of POSS nanofiller. Also, it was revealed that the thermal aging dramatically reduced the mechanical properties and crosslink density POSS/SBR nanocomposites.
The inclusion of halloysite nanotubes (HNT) and montmorillonite nanoclays (MMT) modified with thiol or vinyl groups to SBR matrix was also assessed in terms of the same properties. It was determined that SBR/HNT-Thiol nanocomposite had higher crosslink density than the other SBR nanocomposites prepared with pure HNT or HNT-Vinyl due to sulfur in the thiol groups contributing to more crosslink formation. Also, the nanocomposites containing either pure or modified HNT nanofillers provided enhanced mechanical properties than those of the reference compound. Interestingly, it was found that SBR/MMT-Thiol has lower crosslink density and reduced mechanical properties than SBR/MMT and SBR/MMT-Vinyl. Therefore, it was revealed that the shape of nanofiller had also great importance in the reaction mechanism and crosslink formation of the compound. Increases in the mechanical properties appeared to be more related to the reinforcing effect of the HNT and MMT rather than the crosslinking effect. In addition, the crosslink densities and mechanical strengths of SBR/HNT and SBR/MMT nanocomposites increased with termal aging. This result confirmed the post-curing effect.

Keywords: Halloysite, montmorillonite, nanocomposites, polyhedral oligomeric silsesquioxane, rubber, styrene-butadiene copolymer