Polipropilen/montmorillonit esaslı polimer/kil nanokompozitlerinde dolgu-matriks etkileşiminin iyileştirilmesi
Modification of filler-matrix interactions in polypropylene/montmorillonite based polymer/clay nanocomposites
Yazar: FATMA ZENGİN
Danışman: PROF. DR. OLGUN GÜVEN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Işınlama = Irradiation ; Montmorillonit = Montmorillonite ; Polipropilen = Polypropylene

Özet:
Polimer/kil nanokompozitleri, düşük kil ilavesinde polimerin mekanik, termal, geçirgenlik gibi özelliklerinde değişiklikler olmasını sağlayan yeni nesil kompozit malzemelerdir. Bu çalışmada polipropilen/montmorillonit nanokompozitleri eriyik halde harmanlama yöntemi ile kesikli tip karıştırıcı kullanılarak hazırlanmıştır. İki farklı eriyik akış indeksine sahip polipropilen matriks olarak, maleik anhidrit aşılanmış polipropilen (PP-g-MAH) ve ışınlama/ozonlama sonucu oksidasyonun sağlandığı polipropilen granüller uyumlaştırıcı, modifiye olmamış halde bulunan kil (Na+ montmorillonit, MMT) ise dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. Amaç, değişik uyumlaştırıcılarla kil-polimer etkileşimlerinin, polimerin mekanik özelliklerine etkisini incelemektir. İlk olarak PP/kil örnekleri hazırlanarak polimer yapıya kilin tek başına olan etkisi incelenmiştir. Daha sonra 5kGy-10kGy-20kGy ışınlanarak hazırlanan polipropilenlerin uyumlaştırıcı olarak PP/kil nanokompozitlerine etkisi gözlenmiş ve uyumlaştırıcı etki yaratmada en uygun ışınlama dozu 10 kGy olarak belirlenmiştir. Bu dozda polipropilende oluşturulan karbonil grubu kadar karbonil içerecek polipropilenler farklı sürelerde ozonlanmış ve uygun ozonlama süresi FTIR-ATR spektroskopisi yöntemi ile 360 dak. olarak belirlenmiştir. Ayrıca UV/görünür bölge yansıma ölçümleri film haline getirilen örneklerde yapılarak görünür bölgede çok büyük değişiklik olmadığı gözlenmiştir.Belirli nanokompozitlerin nano yapıları SAXS (Küçük Açı X-ışını Saçılması), ve PALS (Pozitron Yok olma Ömrü Spektroskopisi) yöntemi ile karakterize edilmiştir. PALS da polimerin kristalin bölgelerdeki boşluklarının kil eklenmesi ile hem sayılarının hem de boşluk yarıçapının azaldığı gözlenmiştir. Matriks ile kil etkileşimi sonucu zincir hareketliliği azalarak serbest hacim konsantrasyonunu azalttığı şeklinde yorumlanabilir. SAXS analizlerinde nano oluşumların birbirlerine olan uzaklıkları, dağılımları, ortalama büyüklükleri ve kalınlıkları tespit edilmiş ve kil eklenmesi ile yeni nano oluşumların olmadığı kil tabakalarının polimer matriksine homojen bir şekilde dağıldığı görülmüştür. XRD (X-Işını Kırınımı) yöntemi ile kil tabakalarının matriks içerisindeki dağılımı incelenmiştir.Polipropilenin erime sıcaklığı ve kristalinitesinin belirlenmesi için yapılan DSC analizlerinde kil ilavesinin heterojen çekirdeklenme etkisinden dolayı PP'nin kristalinitesini artırdığı ancak erime sıcaklığını değiştirmediği tespit edilmiştir.Nanokompozitlerin çekme deneyleri yapılarak kil ilavesinin ve uyumlaştırıcıların PP'nin mekanik değerlerine etkisi incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonucu düşük eriyik akış indeksine sahip PP'nin PP/10kGyPP/MMT nanokompozitlerinde %1 MMT eklenmesiyle E-modülüs değerinde % 26, mukavemet değerinde ise % 8 artış gözlenmiştir.

Abstract:
Polymer/clay nanocomposites are new generation materials that make changes in mechanical, thermal and permeation properties by low clay loading. In this study, polypropylene/montmorillonite nanocomposites were prepared by melt intercalation method by using batch type mixer. Two polypropylene samples with different melt flow indexes are used as the matrix, maleic anhydride grafted polypropylene (PP-g-MAH), and polypropylene granules oxidized by radiation/ozone are used as compatibilizer and unmodified clay (Na+ montmorillonite, MMT) as the filler. Aim of this study is to examine the effect of different compatibilizers in the mechanical properties of polypropylene composite. Firstly, PP/clay samples were prepared and the effect of clay was examined, then 5, 10, 20kGy oxidized polypropylenes were used as compatibilizer and, 10 kGy was determined to be the most suitable irradiation dose for the best compatibilizing effect. Polypropylene granules were ozonated until they contained carbonyl groups equivalent to 10kGy oxidized PP, which was checked by FTIR-ATR spectroscopy. UV-visible reflectance measurements were also made on film samples and no significant changes were observed in visible region.Nano structures of some nanocomposites were characterized by SAXS (Small Angle X-ray Scattering) and PALS (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy). In PALS, the addition of clay was observed to decrease the number of free volume holes and free volume hole radia. In SAXS analysis, forms of nano structures, pair distance distribution, average size, thickness, and correlation length were determined and new nano formations were not observed by the addition of clay. Clay layers were observed to be dispersed uniformly in the matrix. The dispersion state of MMT within polymer matrix was analyzed by XRD (X-ray diffraction).DSC (Diffrential Scanning Calorimetry) analysis was used to determine the melting temperature and crystallinity of polypropylene nanocomposites. The addition of clay increased the crystallinity of polymer but melting temperature of polymer didn?t change. It can be explained by heterogeneous nucleus effect of clay.Tensile tests were made and the effect of the addition of clay and compatibilizers investigated. At low melt flow index PP, 1% MMT of PP/10kGyPP/MMT nanocomposite has an increase in E-modulus 26% and in tensile strength 8%.