Reaktif ekstrüzyon yöntemiyle termoplastik elastomerler
plastikleştirici - uyumlaştırıcı / organik kil nanokompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu / Preparation and characterization of thermoplastic elastomers / plasticizer ?compatibilizer / organoclay nanocomposites by reactive extrusion system
Yazar: MOSTAFA ASGHARİ DİLMANİ
Danışman: PROF. DR. ERDOĞAN ALPER ; PROF. DR. ZAKİR M. O. RZAYEV
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Son yıllarda, termoplastik elastomer/organik kil nano bileşenleri alanında bir çok araştırmalar ve mühendislik uygulamaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca bu bileşenlerde nano ölçüde ve yüksek temas alanına sahip nano dolgu maddelerinin kullanılması ve yeni nesil yüksek performanslı mühendislik malzemelerinin hazırlanması için çeşıtli ekstrüzyon yöntemleri de geliştirilmiştir. Bu tezin amacı, çeşitli yapı ve özelliklere sahip yeni termoplastik elastomer katmanlı silikat nano bileşenlerin eriyik şekilde çift yönlü gerdirilmiş film-oluşturucu birim ya da granülatör ile desteklenmiş reaktif extrüzyon sistemi (21 mm Rondol çift vidalı ekstrüder (25:1 L/D)-bileşik oluşturucu dizi) kullanarak sentezlenmesi, karakterizasyonu, içerik ? yapı ? özellik ilişkilerinin araştırılması ve nanomühendislik ve nanomalzeme uygulamalarının incelenmesidir. Nano bileşenler reaktif ekstrüzyon aracılığı ile sırasıyla; EPDM elastomeri bir matriks polimeri, PP-g-MA/poli(MA-alt-1-oktadesen) ve PP-g-MA/poli(MA-alt-1-oktadesen)-g-PEO polimerik uyumlaştırıcı sistemleri (ilk olarak bu tezde), reaktif (ODA-MMT) ve reaktif olmayan (eş-anlı (in-situ) işlemlerde fazlar arası güçlü H-bağı oluşturabilen (DMDA-MMT) organik nano dolgu maddeleri içeren reaktif polimer karışımlardan, belirlenen ekstrüzyon koşullarında hazırlanmıştır. Nano bileşenlerin kimyasal ve fiziksel yapıları, yüzey morfoloji düzeni, ısısal davranışları ve bu bileşenlerde gerçekleşen nano yapı oluşumu ve fazlar arası eş-anlı proseslerin ve iletişimlerin varlığı FTIR, XRD, DSC, TGA-DTG ve SEM analiz yöntemleriyle incelenmiş ve açıklanmıştır. EPDM ve diğer polimerik katkıların makromoleküllerinin silikat katmanları arasına nüfuzu (intercalation) ve katmanların dağılım-yapraklanma (exfoliation) derecesinin organik killerin kökenine ve içeriğine bağlı olarak, gözlenen deyişliye neden olan fazlar arası kimyasal (amidleşme) ve fiziksel (H-bağı ve hidrofobik-hidrofilik etkileşmeleri) reaksiyonları göz önüne alarak extrüzyon koşullarının optimum parameterleri belirlenmiştir, buna gore barellerdeki sıcaklık düzeni: 120, 130 ve 145oC; çift vidalı karıştırma hızı 40 rpm ve besleme hızı 60 g/dak alınmıştır. Reaktif organik kilin (ODA-MMT) ve ?-hidroksi-?-metoksi-PEO ile aşılanmış kopolimerin tasarlanan karışımlarda birlikte kullanılması, karışım uyumluluğu, ısısal davranışları, kristal yapıların oluşumu ve yüzey morfoloji özellikleri bakımından daha iyi olduğu gözlenilmiştir. FTIR ve XRD analiz sonuçları, organik kil katmanların yüzey alkil amin bileşimleri (intercalants) ile uyumlaştırıcı (compatibilizer) kopolimerlerin anhidrit birimlerinin amidleşmesi ve PEO'nun uç-hidroksil gurubu ile esterleşmesi gibi fazlar arası iletişimlerin belirlenen ekstrüzyon koşullarında gerçekleşdiğini göstermektedir. Nano bileşenlerin camsı geçiş (Tg), erime (Tm) ve kristalleşme (Tc) sıcaklıklarının polimerik uyumlaştırıcıların ve organik killerin türüne ve içeriğine yüksek ölçüde bağlı olduğu görülmüştür. Sentezlenen nano bileşenlerin ısısal davranışları, bozunur kararlığı ve yüzey morfoloji düzeni gibi temel özellikleri, saf EPDM elastomeriyle kıyaslandığında önemli ölçüde geliştirilmiştir.Anahtar Kelimeler: EPDM kauçuğu, PP-g-MA, Değişken Kopolimer, PEO, Organik kil, Tepkimeli ( reaktif ) Ekstrüzyon, Nano bileşenler

Abstract:
In recent years, the field of thermoplastic elastomer/organoclay nanocomposites were subject of many investigations and engineering applications. To prepare these nanocomposıtes containing nanofillers with high surface area and fabricate a new generation of high performance engineering nanomaterials, various extrusion systems and processing methods were also devoloped. The aim of this thesis is to synthesize novel thermoplastic elastomer layered silicate nanocomposites, containing EPDM elastomer as a matrix polymer and a combination of dual reactive polymer compatibilizer systems (firstly herein) such as PP-g-MA/poly(MA-alt-1-octadecene) or PP-g-MA/poly(MA-alt-1-octadecene)-g-PEO and organoclay nanofillers (reactive ODA-MMT or non-reactive DMDA-MMT which can however form a strong interfacial H-bonding in-situ processing) in melt compounding by a reactive twin-screw extrusion system (21 mm Rondol extruder (25:1 L/D)-compounding line) supported with a biaxially oriented film-forming unit and a granulator. It is also aimed to characterize and investigate the composition ? structure ? property relationships of these nanosystems with different structures and properties for the nanoengineering and nanomaterial applications. Nano composites were prepared in melt by reactive extrusion in the following order; EPDM elastomer as a matrix polymer, PP-g-MA and poly[(maleic anhydride-alt-1-octadecene)-g-PEO(poly(MA-alt-OD)-g-PEO) as functionalized polymer compatibilizer-internal plasticizer, octadecylamine-montmorillonite (ODA-MMT) and dimethyldidodecyl ammonium-MMT (DMDA-MMT) as reactive and non-reactive nano-fillers, respectively. The formation of nano structural fragments, polymer blend composition?properties (thermal behavior and morphology) were studied by using FTIR, XRD, TGA-DTG , DSC and SEM analysis methods. It was found that intercalation/ exfoliation degree of EPDM macromolecules significantly depended on the origin and content of organoclays. Better results were obtained for nanocomposites prepared in the presence of reactive organo-filler (ODA-MMT) and PEO grafted alternating copolymer. The results of FTIR (chemical structure) and XRD (physical structure and exfoliation degree) analyses indicate that amidization of anhydride copolymer with alkyl amine groups of organo-filler and esterification of alternating copolymer with ?-hydroxy-?-methoxy- PEO occur in melt compounding in situ processing in the chosen optimum extrusion conditions of barrel temperature: 120, 130 and 145oC, twin-screw speed around 40 rpm and feed rate 60 g/min. The glass-transition (Tg), melting (Tm) and recrystallization (Tc) temperatures strongly depend on the origin and content of organoclay and PEO-grafted copolymer-compatibilizer, respectively. Thermal behavior, crystallinity and thermostability of nanocomposites were significantly improved as compared with pure EPDM terpolymer.Key words: EPDM Rubber, PP-g-MA, Alternating Copolymer, PEO, Organoclays, Reactive Extrusion, Nanocomposites