Balistik uygulamalar için nanokompozit nanolif malzeme üretiminin geliştirilmesi
Development of nanocomposite nanofiber materials production for ballistic applications
Yazar: ÇAĞLA GÜL GÜLDİKEN
Danışman: PROF. DR. HASAN FERDİ GERÇEL
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmada, çekme mukavemeti, termal kararlılık ve ağırlık tasarrufu açısından sergilediği yüksek performans nedeniyle vücut zırhı uygulamalarında sıklıkla kullanılan poli (p-fenilen tereftalamid) (PPTA) polimeri sentezlenmiştir. Sentezlenen PPTA'nın, yaygın organik çözücülerde çözünmemesi ve yüksek geçiş sıcaklığı dolayısıyla yaygın termoplastik işleme yöntemleri ile şekillendirilememesi gibi işleme zorluklarını ortadan kaldırmak amacıyla N-alkilasyon reaksiyonu ile modifiye edilerek N-bütil PPTA polimeri elde edilmiştir. Sentezlenen polimerler elementel analiz, Fourier dönüşümlü infrared (FTIR) spektroskopisi, 13C-nükleer manyetik rezonans (13C-NMR) spektroskopisi ve X-ışınları kırınım (XRD) yöntemi ile karakterize edilerek kimyasal yapıları doğrulanmış ve PPTA zincirlerine %93-96 yer değiştirme dereceleri (DS) ile bütil gruplarının aşılandığı belirlenmiştir. Çözünürlük testleri sonucunda, N-bütil PPTA'nın, bazı yaygın çözücülerde oda sıcaklığında çözündüğü belirlenmiş ve çözelti halinde poliakrilonitril (PAN) matrisine eklenerek elektroeğirme yöntemi ile farklı oranlarda N-bütil PPTA içeren nanokompozit nanofiber filmler üretilmiştir. FTIR analizi, nanokompozit yapıda polimer bileşenler arasında hidrojen bağı etkileşimleri oluştuğunu göstermiştir. Taramalı elektron mikroskobu mikrografikleri, nanokompozit nanofiber filmlerin katkısız PAN nanofiber filmlere kıyasla boncuksu yapı içermeyen daha homojen nanofiberlerden oluştuğunu ve daha dar çap dağılımına sahip olduğunu göstermiştir. Mekanik testler sonucunda, kütlece %3 N-bütil PPTA içeriği ile katkısız PAN nanofiber filmlere kıyasla çekme mukavemetinin %119 ve kopma uzamasının %266 arttığı belirlenmiştir. Üretilen nanokompozit nanofiber filmler aramid kumaşlar ile birleştirilerek farklı konfigürasyonlarda tabakalı hibrit kompozit zırhlar üretilmiş ve NATO Stanag 2920 standardına göre balistik testleri gerçekleştirilmiştir. Balistik testler sonucunda, nanokompozit nanofiber filmlerin yüksek yüzey alanı/kütle oranları (ortalama fiber çapı: 598 nm) dolayısıyla merminin kinetik enerjisinin dar bir bölgede yoğunlaşmasının önlendiği ve oldukça düşük oranda kütle artışıyla balistik limit hızının (V50) geliştirildiği belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, poly (p-phenylene terephthalamide) (PPTA) polymer, which is frequently used in body armor applications due to its high performance in terms of tensile strength, thermal stability and weight saving, was synthesized. N-butyl PPTA polymer was obtained with the modification of the synthesized PPTA by the N-alkylation reaction in order to eliminate the processing difficulties such as insolubility in common organic solvents and incapability of processing by common thermoplastic processing methods due to the high transition temperature. The chemical structures of the synthesized polymers were confirmed by elemental analysis, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy (13C-NMR) and X-ray diffraction method (XRD), and it was determined that the butyl groups were grafted onto the PPTA chains with the substitution degrees (DS) of 93-96%. N-Butyl PPTA was found to be soluble in some common solvents at room temperature as a result of the solubility tests, added into polyacrylonitrile (PAN) matrix in solution and nanocomposite nanofiber films with different N-butyl PPTA contents were fabricated by the electrospinning method. FTIR analysis showed that hydrogen bonding interactions occurred between the polymer components in the nanocomposite structure. Scanning electron microscopy micrographs demonstrated that the nanocomposite nanofiber films consist of more homogeneous nanofibers without any beady structures and have a narrower diameter distribution compared to the neat PAN nanofiber films. Mechanical tests showed that the tensile strength increased by 119% and the elongation at break increased by 266% with 3% N-butyl PPTA content by mass compared to the neat PAN nanofiber films. The fabricated nanocomposite nanofiber films were combined with aramid fabrics to produce laminated hybrid composite armors in different configurations and the ballistic tests were performed according to the NATO Stanag 2920 standard. The ballistic tests showed that concentration of the kinetic energy of the bullet in a narrow area was prevented due to the high surface area/mass ratio (average fiber diameter: 598 nm) of the nanocomposite nanofiber films and the ballistic limit velocity (V50) was enhanced with a very small mass increase.