Poli (Etilen-ard-maleik anhidrit)/poli (Etilen glikol) karışımı temelli tabakalı silikat nanokompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of poly (Ethylene-alt-maleic anhydride)/poly (Ethylene glycol) blend based layered silicate nanocomposites
Yazar: MUSTAFA LEVENT BOZDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. SERAP KAVLAK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Polimer bazlı nanomalzemelerin önemli bir sınıfı olan polimer/tabakalı silikat nanokompozitleri, dahil edildikleri polimerik malzemelerin yapısal, termal ve mekanik özelliklerinde önemli etkiler sağlayabilmektedir. Fonksiyonel gruplara sahip çeşitli polimerlerin farklı özelliklerdeki diğer polimerler ile hazırlanan karışımları da sahip oldukları yapı-özellikleri, molekül içi ve moleküller arası etkileşimleri ile yeni malzemeler olarak oldukça avantaj sağlamaktadır. Polimer/tabakalı silikat nanokompozitlerin hazırlanmasında polimerler gibi polimer karışımları da kullanılabilmektedir. Böylece yeni ve çok yönlü polimerik nanomalzemeler kolay ve düşük maliyetli bir yöntem ile geliştirilebilmektedir.

Bu çalışmada, fonksiyonel gruplara sahip ve biyomalzeme uygulamalarında kullanılabilmelerine olanak sağlayan önemli özellikleri nedeniyle seçilmiş poli(etilen-ard-maleik anhidrit) (poli(E-ard-MA)) ve poli(etilen glikol) (PEG) polimerleri kullanılarak polimer karışımı/tabakalı silikat nanokompozit malzemelerin hazırlanması ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Poli(E-ard-MA) ve farklı mol kütlelerine sahip PEG ile polimer karışımları ve kütlece %1, %4 ve %8 oranlarında nano malzeme olarak kullanılan organik olarak modifiye edilmiş montmorillonit kili ile polimer karışımı/tabakalı silikat nanokompozitleri çözelti karıştırma ve çözelti dökümü/çözücü uzaklaştırılması yöntemleriyle hazırlanmıştır. Hazırlanan polimer karışımları ve polimer karışımı/tabakalı silikat nanokompozitlerin yapıları ATR-FTIR spektroskopisi ve XRD teknikleriyle incelenmiş ve nanokompozit yapıların oluşumu aydınlatılmıştır. Nanokompozitlerin düşük kil oranında (%1) büyük ölçüde dağılmış yapıda, daha yüksek kil oranlarında (%4 ve %8) ise genel olarak aralanmış tabakalı yapıda olduğu görülmüştür. Nanokompozitlerin kimyasal yapıları ve polimer karışımlarının organik olarak modifiye edilmiş montmorillonit ile etkileşimi/uyumu ise yapılarda bulunan grupların karakteristik bantlarının kapsamlı spektral analiziyle yorumlanmıştır. 

Farklı oranlardaki nano katkının polimer tabakalı silikat nanokompozitlerin termal ve dinamik mekanik özellikleri üzerindeki etkileri TGA, DSC ve DMA teknikleriyle incelenmiştir. Genel olarak nanokompozitlerde termal kararlılığın polimer karışımına oldukça yakın veya daha yüksek olduğu görülmekle birlikte, özellikle 8000 mol kütlesine sahip PEG ile hazırlanmış nanokompozitlerde kil oranlarının artışı ile artan yüksek termal kararlılık gözlenmiştir. Polimer karışımları ve nanokompozitler için erime sıcaklıkları ve entalpi değerleri de karşılaştırmalı olarak yorumlanmıştır. Malzemelerin dinamik mekanik özellikleri ve termal geçişleri çeşitli parametrelerle incelenmiş ve nano katkının etkileri yorumlanmıştır. 

Elde edilen veriler doğrultusunda 8000 mol kütlesine sahip PEG içeren polimer karışımı/tabakalı silikat nanokompozitlerinde polimer karışımları ile kil arasındaki uyumun daha etkili olduğu değerlendirilmiştir. Bu çalışma sonucunda, polimer karışımı/tabakalı silikat nanokompozit yapıların üretimi ve karakterizasyonlarıyla fonksiyonel gruplara sahip yeni nanomalzemeler elde edilmiş, yapısal, termal ve dinamik mekanik özellikleri aydınlatılmıştır.
    
Anahtar Kelimeler: Polimer karışımı, tabakalı silikat, nanokompozit, yapı-özellik ilişkileri, termal özellikler

Abstract:
Polymer/layered silicate nanocomposites, an important class of polymer-based nanomaterials, can provide significant effects on the structural, thermal and mechanical properties of the polymeric materials into which they are incorporated. Blends of various polymers with functional groups prepared with other polymers with different properties provide great advantages as new materials with their structure-properties, intra- and intermolecular interactions. Polymer blends can also be used in the preparation of polymer/layered silicate nanocomposites like polymers. Thus, new and versatile polymeric nanomaterials can be developed with an easy and low-cost method.

In this work, it was aimed to prepare and characterize polymer blend/layered silicate nanocomposite materials using poly(ethylene-alt-maleic anhydride) (poly(E-alt-MA)) and poly(ethylene glycol) (PEG) polymers, which have functional groups and were selected due to their important properties that enable them to be used in biomaterial applications. Polymer blends and polymer blend/layered silicate nanocomposites consisting of poly(E-alt-MA) and PEG with different molecular weights and organically modified montmorillonite clay, used as nanomaterials at 1%, 4% and 8% by weight, were prepared by solution mixing and solution casting/solvent evaporation methods. The structures of the prepared polymer blends and polymer blend/layered silicate nanocomposites were investigated by ATR-FTIR spectroscopy and XRD techniques and the formation of nanocomposite structures was clarified. It was observed that the nanocomposites had a considerably exfoliated structure at low clay percentage (1%), while they generally had an intercalated structure at higher clay percentages (4 and 8%). The chemical structures of the nanocomposites and the interaction/compatibility of polymer blends with organically modified montmorillonite were interpreted by comprehensive spectral analysis of the characteristic bands of the groups in the structures.

The effects of different percentages of nano additive on the thermal and dynamic mechanical properties of polymer layered silicate nanocomposites were investigated using TGA, DSC and DMA techniques. Although it is generally seen that the thermal stability in nanocomposites is quite close to or higher than that of the polymer blend, higher thermal stability, which increases with the increase in clay percentages, has been observed especially in nanocomposites prepared with PEG with 8000 molecular weight. Melting temperatures and enthalpy values for polymer blends and nanocomposites were also interpreted comparatively. The dynamic mechanical properties and thermal transitions of the materials were investigated with various parameters and the effects of the nano additive were interpreted. 

In line with the data obtained, it was evaluated that the compatibility between polymer blends and clay was more affective in polymer blend/layered silicate nanocomposites containing PEG with an 8000 molecular weight. As a result of this study, new nanomaterials with functional groups were obtained through the production and characterization of polymer blend/layered silicate nanocomposite structures, and their structural, thermal and dynamic mechanical properties were elucidated.

Keywords: Polymer blend, layered silicate, nanocomposite, structure-property relationships, thermal properties