Yerinde emülsiyon polimerizasyonu yöntemi kullanılarak grafen oksit katkılı polimer nanokompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of graphene oxide reinforced polymer nanocomposites via in situ emulsion polymerization
Yazar: EZGİ UÇAR
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HALE BERBER YAMAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Emülsiyon polimerleşmesi = Emulsion polimerization ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Polimer nanokompozitler, benzersiz elektriksel, ısıl, mekanik ve optik özellikleri nedeniyle yaygın olarak yapı, ambalaj, elektronik, taşımacılık malzemeleri ve tüketici ürünleri gibi çok farklı alanlarda kullanılırlar. Karbon esaslı tabakalı bir nano malzeme olan grafen oksit (GO), polimer kompozitlere sağladığı üstün fiziksel, mekanik, termal, elektriksel, bariyer ve alev geciktiricilik özelliklerinden dolayı son yıllarda tüm dünyada giderek artan bir ilgiye sahiptir.

Bu çalışmada, yerinde emülsiyon polimerizasyonu tekniği kullanılarak GO ve poli(metil metakrilat-ko-bütil akrilat) polimer matris içerikli su bazlı nanokompozitler üretildi. GO içeriğinin nanokompozitlerin koloidal ve film özellikleri üzerindeki etkisi incelendi. Nanokompozitlerin su bazlı lateksleri; zeta potansiyeli, tanecik boyutu ve tanecik boyut dağılımı ölçümlerini içeren çeşitli yöntemler ile karakterize edildi. Bu latekslerden elde edilen filmlerin özellikleri; fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), termogravimetrik analiz (TGA), diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve mekanik test analizleri ile incelendi.

Sentezlenen poli(MMA-ko-BuA)/GO nanokompozitleri için en etkili GO konsantrasyonunun polimer matrisin ağırlığının % 1'i olduğu sonucuna ulaşıldı. Bu ağırlık oranına sahip GO nano tabakaları kullanıldığında saf kopolimer lateksin zeta potansiyel değeri -44 mV'tan -85 mV'a artarak iyi koloidal kararlılık gösterirken ortalama tanecik boyutu değeri ise 39.7 nm'den 92.0 nm'ye yükseldi. Ayrıca GO nano tabakalarının varlığı, saf kopolimerin maksimum bozunma sıcaklığını 10 oC, camsı geçiş sıcaklığının (Tg) ise 5 oC artmasını sağladı. Diğer taraftan GO tabakalarının varlığı kopolimerin mekanik özelliklerini düşürdü. Nanokompozitler kendi içlerinde kıyaslandığında ise, düşük GO oranlarının mekanik özellikler üzerinde etkili olmadığı, yüksek GO oranına ve homojen dağılıma sahip nanokompozitlerin (GO-1 ve GO-1.5) daha iyi bir mekanik dayanım gösterdiği görüldü.

Abstract:
Polymer nanocomposites are widely used in many different fields such as building, packaging, electronics, transport materials and consumer products due to their unique electrical, thermal, mechanical and optical properties. Graphene oxide (GO), a carbon-based layered nano material, has a growing interest all over the world in recent years and provide superior physical, mechanical, thermal, electrical, barrier and flame retarding properties to polymer matrix.

In this study, waterborne nanocomposites consisting of grapheme oxide (GO) and poly(methyl methacrylate-co-butyl acrylate) polymer matrix were produced using in situ emulsion polymerization technique. The effects of the GO content on colloidal and film properties of the nanocomposites were examined. For water based latex forms of the nanocomposites were characterized by various methods including zeta potential, particle size and particle size distribution analyses. The properties of the films obtained from these stable latexes were examined by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscope (SEM) and mechanical test analyses.

The most effective GO concentration for the synthesized poly (MMA-co-BuA) / GO nanocomposites was found to be 1 wt% of the polymer matrix. When GO nanosheets were used in this weight ratio, zeta potential value of the pure copolymer latex rose from -44 mV to -85 mV, indicating good colloidal stability, and also its mean particle size value increased from 39.7 nm to 92.0 nm. In addition, the presence of GO nanosheets increased by 10 oC the maximum decomposition temperature of the pure copolymer and also by 5 oC the glass transition temperature (Tg). On the other hand, they reduced the mechanical properties of the neat copolymer. When the nanocomposites were compared within themselves, it was observed that the low GO ratios were not effective on the mechanical properties and the nanocomposites (GO-1 and GO-1.5) with high GO ratio and homogeneous distribution showed better mechanical strength.