Nanokil-polimer kompozitlerinin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nanoclay-polymer composites
Yazar: SADIK ERDEM YALÇINKAYA
Danışman: PROF. DR. AYLA ÇALIMLI
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Polimer-kil nanokompozitleri, özellikle 2000 yılından sonra önemi anlaşılmış en yeni kompozit türlerinden biridir. Bu tip kompozitlerde dağıtıcı faz olarak polimerler kullanılmaktadır. Killer ise destek maddesi görevini üstlenmektedirler. Bu iki farklı yapı birleştirilerek, normal polimerlere göre daha üstün fiziksel ve kimyasal özeliklere sahip yeni yapılar elde edilmektedir. Polimer-kil nanokompozitleri, klasik polimerlere oranla daha yüksek sıcaklıklara dayanmaktadır. Ayrıca darbe dayanımı gibi fiziksel özeliklerinde de iyileşmeler sağlamaktadır. Bu kompozitler, sanayide ve günlük yaşamda polimerlerin kullanıldığı her yerde kullanılabilmektedirler.Bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan polimerlerden olan polistirenin, killerle oluşturduğu kompozitleri sentezlenmiş ve karakterizasyonu yapılmıştır.Kompozitlerin sentezi; kilin saflaştırılması ve katyon değişim kapasitesinin (KDK) belirlenmesi, organokil sentezi ve nanokompozit sentezi olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Saf kil kurutularak KDK tayini yapılmış ve organokil sentezinde kullanılmıştır. Kilin KDK değeri ANSI/ASTM C837-76 standardına göre belirlenmiştir. Organokil sentezinde; uzun zincirli (setiltrimetilamonyum bromür-CTAB), kısa zincirli (tetraetilamonyum bromür-TEAB) ve halkalı (benziltrietilamonyum bromür-BTEAB) olmak üzere üç tür yüzey aktif madde kullanılmıştır. Saf kilin ve sentezlenen organokillerin (CTAB-O, TEAB-O, BTEAB-O) tabakalar arası uzaklıkları X-Işını Kırınımı (XRD) analizleri ile belirlenmiştir. Nanokompozit sentezi yerinde (in-situ) polimerizasyonla yapılmış ve kütlece %2, %4 ve %6 kil içeren nanokompozitler; XRD, termogravimetrik analiz (TGA), jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) ve taramalı elektron mikroskobu (TEM) analizleriyle karakterize edilmişlerdir.Kilin KDK değeri 110 meq/100 g kil olarak bulunmuştur. Saf kil, CTAB-O, BTEAB-O ve TEAB-O organokillerinin tabakalar arası uzaklık değerleri sırasıyla 12.55 Å, 20.92 Å, 16.29 Å ve 15.22 Å dur. Son aşamada üç farklı organokil ile de nanokompozit sentezi denenmiş, TEAB-O ve BTEAB-O ile dağılma sağlanamadığı için yalnızca CTAB-O ile nanokompozit sentezlenebilmiştir. XRD sonuçlarında pik gözlenmemesi dağılmış yapıyı göstermektedir. TEM fotoğrafları da bu sonucu doğrulamaktadır. GPC sonucunda saf polistiren ve kütlece %2, %4 ve %6 kil içeren nanokompozitlerdeki polistirenin molekül kütleleri sırasıyla 32000 g/mol, 26000 g/mol, 35000 g/mol ve 29000 g/mol bulunmuştur. Bu sonuç kil miktarının, kompozit içindeki polimerin molekül kütlesini önemli ölçüde etkilemediğini göstermektedir. TGA analizleri sonucunda, saf polistiren ve kütlece %2, %4 ve %6 kil içeren nanokompozitlerin %50 kütle kaybı sıcaklıkları sırasıyla 403ºC, 417ºC, 424ºC ve 432ºC bulunmuştur.

Abstract:
Polymer-clay nanocomposites are one of the newest composite types, which its importance is came out especially after 2000. Polymers are used as matrix in these types of composites and clay minerals act as reinforcement material. By combining these two different structures, new materials can be synthesized which have better physical and chemical properties according to the normal polymers. Polymer-clay nanocomposites can withstand higher temperature than normal polymers. Additionaly, physical properties such as impact resistance can be improved. These composites can be used in daily life and industry where polymers are used..Polystyrene is one of the most commonly used polymers and in this study, synthesis and characterization of polystrene-clay nanocomposites were done.Synthesis of composites were done in three steps which are; purification and cation exchange capacity (CEC) determination of clay, organoclay synthesis and nanocomposite synthesis. Pure clay was dried, its CEC is detemined and than used in organoclay synthesis. CEC determination was done as written in ANSI/ASTM C837-76 standard. In organoclay synthesis; three types of surfactants were used which are long chained (cethyltrimethylammonium bromide-CTAB), short chained (tetraethylammonium bromide-TEAB) and ringed (benzyltriethylammonium bromide-BTEAB) surfactants. Gallery distances of pure clay and organoclays (CTAB-O, TEAB-O, BTEAB-O) were calculated by X-Ray Diffraction (XRD) analysis. Nanocomposite synthesis were done by in-situ polymerization. Composites; which contain %2, %4 and %6 clay by mass were characterized by XRD, thermogravimetric analysis (TGA), gel permeation chromatography (GPC) ve transmission electron microscope (TEM).CEC of clay is 110 meq/100 g clay. Gallery distances of pure clay, CTAB-O, BTEAB-O and TEAB-O were 12.55 Å, 20.92 Å, 16.29 Å and 15.22 Å, respectively. At the last stage, nanocomposite synthesis were tried with all three organoclays but polystyrene-clay nanocomposite were succesfully sythesized with only CTAB-O organoclay because of the other organoclays? lack of dispersion in styrene matrix. Absence of peaks in XRD results indicated the exfoliated structure. TEM images also confirmed this result. Molecular weight of pure polystyrene and polystyrene in the composites containing %2, %4 and %6 clay by mass was found 32000 g/mole, 26000 g/mole, 35000 g/mole and 29000 g/mole, respectively by GPC. This result showed that the amount of clay in the composites did not have a significant effect on the molecular weight of polystyrene. TGA showed that %50 mass loss temperatures of pure polystyrene and composites containing %2, %4 and %6 clay by mass were found 403ºC, 417ºC, 424ºC and 432ºC, respectively.