Akrilik polimer/organo-silikat nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of acrylic polymer/organo-silicate nanocomposites
Yazar: BURCU ŞENOL TÜRK
Danışman: PROF. DR. M.O. ZAKİR RZAYEV
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Son yıllarda, polimer/organik silikat nanokompozitlerin ve nanomalzemelerin araştırılmasına ve geliştirilmesine olan ilgi giderek artmaktadır. Nanokompozitlerin sentezi ve nanomühendislik proseslerinde uygulamaları alanında yeni yöntemler geliştirilmiştir. Fonksiyonel monomerlerin çeşitli organik silikatlar (killer) varlığında katı ve çözelti ortamında lameller arası polimerizasyon, ko- ve terpolimerizasyon metotları kullanılarak yeni nanosistemlerin sentezi ve nanomalzemelerin hazırlanmasını mümkün kılmıştır. Bu da hızla gelişmekte olan Polimer Nanobilim ve Nanoteknoloji'nin önemli alanlarından biri olarak birçok akademik ve sanayi araştırmacılarının hedef konusu olmaktadır. Ancak bilinen polimer nanoyapı sistemlerinin sentez koşulları çoğunlukla çağdaş kimya ve mühendislik taleplerine uygun gelmemektedir.Bu tez çalışmasının amacı, (1) su veya süspansiyon ortamında katkı maddeleri (yüzey aktif maddeler, stabilizatör, vb.) kullanmadan suda çözünen anhidrit/asit-amid grupları içeren monomerlerin radikal başlatıcı ile farklı yapıda alkil aminler içeren organik silikatlar varlığında lameller arası radikal kopolimerizasyon reaksiyonlarının araştırılması, (2) organik silikatların nano ölçekteki (25-30 Å) tabakalar arası alanı ?nano-reaktör? gibi kullanarak kopolimer/inorganik nanohibrid yapıların ve yüksek performanslı nanokompozitlerin sentezi ve (3) nanoyapıların oluşum mekanizmasının ve yapı-özellik ilişkilerinin incelenmesidir.Bu tez çalışmasında, fonksiyonel kopolimer-kil hibridler, maleik anhidrit (MA)/asit?akrilik asit (AAs) ve MA?akrilamid monomer sistemlerinin reaktif oktadodesilamin-montmorillonit (ODA-MMT) ve reaktif olmayan dimetildidodesil amonyum (DMDA-MMT) organik silikatlar varlığında radikal lameller arası kopolimerleşme yoluyla sentezlenmiştir. Sentezlenen kopolimer/organik silikat kompozitlerin nanoyapıları, oluşum mekanizması, termal davranışları ve yüzey ve iç morfolojileri FTIR, XRD, DSC-TGA, SEM ve TEM analiz metotları kullanılarak incelenmiştir. Organik killer varlığında gerçekleşen lameller arası kopolimerizasyonda, makromoleküllerin silikat tabakaları arasına nüfuzu ve tabakaların dağılımı monomer birimlerinin silikat tabakaları yüzeylerindeki alkilaminlerle fiziksel (H-bağlı kompleksler) ve kimyasal (amidleşme) etkileşimler yoluyla gerçekleştiği gözlenmiştir. Poli(MAs-ko-AAs)/ODA-MMT ve poli(MAs-ko-AAm)/DMDA-MMT nanokompozitlerinin yapı?özellik ilişkileri araştırılmış ve kopolimer zincirlerinin silikat tabakaları arasına kolay nüfuz etme ve tabakaların yüksek dağılım indeksine, geliştirilmiş termal özelliklere ve düzenli bir morfolojik yapıya sahip oldukları görülmüştür.Bu çalışmada sentezlenen fonksiyonel kopolimer/organik-MMT nanokompozitlerin çeşitli termoplastik polimer karışımlarda, kompozitlerde, nanomalzemelerin ve yüzey nanokaplamaların hazırlanmasında reaktif uygunlaştırıcı, nanodolgu ve kaplama malzemesi olarak kullanılabilir. Ayrıca bu tez araştırmaları sonuçları yalıtım amaçlı nanoboyaların hazırlanması için yeni formülasyonların geliştirilmesine de olanak sağlayacaktır.

Abstract:
During recent years, there is an increasing interest for the investigation and improvement of polymer/organoclay nanocomposites and nanomaterials. Novel methods have been developed for the synthesis of nancomposites and on the fields of nanoengineering process applications. Employment of lameller arası polymerization, co- and terpolymerization methods for functional monomers in the presence of various organic silicates (clays) has made the synthesis of new nanosystems and the preparation of nanomaterials possible. This, in turn, has been the main interest of several academic and industrial researchers as an important field of rapidly progressing Polymer Nanoscience and Nanotechnology. However, the synthesis conditions of known polymer nanostructure systems are usually not appropriate for contemporary wet chemistry and engineering demands.The aim of this thesis work is, (1) to investigate the radical-initiated intercalative copolymerization reactions (in water or suspension medium) of the monomers containing water soluble anhydride/acid-amide groups in the presence of a radical initiator and organic silicates involving alkyl amines of different structures without the usage of any additives (surfactant, stabilizer, etc.), (2) the synthesis of copolymer/inorganic nanohybrid structures and high performance nancomposites by employing the lameller arası area of organic silicates (at a scale of 25-30 Å),as a ?nano-reactor? and (3) the investigation of the formation mechanism of nanostructures and their structure-property relationships.In this thesis work, functional copolymer-clay hybrids from maleic anhydride (MA)/acid-acrylic acid (AAs) and MA-acrylamide monomer systems have been synthesized through radical-initiated lameller arası copolymerization in the presence of reactive (octadecylamine-montmorillonite (ODA)?MMT) and non-reactive (dimethyldodecyl ammonium-montmorillonite (DMDA)-MMT) organoclays. Nanostructure, formation mechanism, thermal behavior and morphology of the synthesized nanocomposites were investigated by FTIR, XRD, DSC-TGA, SEM and TEM analysis methods, respectively. It was demonstrated that intercalative copolymerization achieved in the presence of organoclays improved interfacial interaction of polymer matrix and clay layers through strong H-bonding. In case of intercalative copolymerization in the presence of ODA-MMT clay, similar improvement was provided by in situ hydrogen-bonding and amidolysis of carboxylic/anhydride groups from copolymer chains. The nanocomposites exhibit higher intercalation/exfoliation degree of copolymer chains, improved thermal properties and fine dispersed morphology.In this study, synthesized functional copolymer/organoMMT nanocomposites can be used as high performance engineering materials and reactive compatibilizers for the preparation of various thermoplastic polymer blends, composites, nano-materials, and surface nanocoatings. Additionally, the results of this thesis will provide the development of new formulations for the preparation of nanopaints aimed for insulation.