Polimer/kil nanokompozitlerin hazırlanması mekanik ve termal özelliklerinin incelenmesi
The preparation of the polymer / clay nanocomposites and the examination of mechanical and thermal properties
Yazar: KÜBRA GÜNEŞ
Danışman: PROF. DR. AHMET GÜRSES ; PROF. DR. SEMRA KARACA
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Polimer/Kil nanokompozitler saf polimer veya konvansiyonel mikro ve makro kompozitlerle kıyaslandığında genellikle materyal özelliklerinde ciddi iyileştirmeler sergilemelerinden dolayı bilimsel ve endüstriyel araştırmalar bakımından yoğun bir ilgi çekmektedir. 

Bu çalışma apolar polietilen ve polar polistirenin ham kil, organokil ve uzun zincirli bir hidrokarbon Setiltrimetilamonyum bromür (CTAB) ve tabakalı kilin sulu dispersiyonlarını kullanarak çözelti interkalasyon metoduyla sentezlenmiş hidrokarbonkatkılı organokile eriyik interkalasyonunu amaçlar. Sentezlenmiş organokil ve polimer/kil nanokompozitler XRD, HRTEM, FTIR ve DSC teknikleri ile karakterize edilmiştir. 

PE ve PE/Kil nanokompozitlerinin XRD desenleri ve HRTEM görüntüleri polimer zincirlerinin organokilin tabakalar arası boşluğuna interkale olabildiğini ve ayrıca kil levhacıklarının küçük nanopartikül iyonları şeklinde heterojen bir dağılımının ortaya çıktığını gösterir. Özellikle HRTEM görüntüleri basit CTA+ iyonlarının hidrofobik kuyruklarının hidrokarbon zincirlerinin hidrofobik etkileşmeler üzerinden bağlanmak suretiyle oluşturmuş daha uzun hidrofobik kuyrukların polimer zincirlerinin kil levhacıklarıyla daha etkin etkileşimlerine yol açtığını ortaya koyar. Bu zincir konformasyonunda meydana gelen uygun değişmelerin ve arayüzey enerjisindeki nispeten büyük düşüşün sonucu olarak yorumlanabilir. Ayrıca hidrokarbon katkılı organokil kullanılarak hazırlanmış nanokompozitlerin % uzama değerlerinin artan kil oranı ile daha kararlı ve arttığı, fakat sertlik değerlerinin ham kil ve organokille hazırlanmış kompozitlere kıyasla daha düşük olduğu bulunmuştur. 

Diğer yandan polistiren kullanılarak hazırlanmış nanokompozitlerin yapısal mekanik ve termal özelliklerininde kil oranının bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. PS/Kil nanokompozitlerinin XRD desenleri ve HRTEM görüntüleri organokil levhacıklarının ağırlıklı olarak taktoidler (yaklaşık 100 nm ayrımlar halinde paralel kil levhacıklarının oluştuduğu yığınlar) dağıldığı ve polimer matriksi içerisinde kısmen eksfoliye olduğunu göstermiştir. Ayrıca hazırlanan nanokompozitlerin mekanik ve termal özelliklerininde saf polimere kıyasla önemli ölçüde iyileştiği bulunmuştur. Iki farklı organokil kullanılarak hazırlanmış kompozitlere ait FTIR spektrumları organokil levhacıkları ve polimer zincirleri arasındaki etkin etkileşimlerin varlığını ortaya koymuştur. Ayrıca DSC sonuçları hidrokarbon katkılı organokil kullanılarak hazırlanmış kompozitlerin termal kararlılıklarının ve camsı geçiş sıcaklıklarının saf polimer, ham kil ve organokil içeren kompozitlerin termal kararlılığı ve camsı geçiş sıcaklıklarından daha yüksek olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Polymer/clay nanocomposites (PCNs) have attracted much attention in terms of scientific and industrial researches, because they often exhibit remarkable improvements in material properties when compared with virgin polymer or conventional micro- and macro-composites. 
This study aims the melt intercalation of non-polar polyethylene and polar polystyrene into raw clay, organo clay and the hydrocarbon doped organo   clay which has been synthesized using aqueous dispersions of a long-chain hydrocarbon, Cetyltrimethylammonium Bromide (CTAB), and layered clay via the solution intercalation method. The organo clay and the PCNs synthesized were characterized via XRD, HRTEM, FT-IR and DSC techniques. 

The XRD micrographs and HRTEM patterns of PE and PE/Clay nanocomposites show that the intercalation of polymer chains into the interlayer spacing of organo clay and also a heterogeneous distribution of the clay platelets in form of small nanoparticle stacks emerged. In particular, the HRTEM images  indicate that the longer hydrophobic tails formed  by attaching the hydrocarbon chains to the hydrophobic tails of simple CTA+ ions  via hydrophobic interactions  caused to  the more effective  interactions of  the polymer chains with the clay platelets. This may be attributed to favorable changes occurring in the chain conformation and relatively large reduction at the interfacial energy. It was also found that the mechanical and thermal properties of the nanocomposites were significantly improved compared with virgin polymer. From mechanical tests, it also was determined that  the % elongation values  of the nanocomposites prepared by using  the hydrocarbon doped organo clay  are  more stable and increased with the increased clay ratio, but  their hardness values are lower, compared to  the  composites including raw clay and organo clay. 

On the other hand, the structural, mechanical and thermal properties of the nanocomposites prepared using PS were also investigated as a function of the ratio of clay.  The XRD patterns and HRTEM images of PS/Clay nanocomposites show that  the organo clay platelets have predominantly dispersed in tactoids (stacks of parallel clay platelets at about 100 nm separations) and also partially exfoliated   into polymer matrix. It was also found that the mechanical and thermal properties of the nanocomposites were significantly improved compared to virgin polymer. The FTIR spectra belonging to the composites which were prepared using two different organoclay have emerged the presence of the effective interactions between the organo clay platelets and the polymer chains. DSC results also show that the thermal stability and glass transition temperatures of the composites prepared   by using hydrocarbon doped organoclay are higher than those of the virgin polymer and the composites including raw clay and organoclay.