Çapraz bağlı polietilen ve organokil nanokompozitlerinin eriyik interkalasyonuyla hazırlanması ve üretim prosesinin optimizasyonu
Preparation of crosslinked polyethylene and organoclay nanocomposites by melt intercalation and optimization of the production process
Yazar: ZAFER EROĞLU
Danışman: PROF. DR. AHMET GÜRSES
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanomalzeme  Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology

Özet:
Polietilen polimerler, plastik dünyasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Toplam polimer pazarının %70'inden fazlasını oluşturan bu polimer grubu, kolay kullanım, kısmen düşük maliyet ve kolay işlenebilme özelliklerine sahiptir. Polietilen 150-200°C sıcaklık aralığında işlenebilen termoplastik bir polimerdir. Maksimum çalışma sıcaklığı 75°C olan malzemelerde, polietilen çokça tercih edilen polimerler arasındadır. Ancak, polietilenin yüksek sıcaklıklarda yumuşama, akma ve diğer bazı kritik mekanik özellikleri olumsuz olarak değişmekte ve bu değişim onun daha yaygın uygulama potansiyelini kısıtlamaktadır. Bu sebeple, özellikle yüksek sıcaklıklardaki bazı özel kullanım alanları, çapraz bağlı polietilen sentezi üzerine araştırmaları hızlandırmıştır. Çapraz bağlama, termoplastik polimerleri termoset polimerlere dönüştürerek, onlara daha yüksek termal ve mekanik dayanım gibi üstün özellikler kazandırabilmektedir. Çapraz bağlı polimer yapılarının sentezi için çeşitli metotlar kullanılmaktadır. Peroksit ve radyasyon ile çapraz bağlamanın yanı sıra, en önemli metotlardan birisi de, silan aşılıma-su ile çapraz bağlanma metodudur.
Bu çalışmada silan bileşiği kullanılarak radikalik reaksiyonlar üzerinden ekstrüksiyonla graft edilmiş LDPE-organokil nanokompozitlerinin sentezi ve onu takiben, su ile kaynatma yapılarak çapraz bağlanmış formunun hazırlanması ve proses parametrelerinin optimizasyonu amaçlanmıştır.  Bunun için, 2:1 tabakalı yapıya sahip MMT kil örneği, CTAB kullanılarak modifiye edilmiş ve böylece polimer/kil arayüzey enerjisi düşürülürek, polietilen/organokil nanokompozitlerinin hazırlanmasına çalışılmıştır. Viniltrimetoksi silan (VTMS), Benzoil peroksit (BPO) ve organokil oranları proses parametreleri olarak seçilmiştir. Ayrıca hazırlanan örneklerin, çapraz bağlanmasının gerçekleşmesi için kaynayan su içerisinde kalma süreleri de diğer bir proses parametresi olarak incelenmiştir. Bu şekilde hazırlanan nanokompozit örnekleri XRD, HRTEM, FTIR ve DSC teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir.
Yapılan FTIR ve DSC analizleri, artan VTMS oranı ile çapraz bağlı polietilen örneğinde çapraz bağ yoğunluğunun arttığını ortaya koymuştur. Optimum VTMS, BPO ve organokil oranları sırasıyla, %3,5,%1,0 ve %3,0 olarak belirlenmiştir. Ayrıca,  proses değişkenlerinin istatistisel olarak optimizasyonu ve matematiksel bağıntının eldesi için, Yüzey Cevap Metodu (Response surface methodology, RSM) kullanılmıştır. Yüzde uzama için BPO, VTMS, organokil ve kaynatma süresine ait optimum değerler  sırasıyla, 1,00, 2,00, 2,57 ve 12,47 olarak bulunmuştur (R2 :0,9271).

Abstract:
Polyethylene polymers are widely used in the plastic World. This polymer group, which is formed more than 70% of the total polymer market, is easy useable, partly low-cost and easy to process.Polyethylene is a thermoplastic polymer which can be processed at a temperature between 150-200°C. Among materials with a maximum processing temperature of 75°C, polyethylene is one of the most preferred polymers. However, softening, flow and some other critical mechanical properties of polyethylene at high temperatures are adversely changing, and this variation restricts its more common application potential. For this reason, certain special applications, especially at high temperatures, have accelerated research on cross-linked polyethylene synthesis. Cross-linking can convert thermoplastic polymers into thermoset polymers, giving them superior properties such as higher thermal and mechanical strength. Various methods are used for the synthesis of cross-linked polymer structures. In addition to cross-linking with peroxide and radiation, one of the most important methods is cross-linking with silane grafting-water.
In this study, it was aimed to synthesize LDPE-organoclay nanocomposites grafted by extrusion over radicalic reactions using silane compound, followed by preparation of cross-linked form by water boiling and optimization of process parameters. For this, the MMT clay sample with a 2: 1 layered structure was modified using CTAB to prepare the polyethylene / organoclay nanocomposites so that the polymer / clay interface energy would be reduced. Vinyltrimethoxy silane (VTMS), benzoyl peroxide (BPO) and organoclay ratios were selected as process parameters. In addition, the retention times of the prepared samples in boiling water for cross-linking were also investigated as another process parameter. The nanocomposite specimens prepared in this method are characterized by XRD, HRTEM, FTIR and DSC techniques.
The FTIR and DSC analyzes revealed that the cross-linking density of cross-linked polyethylene increased with increasing VTMS ratio. Optimum VTMS, BPO and organoclay ratios were determined as 3.5%, 1.0% and 3.0%, respectively. In addition, Response surface methodology (RSM) was used to statistically optimize the process variables and to determine the mathematical relationship.Optimum values for BPO, VTMS, organoclay and boiling time for percent elongation were found to be 1.00, 2.00, 2.57 and 12.47 respectively (R2 : 0.9271).