Reaktif ekstrüzyon yöntemiyle polipropilen/fonksiyonel kopolimer/organik montmorillonit kil nanomalzemelerin hazırlanması
Preparation of polypropylene/functional copolymer/organo-montmorillonite clay nanomaterials by reactive extrusion
Yazar: EREN ALTUNGÖZ
Danışman: PROF. DR. ERDOĞAN ALPER ; PROF. DR. M. O. ZAKİR RZAYEV
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışma; poliolefin (özellikle i-PP) çift yönlü gerdirilmiş nanofilmlerin, toksik ve uçucu monomerleri graftlama ajanları olarak kullanmaksızın hazırlanması için temiz bir teknolojik işlem geliştirmek adına yürütülen bir yaklaşımdır. Araya eklenmiş ve pul pul dökülmüş polimer katmanlı silikat mikro-kompozitleri (masterbacths) ve nano-kompozit filmler sırasıyla izotaktik polipropileni (i-PP) matris polimeri olarak, poli (maleik anhidrit-alt-1-octadecene) poli (MA-alt-OD) ve PP-g-MA'yı uyumlaştırıcı olarak, oktadesil amin-montmorillonit (ODA-MMT) ve dimetil didodesil amonyum-MMT (DMDA-MMT)'i reaktif ve reaktif olmayan nano-dolgu (nanofillerler) maddeleri olarak kullanan, bununla birlikte PP-g-MA/organokil karışımlar (5, 10 ve 20 ağırlık yüzdesi) kullanan reaktif ekstrüzyonla (çift yönde gerdirilmiş film oluşturucu birim ya da granülatör ile desteklenmiş 21 mm Rondol çift vidalı bileşik oluşturucu dizi) eriyik içerisinde hazırlanmıştır. i-PP esaslı silikat katmanlı nanokompozitleri tasarlamak ve sentezlemek için aşağıdaki formülasyonları içeren iki yaklaşım geliştirdik: (1) i-PP/ PP-g-MA?O-MMT kil karışımlar ve (2) i-PP/PP-g-MA/poli (MA-alt-1-octadecene)/O-MMT kil nanokompoziti. Birinci yaklaşım çift yönde gerdirilmiş film oluşturucu birim ile desteklenmiş çift vidalı ekstrüzyon sistemi kullanan iki basamaklı eriyik karıştırma ile hazırlanan PP esaslı mikro ve nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonunu içermektedir. Birinci basamak, farklı karışımlarla PP-g-MA?DMDA-MMT kil karışımlarının hazırlanmasını içermektedir. İkinci bir yaklaşım çeşitli i-PP/PP-g-MA-DMDA-MMT karşım bileşimlerinin karışım haline getiren eriyiği içermektedir. Yapı-özellikler (MFI, termal davranış ve morfoloji) ilişkileri ve organokilin etkisi ile iç plastikleştirici uyumlaştırıcı içeriği FTIR, XRD, DSC-TGA ve SEM analiz metotları ile incelenmiştir. Fonksiyonel kopolimerin silikat katmanları arasında kompleks oluşumu ve anhidrit birimlerinin sırasıyla amonyum katyon ve organokillerin birincil amin grupları ile olan amidizasyon reaksiyonları ile ilerlediği ve ayrıca fonksiyonel kopolimer-uyumlaştırıcının yan-zincirindeki uzun alkil (C15H31) grupları da nanofilmlerin işlenmesi ve oluşumunda iç plastikleştirmede rol almakta olduğu gösterilmiştir. Elde edilen ısısal özellikler, XRD parametreleri ve nanofilmlerin yüzey morfolojisi; bu önemli karakteristiklerin büyük ölçüde reaktif polimer karışımları ve organokillerin kimyasal yapıları ile fonksiyonel kopolimer reaktif uyumlaştırıcısı bileşimine bağlı olduğunu göstermektedir.

Abstract:
This work is an approach to develop a green technological process for the preparation of polyolefin (especially i-PP) biaxially oriented nanofilms without utilization of toxic and volatile monomers as grafting agents. Intercalated and exfoliated polymer layered silicate micro-composites (masterbacths) and nano-composite films were prepared in melt by reactive extrusion (21 mm Rondol twin-screw compounding line supported with biaxially oriented film-forming unit or granulator) using isotactic polypropylene (i-PP) as a matrix polymer, poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene) (poly(MA-alt-OD) and PP-g-MA as compatibilizers, octadecyl amine-montmorillonite (ODA-MMT) and dimethyldidodecyl ammonium-MMT (DMDA-MMT) as reactive and non-reactive nano-fillers, respectively, as well as PP-g-MA/organoclay masterbaths (5, 10 and 20 wt.%). To design and synthesize i-PP based silicate layered nanocomposites we have developed two approaches involving the following formulations: (1) i-PP/ PP-g-MA?O-MMT clay masterbaths and (2) i-PP/PP-g-MA/poly(MA-alt-1-octadecene)/O-MMT clay nanocomposite. The first approach involves synthesis and characterization of PP based micro- and nano-composites prepared by two step melt compounding using twin-screw extrusion system supported with biaxially oriented film-forming unit. A first step includes preparation of PP-g-MA?DMDA-MMT clay blends (masterbaths) with different compositions. The second approach involves melt compounding the various mixtures of i-PP/PP-g-MA-DMDA-MMT blend. The structure?properties (MFI, thermal behavior and morphology) relationships and effect of organoclay origin and content of internal plasticizer-compatibilizer were investigated by FTIR, XRD, DSC-TGA and SEM analysis methods. It was demonstrated that the intercalation/exfoliation of functional copolymer between silicate layers proceeds through complex-formation and amidization reactions of anhydride units with ammonium cation and primary amine groups of organoclays, respectively; side-chain long alkyl (C15H31) groups of functional copolymer-compatibilizer also plays a role on internal plasticization in the processing and formation of nanofilms. Obtained thermal behavior, XRD parameters and surface morphology of nanofilms showe that these important characteristics strongly depend on the composition of reactive polymer blends and chemical structure of organoclays and functional copolymer-reactive compatibilizer.