Silikon elastomer/sürekli elyaf kompozitlerinde arayüzey yapışmasının ve matris özelliklerinin fonksiyonel nanoparçacıklar ile geliştirilmesi
Improvement of interfacial adhesion and matrix properties in silicone elastomer/continuous fiber composites with functional nanoparticles
Yazar: HÜMEYRA ÇELİK
Danışman: DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmanın amacı, termal kararlılığı, mekanik dayanımı ve yapışma özelliği arttırılmış nanokompozit esaslı silikon kauçuk (SR) formüllerinin geliştirilmesidir. Bu kapsamda silikonun çapraz bağlanması sırasında ağ yapısına doğrudan katılabilecek ve üzerinde bulunan polar ve/veya reaktif gruplar sayesinde takviye edici Kevlar ve Rayon elyaflar ile fiziksel veya kimyasal etkileşimde bulunabilecek Poli(hedral oligomerik silseskuiokzan) (POSS) nanoparçacık türleri (oktavinil-POSS, metakril-POSS ve oktamaleamik asit-POSS) kullanılmıştır. Ayrıca, halihazırda kullanılan ve toksik etkileri bilinen resorsinol formaldehit lateks (RFL) ile sağlanan elyaf/elastomer matris yapışmasının, çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz bir etkisi olmadığı bilinen POSS'larla sağlanması hedeflenmiştir. Çalışmada POSS türünün yanı sıra, POSS yükleme oranı, takviye edici elyaf türü, elyafın RFL ile kaplanmış veya kaplanmamış olması, silika ve peroksit miktarı ve harmanlama süreci değişken olarak ele alınmıştır. SR harmanları dahili karıştırma ve basınçla kalıplama üretim teknikleri kullanılarak hazırlanmıştır. Harmanların ısıl, reolojik, mekanik ve morfolojik özellikleri POSS türü ve yükleme oranının fonksiyonu olarak incelenmiştir. Elyaf/matris yapışma performansının belirlenmesi için H-yapışma testi uygulanmıştır. Bununla birlikte, elyaf/matris arayüzey etkileşimi temodinamik yapışma işi hesaplamaları ile de belirlenmiş ve H-yapışma değerleri ile termodinamik yapışma işi arasında korelasyonlar tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlardan, POSS'ların %50 gerilme modülü ve Young Modülü gibi mekanik özellikleri ve termal dayanımı iyileştirdiği görülmüştür. POSS türünden bağımsız olarak taneciklerin SR matris içinde nanometre seviyesinde homojen olarak dağıldığı gözlemlenmiştir. Diğer yandan, yüksek yükleme oranlarında oktavinil-POSS ve metakril-POSS içeren SR kompozitlerinin H-yapışma kuvveti referansa kıyasla 3 kat artmış, hatta RFL ile kaplanmış elyaflarda elde edilen yapışma değerleri RFL kullanılmadan POSS'lar varlığında elde edilebilmiştir. Ayrıca oktavinil-POSS ve metakril-POSS nanokompozitleri için H-yapışma kuvveti ile termodinamik yapışma arasında kuvvetli bir korelasyon bulunmuştur.

Abstract:
The aim of this work is to develop nanocomposite based silicon rubber (SR) formulations with improved thermal stability, mechanical strength and interfacial adhesion to reinforcing fibers such as Kevlar and Rayon. For this purpose, different poly(hedral oligomeric silsesquioxane) (POSS) nanoparticle types (octavinyl-POSS, methacryl-POSS and octamaleamic acid-POSS) were used. Three POSS particles were able to join to peroxide vulcanization of SR and also able to chemically or physically interact with the reinforcing fibers of Kevlar and Rayon due to having polar and/or reactive groups on the POSS structure. Moreover, it is also aimed to replace resorsinol formaldehyde latex (RFL) application onto fibers to promote interfacial adhesion by using adhesion enhancer POSS particles in the matrix, since RFL has negative environmental effects and toxicity. In addition to POSS types, POSS loading level, RFL coated or uncoated reinforcing fiber types (i.e Kevlar or Rayon), compounding process conditions, silica and peroxide content and crosslinking process conditions were handled as experimental parameters. SR compounds were prepared by using conventional Banbury mixing and compression molding processes. The thermal, rheological, mechanical and morphological properties of the compounds were investigated. The fiber/matrix adhesion was examined by H-adhesion tests. Besides, fiber/matrix interfacial interactions were determined by thermodynamic work of adhesion (TWA) approach. The correlations between H-adhesion values and the TWA were studied to understand the adhesion mechanism. Mechanical and thermal tests revealed that Young modulus, modulus at 50% elongation and thermal stability of the composites were improved in the presence of POSS particles. Dispersion of POSS particles were homogeneous at nano-scale level in SR matrix. The H-adhesion values of octavinyl-POSS/SR and methacryl-POSS/SR with reinforcing fibers were increased 3 times with respect to reference recipe. It was shown that O-POSS and M-POSS can be used in the SR matrix as adhesion promoter instead of RFL coating onto the fibers. Besides, a strong correlation between H-adhesion and TWA was obtained for octavinyl-POSS/SR and methacryl-POSS/SR composites with reinforcing fibers composites.