Farklı montmorillonit tipi killer kullanılarak polianilin nanokompozit sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of polyaniline nanocomposites by using different types of montmorillonite clay
Yazar: SAKİNE KARAGÖZ KAPLANER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. RAMAZAN KIZIL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Montmorillonit = Montmorillonite ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polianilin = Polyanilines ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Bu çalışmada, kimyasal oksidatif polimerleşme yöntemi kullanılarak polianilin sentezlenmiş ve yine aynı yöntem ile nano-kil (Montmorillonit, MMT) dolgu maddesi kullanarak, yerinde (in-situ) polimerleşme ile Polianilin-Kil nanokompozitleri hazırlanmıştır.Hazırlanan nanokompozitlerin spektral, ısıl, elektriksel ve biçimsel özellikleri incelenmiştir.FTIR sonuçları sentezlenen ürünün polianilinin iletken formu olan emeraldin olduğunu göstermiştir. Kil kullanılarak oluşturulan yapının literatürle uyumlu olarak, PAni-MMT karışımı değil, PAni MMT nanokompoziti olduğu belirlenmiştir.XRD bulgularına göre; Cloisite® 20A ve Viscobent SB3 karşılaştırıldığında, teorik olarak %3, 5 ve 10 oranlarında Cloisite® 20A içeren numuneler için tabakalar arası açıklık çok az da olsa daha fazladır. Bu da kil polimer etkileşiminin daha fazla olduğunu göstermektedir. Ayrıca, Cloisite® Na+'nın hidrofilik yapısı nedeni ile polimerin organik yapısı arasındaki etkileşimin az olması sonucunda Cloisite® Na+ için tabakalar arası açıklık oldukça az artmıştır. %1 Viscobent SB3 içeren örnekte ise kil piki kaybolmuştur. Bu da bu yapının karışık yapı olarak da isimlendirilen dağılmış-yapraklanmış (intercalated-exfoliated; I-E) yapı olduğunu göstermektedir.SEM görüntüleri incelendiğinde, organik grupla modifiye edilen nanokillerle hazırlananan nanokompozitlerin, saf nano-kil olan Na-MMT ile hazırlanan nanokompozitlere göre polianilinle daha iyi etkileşmiş olduğu görülmektedir. Sonuçlar XRD ve TGA sonuçları ile de desteklenmektedir.Polianilin ve polianilin kil nanokompozitlerine ait UV/Görünür bölge spekrumları incelendiğinde, kil içeren kompozitler için çok belirgin olmasa da, benzenoid yapısından quinoid halkaya elektron geçişinden kaynaklanan pikte maviye kayma görülmüştür. Bu kayma, kompozit malzemelerde bulunan PAni konjüge zincirinin azalmasından dolayı meydana gelmektedir. Ayrıca, ilave edilen kil miktarına bağlı olarak, ?-?* geçişinden kaynaklanan pikte görülen yayvanlaşma (şiddetinde azalma), ?son grup etkisi? nedeniyle, ?-?* geçiş birimi miktarının azalmasından kaynaklanmaktadır.Sentezlenen saf Polianilinin iletkenliği, doplanmamış halde iken 1,4x10-2 S/cm olarak bulunmuştur. Elektriksel iletkenliğin kil ilavesi ile azaldığı görülmektedir. Organik olarak modifiye edilmiş killer ile modifiye edilmemiş, saf Na-MMT içeren PAni-MMT nanokompozitlerinin elektrik iletkenliği karşılaştırıldığında organik modifiyeli kil içeren PAni-MMT'lerin az da olsa daha yüksek iletkenlik verdiği görülmektedir.DTA eğrileri incelendiğinde, kullanılan kil miktarı arttıkça, numunelerin ısıl dayanımlarının da arttığı görülmüştür. Nanokompozitlerin ısıl bozunması üç aşamada tamamlanmıştır. Sonuçlardan MMT nanotabakaların, ısıl bozunmaya karşı bir bariyer görevi görmesi nedeniyle, polimer matrisinin ısıl dayanımını artırdığı görülmektedir. Ayrıca ilave edilen kil miktarı ile polimerleşme verimi düşmüştür. TGA sonrası kalan MMT miktarları göz önüne alınarak içerdiği gerçek % MMT miktarları hesaplanmıştır. Organik modifiye edici içermeyen Cloisite® Na+'nın polimer ile iyi etkileşmediği söylenebilir.

Abstract:
In present study polyaniline (PAni) was synthesized by using chemical oxidative polymerization, and then, polyaniline-nanoclay nanocomposites were prepared by using in-situ polymerization method in the presence of montmorillonite, MMT nanoclay that acted as a filling material. The spectral, thermal, electrical and morphological properties of the nanocomposites were investigated.FTIR results showed that the synthesized product was the emeraldine, conductive form of polyaniline. The structures containing clay were found out to be PAni-MMT nanocomposites instead of PAni-MMT blends.XRD results showed that, when Cloisite® 20A and Viscobent SB3 were compared, the nanocomposites which contained theoritically 3%, 5% and 10% Cloisite® 20A d spacing was larger that those of Viscobent SB3. This meant that the interaction between the clay-polymer was stronger. For Cloisite® Na+, increase in d spacing was very low due to the hydrophilic structure of the aforementioned clay. The clay peak was disappeared for the samples containing 1% Viscobent SB3. That result showed that the structure of the nanocomposite was intercalated-exfoliated; I-E.SEM views showed that the interaction between the polymer and clay was stronger in the nanocomposites which were prepared by using modified clay when compared with that of unmodified clay. These results supported by the XRD and TGA results.When the UV/Vis spectra of the polyaniline and the polyaniline-clay nanocomposites were investigated, it was seen a blue shift (very slightly) due to the electron transfer from benzenoid structure to the quinoid ring for the nanocomposites. This result showed that congugated structure found in the PAni chain decreased in presence of the clay. Also with the increasing clay content, the peak which came from the ?-?* transfer became wider (decrease in the amplitude) due to the end group effects.The conductivity of the undopped polyaniline was found to be 1.4x10-2 S/cm. The electrical conductivity decreased with the increasing amount of clay in the nanocomposites. Nanocomposites which were prepared by using modified clay showed slightly higher conductivity than those prepared by using unmodified clay.When DTA curves were examined, it was seen that the thermal stability of the samples increased with the increasing clay contents. The degradation of nanocomposites was completed in three stages. The results showed that MMT nano-sheets were able to improve the thermal stability of the polymer matrix since they behaved as a barrier against thermal degradation. However, inreasing clay content decreased the polymerization yield. MMT content percentage of the nanocomposites was calculated from the DTA results. According to these results, it was found that interaction between the Cloisite® Na+ which was not modified with any organic groups and polyaniline was not good enough.