Halloysit içeren PVC kompozitlerin üretimi: Isıl ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Production of PVC composites containing halloysite: Investigation of thermal and mechanical properties
Yazar: SEMİH ŞENGÜL
Danışman: PROF. DR. SİNAN ŞEN
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Halloysit = Halloysite ; Kompozitler = Composites ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Nanotüp = Nanotube ; PVC = PVC

Özet:
Polivinilklorür (PVC), endüstride en çok kullanılan termoplastik malzemelerden biridir. Yangın dayanımı, kimyasal dayanımı ve mekanik özelliklerinden dolayı birçok mühendislik uygulamasında kullanılmaktadır. PVC'nin yangına dayanıklılığı çeşitli dolgu maddeleri eklenerek artırılabilir. Bu çalışmada, PVC/Mg(OH)2 kompozitlerinin termal ve mekanik özelliklerini iyileştirmek için halloysit nanotüp (HNT) kullanılmıştır. Kompozit kompaundlar, PVC'nin, plastikleştirici, magnezyum hidroksit, HNT ve diğer işlem katkı maddeleri ile dahili bir karıştırıcıda eritilerek karıştırılmasıyla üretilmiştir. Test numuneleri, şeritler şeklinde laboratuvar tipi bir ekstrüder ile püskürtülerek hazırlanmıştır. Kompozitlerin termal özelliklerini belirlemek için DSC ve TGA analizleri yapılmıştır. Kompozitlerin kritik oksijen indeksi (LOI) değerleri ve çekme mekanik özellikleri de incelenmiştir. Yüksek magnifikasyonlu SEM görüntülerinden, Mg(OH)2 dolgusunun büyük tabaka bloklar halinde matris içinde dağıldığı görülmüştür. Ayrıca silika nanotüplerin, kompozit içinde tekli dağılım yanında, aglomer/agregat formunda da dağılım sergilediği izlenmiştir. Mg(OH)2 ile birlikte HNT dolgusunun kullanıldığı kompozitlerde, HNT artışı ile polimer moleküllerindeki artan segment hareketliliğindeki kısıtlamalardan dolayı 85 ºC civarındaki camsı geçiş sıcaklığı gözlenmemiştir. HNT içermeyen Mg(OH)2 dolgulu kompozite kıyasla, HNT dolgulu PVC/Mg(OH)2 kompozitlerdeki PVC kristalizasyon yüzdesinde, HNT miktarı artışı ile  artış görülmüştür. Bu sonuç, HNT dolgusunun PVC kristalizasyonu için çekirdekleştirici ajan olarak davranmasına dayandırılmıştır. DSC analiz sonuçlarına göre, PVC jelleşme oranı, kompozit içerisindeki HNT oranı arttıkça azalma eğilimi göstermiştir. Dolgu olarak %100 HNT kullanıldığında, bu azalma kendini maksimum seviyede göstermiştir. PVC kompozit içerisindeki HNT oranı arttıkça elastik modül değeri artmıştır. PVC kompozitlerde HNT artışı ile azalan jelleşme oranı nedeniyle beklenen modül değerindeki azalmayı, sertlik veren HNT dolgusunun kompanse ettiği sonucuna varılmıştır. Mg(OH)2 kullanılmayan sadece HNT içeren kompozitte ise çekme mukavemeti ve tokluk değerlerinde önemli azalma bulunmuştur. TGA analizleri sonucunda, HNT içeren kompozitlerde, sadece Mg(OH)2 dolgusu içeren refereans kompozite kıyasla,  bozunma hızlarında azalma gözlenmiş ve bu sonucun aynı kompoziyonlarda artan Td50 sıcaklık değerleri ile uyumlu olduğu için ısıl kararlılık artışı göstergesi olduğu düşünülmüştür. Her iki dolguyu da içeren kompozitlerin LOI analizleri sonucunda, HNT oranı arttıkça gerekli olan oksijen konsantrasyonu değerinin, sadece Mg(OH)2 içeren kompozite kıyasla arttığı görülmüştür. Diğer yandan sadece HNT içeren kompozitin LOI değerinin, sadece Mg(OH)2 içeren kompozite kıyasla azaldığı saptanmıştır. Sonuç olarak, PVC polimeri ile Mg(OH)2 ve HNT dolguları beraber kullanıldığında bir sinerjistik etki oluşturmuş ve toplam dolgu miktarı içinde %10, 15 ve 20 oranında HNT kullanıldığında, iyileşmiş mekanik ve ısıl özellikler elde edilmiştir.

Abstract:
Polyvinylchloride (PVC) is one of the mostly used thermoplastic materials in the industry. It is used in many engineering applications due to its fire resistance, chemical resistance, and mechanical properties. The fire resistance of PVC can be improved by adding various fillers. In this study, halloysite nanotube (HNT) was used to improve the thermal and mechanical properties of PVC/Mg(OH)2 composites. The composite compounds were produced by melt-mixing of PVC with plasticizer, magnesium hydroxide, HNT and other processing additives in an internal mixer. The test samples were prepared by spraying them with a laboratory-type extruder in the form of strips. The DSC and TGA analyzes were performed to determine thermal properties of the composites. The limiting oxygen index (LOI) values and tensile mechanical properties of the composites were also investigated. From the high magnification SEM images, it was seen that the Mg(OH)2 filler was dispersed in the matrix as large sheet blocks. In addition, it was observed that silica nanotubes exhibited dispersion in the form of agglomerates/aggregates as well as individual separation in the composite. In the composites in which Mg(OH)2 and HNT filler were used, glass transition temperature of around 85 ºC was not observed due to the increased limitations in the segmental mobility of the polymer molecules with the increase of HNT. Compared to the HNT-free Mg(OH)2 filled composite, the percentage of PVC crystallization in HNT filled PVC/Mg(OH)2 composites increased with the increase in the amount of HNT. This result was based on the HNT filler acting as the nucleating agent for PVC crystallization. According to the DSC analysis results, the PVC gelation percentage tended to decrease as the HNT content in the composite increased. When 100% HNT was used as the filler, this reduction was at the maximum level. The elastic modulus value increased as the HNT content in the PVC composite increased. It was concluded that the expected decrease in elastic modulus due to the decreasing gelation ratio with the increase of HNT in PVC composites is compensated by the hardening HNT filler. A significant decrease was found in the tensile strength and toughness values of the composite containing only HNT without using Mg(OH)2. As a result of TGA analyses, decreases in degradation rates were observed in HNT-containing composites compared to the reference composite containing only Mg(OH)2 filler, and this result was thought to be an indicator of increase in thermal stability since it was compatible with increasing Td50 temperature values in the same compositions. As a result of the LOI analyzes of the composites containing both fillers, it was observed that the required oxygen concentration value increased as the HNT ratio increased compared to the composite containing only Mg(OH)2. On the other hand, it was determined that the LOI value of the composite containing only HNT decreased compared to the composite containing only Mg(OH)2. As a result, when PVC polymer and Mg(OH)2 and HNT fillers were used together, a synergistic effect was created and improved mechanical and thermal properties were obtained when 10%, 15 and 20% HNT was used in the total filler amount.