Polimer nanokompozitlerin özelliklerine değişik nanopartiküllerin etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of various nanoparticles on properties of polymer nanocomposites
Yazar: GÜLŞEN ALBAYRAK ARI
Danışman: PROF. DR. İSMAİL AYDIN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Kalsiyum karbonat = Calcium carbonate ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Polivinil klorür = Polyvinyl chloride ; Reolojik özellikler = Rheologic properties ; Silisyum dioksit = Silicon dioxide

Özet:
Nanoteknolojide katedilen ilerlemeler polimer nanokompozitleri, sanayide ve bilim dünyasında kompozit malzemelere yönelik yapılan çalışmalar arasında önde gelen araştırma konularından biri haline getirmiştir. Polimer matris içerisinde nanopartiküllerin homojen dağılımının sağlanamaması polimer nanokompozitlerin hazırlanmasında karşılaşılan en büyük problemlerden biridir. Nanopartiküllere yüzey modifikasyonu yaparak aşılmaya çalışılan bu problem, bazı ısıl ve mekanik özelliklerde kayıba neden olmaktadır. Bu nedenle, bu tez çalışmasında yüzey modifikasyonu yapılmamış mikro- ve nano-partiküller kullanılarak elde edilen polivinil klorür (PVC) kompozitlerinin özellikleri partikül boyutu bakımından karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.Bu çalışmada, PVC / kalsiyum karbonat (CaCO3) ve PVC/ silisyum dioksit (SiO2) mikro ve nano-kompozitleri farklı partikül boyutlu dolgu maddeleri kullanılarak, tork reometresinde eriyik harmanlama yöntemi ile hazırlanmış ve kompozitlerin erime, reolojik, mekanik ve ısıl özellikleri incelenmiştir. Dolgu maddesi olarak 40 nm, 290 nm, 1.9 µm ve 3 µm ortalama partikül büyüklüğüne sahip yüzey modifikasyonu yapılmamış dört çeşit CaCO3 ve 25 nm, 250 nm, 1 µm ve 1.5 µm ortalama partikül büyüklüğüne sahip yüzey modifikasyonu yapılmamış dört çeşit SiO2 kullanılmıştır. Ayrıca aluminyum hidroksitin (ATH), PVC mikro- ve nano-kompozitlerinin ısıl özelliklerinde ve hidrojen klorür (HCl) eliminasyonunda meydan getirdiği değişimlerin belirlenmesi için ATH katkı maddesi olarak kullanılmıştır.Hazırlanan kompozitlerin özellikleri tork reometresi, taramalı elektron mikroskopu (SEM), termogravimetrik analiz (TGA) ve mekanik test cihazı (universal testing machine) ile incelenmiştir. Ayrıca örneklerin yoğunlukları ve HCl eliminasyonları belirlenmiştir.Eriyik harmanlamanın gerçekleştirildiği tork reometresinde tork değişimleri ayrıntılı olarak incelenerek kompozitlerin erime özellikleri belirlenmiş ve tork reometresinin tanımlanmış geometrisi için belirlenmiş denklem ve veriler kullanılarak çeşitli reolojik özellikleri hesaplanmıştır. Kompozitlerin erime süresinin ve sıcaklıklarının her iki tür dolgu maddesi için de partikül boyutunun düşmesi ile azaldığı ancak erime ve denge tork değerlerinin arttığı tespit edilmiştir. PVC kompozitlerinin tork reometresinden yararlanarak hesaplanan viskozite-kesme hızı ve kesme gerilimi-kesme hızı ifadelerinden bütün kompozitlerin pseudoplastik davranış gösterdiği, her iki tür dolgu maddesi için de partikül boyutunun düşmesi ile kompozitlerin power law indeks değerlerinin arttığı en küçük partikül boyutuna sahip dolgu maddelerini içeren Ca-40 ve Si-25 nanokompozitlerinin bu duruma uymadıkları tespit edilmiştir.Kompozitlerin SEM ile gerçekleştirilen yapı analizlerinde dolgu maddelerinde yüzey modifikasyonu olmamasına rağmen az miktarda agregat/küme oluşumu ile iyi bir partikül dağılımı gerçekleştiği tespit edilmiştir. Ortalama partikül boyutu 40 nm olan CaCO3 ve 25 nm olan SiO2'i içeren PVC/CaCO3 ve PVC/SiO2 nanokompozitlerinde diğer kompozitlere oranla daha büyük ve daha fazla miktarda agregat/küme oluştuğu gözlenmiştir. Kompozitlerin mekanik özelliklerinde partikül türü, boyutu ve polimer matris içinde dağılımına bağlı olarak değişimler gözlenmiştir. Saf PVC ile karşılaştırıldığında, CaCO3 ilavesinin çekme dayanımını % 10±2 oranında arttırdığı ve CaCO3 ortalama partikül boyutunun dayanımı fazla değiştirmediği gözlenmiştir. SiO2 partiküllerinin ise partikül boyutuna bağlı olarak çekme dayanımını % 10 oranına kadar arttırdığı tespit edilmiştir. CaCO3 ve SiO2 kullanımının kopma uzaması ve elastik modülü değerini yükselttiği, genel olarak kullanılan CaCO3 ve SiO2 partiküllerinin ortalama partikül boyutunun düşmesi ile kopma uzamasının azaldığı ve elastik modülünün arttığı tespit edilmiştir.Kompozitlerin ısıl özelliklerinin dolgu maddesi ortalama partikül boyutunun düşürülmesi ile iyileştiği tespit edilmiştir. HCl eliminasyon testlerinde, PVC/SiO2 kompozitlerinin HCl eliminasyon miktarlarında meydana gelen düşmenin PVC/CaCO3 kompozitlerine göre daha fazla olduğu ve her iki tür dolgu maddesi içinde ortalama partikül boyutunun küçülmesi ile bu düşüş miktarında artış meydana geldiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Improvements in the nanotechnology have made the ?polymer nanocomposites? to be the prominent research topics amongs the composite material research in the industry and academia. The homogenous dispersion of nanoparticles in a polymer matrix is one of the major problem encountered during the preparation of the polymer nanocomposites. To overcome this problem by surface modification of nanoparticles leads to decrease in some thermal and mechanical properties of polymer nanocomposites. Hence, in this thesis study, properties of PVC composites prepared with micro- and nano-particles without surface modification investigated comparatively with regard to particle size.In this study, polyvinyl chloride (PVC)/calcium carbonate (CaCO3) and PVC/silisium dioxide (SiO2) micro- and nano-composites were prepared by melt processing method in a torque rheometer by using different particle sizes of fillers and fusion, rheological, mechanical and thermal properties of the composites were investigated. Four kinds of CaCO3 with an average particle size of 40 nm/290 nm/1.9 µm/ 3 µm and four kinds of SiO2 with an average particle size of 25 nm/250 nm/1 µm/ 1.5 µm were used as fillers and all of the fillers had no surface treatment. In addition, aluminum hydroxide (ATH) were used as an additive to determine the effects on the thermal properties and HCl elimination of PVC micro- and nano-composites.The properties of the as-prepared polymer nanocomposites were investigated by using torque rheometer, scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetry analysis (TGA) and universal tensile test machine. And also, density and HCl elimination of composites were determined.Fusion properties of the composites were determined by analyzing the change of torque in the torque rheometer ,in which melt blending was done. The various rheological units calculated by using equation and data depending on the given geometry of rheometer. It was found that the fusion time and temperature of composites decreased with decreasing the average particle size of each fillers, but in contrast fusion torque and melt torque values increased. For all composites, pseudoplastic behavior observed from the viscosity-shear rate and shear stress-shear rate changes calculated from torque rheometer. It was also determined that power law index values of these composites increased with decreasing the average particle size of fillers except Ca-40 and Si-25 nanocomposites including the smallest particle size of each fillers.It was seen from the SEM analysis of the nanocomposites that the particles were well dispersed accompanied with formation of little aggregate/clustere in the PVC matrix despite of no surface modification of filler. And also, it was observed that the CaCO3 particles with particle size of 40 nm and the SiO2 particles with particle size of 25 nm were more aggregated or bigger clustered than other kinds of fillers. The tensile test illustrated that the mechanical properties of the composites changed according to particle type, size and dispersion in the polymer matrix. Compared with pure PVC, the addition of CaCO3 to composites increased the tensile strength in about 10±2 % and it was seen that the particle size of CaCO3 don?t effect the tensile strength for these composites. In case SiO2 particle, the tensile strength increased up to 10 % with regard to pure PVC according to the particle size of SiO2. Elastic modulus and elongation at break increased with both addition of CaCO3 and SiO2 and generally the decrease in the particle size of these fillers resulted with the increase in the elastic modulus and the decrease in the elongation at break.It was found that thermal properties of composites were enhanced with decreasing the average particle size of fillers. The decrease of HCl elimination amount of PVC/SiO2 composites were more than PVC/CaCO3 composites and this decrease increased with decreasing the particle size of each fillers.