Poliolefin nanokompozitlerin hazırlanması
Preparation of polyolefin nanocomposites
Yazar: ALİ DURMUŞ
Danışman: PROF.DR. AHMET KAŞGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Eğitimi Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2006
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Kil = Clay ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polietilen = Polyethylene ; Reoloji = Rheology

Özet:
Bu çalışmada, farklı bileşimlerdeki lineer düşük yoğunluklu polietilen (LLDPE)/org-kilnanokompozitleri farklı tipte uyumlaştırıcılar kullanılarak, çift vidalı mini-ekstruderde(DACA) eriyik harmanlama yöntemi ile hazırlanmış ve örneklerin bazı fizikselözellikleri detaylı olarak incelenmiştir.Organo-kil olarak, ticari bir organo-montmorillonit (org-mmt, Cloisite® 20A)uyumlaştırıcı bileşikler olarak ise; farklı maleik anhidrit yüzdelerine sahip iki maleikanhidrit aşılanmış polietilen (PE-g-MA) ve farklı asit indisi değerlerindeki üç farklı,düşük molekül ağırlıklı okside polietilen (OxPE) kullanılmıştır.Hazırlanan örneklerin, yapısal analizleri ve fiziksel özellikleri, uzama kontrollüsalınımlı rotasyonel reometre (ARES), X-ışını kırınım difraktometresi (XRD), ElektronMikroskobu (TEM), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC), TermogravimetrikAnaliz (TGA), Fourier-Infrared Spektroskopi (FTIR), mekanik test cihazı ileincelenmiştir. Ayrıca bazı örneklerden hazırlanan filmlerin O2 geçirgenlikleri testedilmiştir.Örneklerin lineer viskoelastik bölgedeki reolojik davranışlarının ayrıntılı olarakincelenmesiyle elde edilen bulgulara çeşitli reolojik modellerin uygulanması ile kildağılımının, uyumlaştırıcı yapısı/miktarı ve kil oranına göre değişimi kantitatif olarakhesaplanmıştır. Ayrıca bazı örneklerin mekanik ve gaz geçirgenlik özelliklerindekideğişimlerin incelenmesiyle de kil dağılım oranları hesaplanmış ve diğer bulgularlauyumlulukları karşılaştırılmıştır.Örneklerin reolojik özelliklerine dayanılarak yapılan hesaplamalara göre PE-g-MAuyumlaştırıcıları ile hazırlanan örneklerde kil dağılım oranının yaklaşık 25 olduğu,OxPE uyumlaştırıcıları ile hazırlanan örneklerde ise uyumlaştırıcının yapısına bağlıolarak 10-17 arasında değiştiği hesaplanmıştır. Örneklerin reolojik davranışlarınınmodellenmesi ile elde edilen bulgularla uyumlu olarak, hazırlanan nanokompozitörneklerinin elektron mikroskobu (TEM) ile incelenen mikro-yapı analizinde de,PE-g-MA ile hazırlanan örneklerde kil dağılımının OxPE ile hazırlanan örneklere oranladaha iyi olduğu gözlenmiştir. Örneklerin termal ve mekanik özelliklerinde de,bileşimdeki kil ve uyumlaştırıcı oranı ve kil tabakalarının dağılım derecesine bağlıolarak fiziksel iyileşmeler olduğu tesbit edilmiştir. Hazırlanan nanokompozitörneklerinin O2 geçirgenlik testlerinde ise diğer yapısal bulguların aksine OxPE ilehazırlanan örneklerin gaz geçirgenlik değerlerindeki düşmenin, PE-g-MA ile hazırlananörneklere oranla daha fazla olduğu bulunmuştur.Elde edilen bulgulara ve literatürdeki teorik yaklaşımlara dayanılarak, hazırlanannanokompozit örneklerin ?mikro yapı-fiziksel özellik? ilişkileri polimer/uyumlaştırıcı,kil/uyumlaştırıcı ve kil/kil etkileşimleri göz önünde bulundurularak ayrıntılı olarakincelenmiş ve reolojik testlerin nanokompozit malzemelerin mikro yapılarınıaydınlatmada ve kil dağılımının kantitatif olarak belirlenmesinde hızlı ve kesin sonuçlarveren çok önemli bir karakterizasyon yöntemi olduğu değerlendirilmiştir. Ayrıcapolimer/kil nanokompozitlerinin gaz geçirgenlik özelliklerindeki iyileşmeleri açıklayandolaşımlı yol modelinin deneysel sonuçlarla uyumsuzluğu ve kil dağılım oranlarınınhesaplanmasındaki teorik hataların uyumlaştırıcı yapısına ve miktarına bağlı sebepleritartışılmıştır.

Abstract:
In this study, linear low density polyethylene (LLDPE)/org-clay nanocomposites invarious compositions were prepared by melt processing method in a twin screwmicro-compounder (DACA) using different types of compatibilizers. Some physicalproperties of the samples were examined in detail.A commercial organo-montmorillonite (org-mmt, Cloisite® 20A) as organo-clay andtwo of maleic anhydride grafted polyethylenes (PE-g-MA) having different maleicanhydride graft ratio and three of low molecular weight oxidized polyethylene (OxPE)having various acid number were used as compatibilizers.Structural characterization and physical properties of the samples were carried out witha small amplitude ossilatory shear rheometer (ARES), Wide Angle X-Ray Diffraction(XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Differential Scanning Calorimetry(DSC), Thermogravimetry (TGA), Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)and Universal Tensile Test methods. Furthermore, O2 permeability of some sampleswere tested.Applying various rheological models on the data obtained from the detailed rheologicalinvestigation of the samples in linear viscoelastic region, aspect ratio of the clay layerswere determined quantitatively depending on the compatibilizer structure, amount ofclay and sample composition. Moreover, the clay aspect ratios of some samples werealso determined by investigating the mechanical and gas barrier properties of thesamples and compared with the values obtained from the other characterizationmethods.It was found that the average aspect ratio value of the clay layers is about 25 for thesample series prepared with the PE-g-MA used as compatibilizer and between 10-17 forthe sample series prepared with the OxPE depending on the compatibilizer structure. Inconsistent with the results obtained from rheological modelling of the clay aspect ratio,it was also observed from the TEM analysis of the samples that the clay dispersion inthe sample series of PE-g-MA compatibilizers is better than those of the OxPEs. It wasseen that the thermal and mechanical properties of the nanocomposite samples aresignificantly enhanced with increasing of the clay and compatibilizer loading anddispersion of the clay layers. Interestingly, nanocomposite samples prepared with theOxPE showed better improvements than those prepared with the PE-g-MA in gasbarrier properties of the samples.Based on the data obtained and the theoretical approaches in literature, ?structurepropertyrelationships? of the samples were evaluated in detail taking into account ofthe polymer/compatibilizer, filler/compatibilizer and filler/filler interactions. As a result,it was considered that investigation of the rheological behavior of polymer/claynanocomposites is a very crucial characterization method to quantify clay dispersioninto polymer phase and characterize the micro-structures of the samples. Moreover,contradictions between the assumptions of the theoretical ?tortuous path? model whichdefines the improvements in gas barrier properties of the polymer/clay nanocompositesand experimental results were discussed.