Plastikleştirilmiş poli(laktik asit) temelli nanokompozitlerinin fiziksel özellikleri ve kristalizasyon davranışının incelenmesi
Investigation of physical properties and crystallization behaviour of plasticized poly(lactic acid) based nanocomposites
Yazar: MEHMET KODAL
Danışman: DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Biyopolimerler = Biopolymers ; Kompozit polimerler = Composite polymers

Özet:
Bu çalışmanın amacı plastikleştirilmiş PLA/polihedral oligomerik silseskuiokzan (POSS) nanokompozitlerinin fiziksel özellikleri ve izotermal olmayan kristalizasyon davranışının incelenmesidir. Çalışmada farklı fonksiyonel gruplara sahip üç tür POSS (aminoizopropil-POSS, trisilanolizobütil-POSS, glisidilizobütil-POSS) ve reaktif grup içermeyen oktaizobütül-POSS kullanılmıştır. Harmanlar çift burgulu bir laboratuvar ekstrüderinde hazırlanmıştır. Plastikleştirici olarak poli(etilen glikol) (PEG) kullanılmıştır. POSS miktarı matris içinde ağırlıkça %1-10 arasında değişirken PEG miktarı %10' da sabitlenmiştir. POSS türü, POSS konsantrasyonu ve harmanlama koşullarının PLA ve PLA/PEG nanokompozitilerinin mekanik, eriyik viskozitesi, ısıl ve morfolojik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Plastikleştirici türü ve molekül ağırlığının PLA'nın kısa ve uzun dönem ısıl ve mekanik özellikleri üzerine etkisi de incelenmiştir. PLA-POSS ve PLA/PEG-POSS arasındaki etkileşimler ise termodinamik yapışma ile belirlenmiş ve daha sonra izotermal olmayan kinetik çalışmalarla arasındaki korelasyon belirlenmiştir. Ayrıca nanokompozitlerin enzimatik bozunma davranışları karşılaştırılmıştır. Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) yardımıyla toplanan verilerden nanokompozitlerin izotermal olmayan kristalizasyon kinetiği araştırılmış, kristalizasyon davranışının Avrami, Ozawa ve birleştirilmiş Avrami-Ozawa modellerine uygunluğu incelenmiştir. Kristal büyümesi esnasındaki morfoloji ise polarize optik mikroskop (POM) kullanılarak izlenmiştir. Mekanik analiz test sonuçları bazı POSS türlerinin nanokompozitlerin peklik-tokluk dengesi üzerine pozitif etkisini göstermiştir. POSS türünden bağımsız olarak düşük yükleme oranlarında POSS taneciklerinin PLA ve PLA/PEG matrisinde nanometre mertebesinde homojen olarak dağıldığı gözlenmiştir. PLA/PEG karışımlarının kısa ve uzun vadeli özelliklerinin kullanılan PEG'in moleküler ağırlığıyla doğrudan ilişkili olduğu tespit edilmiştir. Kristalizasyon kinetiği çalışmaları POSS'un bir çekirdeklenme ajanı gibi davranarak plastikleştirilmiş ve plastikleştirilmemiş PLA'nın kristalizasyon hızını artırdığını göstermiştir. Çekirdeklenme hızı ile matris-POSS arasındaki termodinamik etkileşimlerin önemli olduğu gösterilmiştir.

Abstract:
The aim of this study is to investigate the physical properties and non-isothermal crystallization behavior of plasticized PLA/polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) nanocomposites. In this study, three types of POSS with different functional groups (aminopropylisobutyl-POSS, trisilanolisobutyl-POSS, glycidylisobutyl-POSS) and octaisobutyl-POSS as the non-reactive one were used. Blends were prepared in a twin screw extruder. Poly(ethylene glycol) (PEG) was used as a plasticizer. PEG amount was kept constant at 10 wt% in PLA matrix. The POSS content was varied 1-10 wt%.The effects of POSS type, POSS loading level and process conditions on the mechanical, melt viscosity, thermal and morphological properties for PLA and PLA/PEG nanocomposites were investigated. Effects of molecular weight and plasticizer type on the short- and long-term thermal and mechanical properties of PLA were also studied. Interactions between PLA and POSS and also PLA/PEG and POSS were determined by thermodynamically adhesion. After that correlation between non-isothermal crystallization kinetics of nanocomposites and mechanical adhesion was studied. Moreover, the enzymatic degradation of the nanocomposites was investigated. Avrami, Ozawa, combined Avrami-Ozawa models were applied to examine the non-isothermal crystallization behavior by using differential scanning calorimeter (DSC). The morphology during the crystal growth was observed by means of a polarized optical microscope (POM). The mechanical analysis revealed that some POSS types positively affected the stiffness-touhgness balance of nanocomposites. POSS particles (regardless of POSS type) dispersed homogeneously and nano-scale level in PLA and PLA/PEG matrix at lower loadings. It was found that the short- and long-term properties of PLA/PEG blends were directly related to the molecular weight of PEG. The crystallization kinetic results indicated that POSSs particles increased the crystallization rate of plasticized and unplasticized PLA by acting as a nucleating agent. It was shown that thermodynamically interactions between POSS and matrix was important for nucleation rate.