Synthesis and characterization of new liquid crystalline polyurethane copolymer
Yeni sıvı kristal poliüretan kopolimer sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 1002438
- Danışmanlar: PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Poliüretanlar (PU), polioller ile izosiyanatların reaksiyonu sonucunda sentezlenen ve kimyasal yapılarına bağlı olarak yumuşak, esnek, yarı sert veya son derece rijit özellikler gösterebilen önemli bir polimer sınıfıdır. Bu malzemelerin ısıl dayanım, sertlik, esneklik gibi fiziksel özellikleri büyük ölçüde kullanılan monomerlerin türüne ve zincir yapısına bağlıdır. Poliüretan yapısında bulunan karakteristik (-NH-CO-O-) üretan bağları, malzemeye kimyasal kararlılık, yüksek mekanik dayanım ve termal direnç kazandırır. Bu nedenle poliüretanlar; kaplamalardan elastomerlere, köpüklerden yüksek performanslı mühendislik malzemelerine kadar geniş bir uygulama alanına sahiptir. Sıvı kristal (LC) bileşikleri ise, tamamen sıvı ya da tamamen kristal bir katı olmaktan ziyade, bu iki faz arasında yer alan ve her iki fazın özelliklerini kısmen taşıyan ara bir madde hali sergiler. Sıvı kristaller, sıvıların akışkanlığını korurken aynı zamanda kristal yapıya özgü uzun menzilli moleküler düzenlilik gösterebilirler. Bu özgün ikili yapı, sıvı kristal malzemelerin hem yüksek hareketlilik hem de belirgin düzen sağlayabilmesini mümkün kılar. Sıvı kristallerin polimer ana veya yan zincirlerine dahil edilmesi, polimerlerin termal, mekanik ve morfolojik özelliklerini önemli ölçüde iyileştirebilir. Bu nedenle sıvı kristal polimerler; optoelektronik malzemeler, sensörler, akıllı yüzeyler ve yönlendirilmiş nanoyapıların tasarımı gibi gelişmiş teknolojik uygulamalarda büyük ilgi görmektedir. Polimer yapılarına mesojen gruplarının eklenmesindeki temel amaç, moleküler düzenin artırılması ve yapıya sıvı kristalin kendine özgü davranışlarının kazandırılmasıdır. Diğer yandan uzun alkil zincirleri, cam geçiş sıcaklığını (Tg) düşürmek, zincir hareketliliğini artırmak ve malzemenin işlenebilirliğini iyileştirmek amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uzun alkil zincirleri esnek bağlayıcı görevi üstlenerek sterik engellemeyi azaltarak sıvı kristal faz içindeki düzenliliğin artmasına katkı sağlar.Ayrıca mesojenik birimlerin daha kolay yönlenmesine olanak tanır. Bu yönlenme eğilimi, sıvı kristal fazının daha geniş bir sıcaklık aralığında kararlı şekilde var olmasını destekler. Dolayısıyla, uzun alkil zincirlerinin sıvı kristal poliüretanların faz davranışları üzerinde hem yapısal hem de termal açıdan belirgin bir iyileştirici etkisi bulunmaktadır. Bu yapısal tasarım yaklaşımı, alkil segmentlerinin sağladığı esneklik ile sıvı kristal grupların yönlenme kabiliyetini bir araya getirerek, gelişmiş termal ve morfolojik özellikler sergileyen polimerlerin elde edilmesini mümkün kılar. Böylece ortaya çıkan malzemeler hem işlemeye uygun hem de sıvı kristal faz kararlılığı yüksek fonksiyonel polimer sistemlerine dönüşmektedir. Bu çalışmada, yan zincir sıvı kristal özellik gösteren bir poliüretan kopolimer sentezlenmiştir. Sentezde iki farklı diol monomeri kullanılmıştır: M1-diol (0.5 mmol, oktadesil-2,2-bis(hidroksimetil)propiyonat) ve M2-diol (0.5 mmol, 8-(4-siyanobifenil-4′-oksi) oktil-2,2-bis(hidroksimetil)propiyonat). Bu iki monomer, hekzametilen diizosiyanat (HMDI, 1 mmol) ile, dibütiltin dilaurat katalizörlüğünde reaksiyona sokulmuştur. Kopolimerin tasarımı, araştırma grubumuzun daha önce yalnızca M2-diol kullanılarak sentezlenen poliüretan yapısı üzerine yürüttüğü çalışma temel alınarak geliştirilmiştir [1]. Bu tez çalışmasının amacı, poliüretan yapısına uzun alkil zincirlerinin dahil edilmesinin sıvı kristal özellikler üzerindeki etkisini incelemek ve sistemin faz davranışlarını önceki çalışma ile karşılaştırmalı olarak değerlendirmektir. Referans çalışmada [1] elde edilen poliüretanın hem ısıtma hem de soğutma aşamalarında mezofaz oluşumu sergilediği belirtilmiştir. Ancak, sıvı kristal faz geçişlerinin belirgin olarak tanımlanamadığı ve özellikle sıvı kristal fazdan izotropik faza geçişin polarize optik mikroskop (POM) ile tespit edilemediği raporlanmıştır. Bunun nedeni, malzemenin izotropik faza ulaşmadan önce termal bozunma göstermesidir. Ayrıca DSC termogramları da POM gözlemlerini destekleyecek net termal geçişler içermemiştir. Bu çalışmada elde edilen poliüretan kopolimerin DSC termogramları ise, kristalin bölgelerin erimesi ve ardından sıvı kristal fazdan izotropik faza geçiş gibi belirgin ısıl geçişleri açıkça göstermektedir. Bu termal davranış, POM analizleri ile de uyumludur. POM görüntülerinde dar bir sıcaklık aralığında net şekilde gözlemlenen nematik doku, sıcaklık arttıkça doğrudan izotropik faza geçişle ortadan kaybolmaktadır. Soğutma esnasında ise izotropikten mezofaza dönüş ve akabinde kristallenme açıkça izlenebilmiş, ayrıca POM görüntüleri geniş bir sıcaklık aralığında kararlı nematik mezofazın varlığını doğrulamıştır. DSC termogramları , poliüretan kopolimerin ısıl geçişlerini ve mezomorfik davranışını belirlemeye olanak sağlamıştır. Isıtma sırasında yaklaşık 170.9 °C'de gözlenen endotermik geçiş, kristalin bölgelerin erimesine karşılık gelmektedir. Bu geçişi, yaklaşık 175.0 °C'de ortaya çıkan ikinci bir endotermik pik takip etmekte olup, bu pik sıvı kristal fazdan izotropik faza geçişi temsil eden sıcaklık olarak değerlendirilmiştir. POM analizlerinde 175 °C'de nematik doku gözlenmiş ve 176 °C'de izotropik faza geçiş gerçekleşmiştir. Bu bulgular, ısıtma sırasında sıvı kristal faz geçişinin oldukça dar bir sıcaklık aralığında meydana geldiğini göstermektedir. Soğutma döngüsünde yaklaşık 165.9 °C ve 130.1 °C'de ortaya çıkan ekzotermik pikler sırasıyla izotropik fazdan mezofaza geçişi ve kristalleşmeyi işaret etmektedir. Bu durum, sıvı kristal davranışının tersinir olduğunu doğrulamaktadır. DSC sonuçlarıyla uyumlu olarak POM gözlemleri 168 °C'de nematik mezofazın oluştuğunu, bu fazın 142 °C'ye kadar kararlı şekilde varlığını sürdürdüğünü ve bu sıcaklıkta kristalleşmenin başladığını göstermektedir. Karakterizasyon sonuçları genel olarak değerlendirildiğinde, kopolimer yapısına eklenen uzun alkil zincirlerinin kristallenmeyi azalttığı, buna karşılık sıvı kristal davranışını belirgin şekilde iyileştirdiği görülmüştür. Bu iyileşme hem termal geçişlerdeki açıklık hem de mikroskobik doku gözlemlerindeki kararlılık üzerinden net biçimde ortaya konmuştur. Kimyasal yapı karakterizasyonu Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve Proton Nükleer Manyetik Rezonans (¹H-NMR) spektroskopisi ile yapılmış; malzemenin ısıl özellikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) ile incelenmiş; sıvı kristal mezofazlarının belirlenmesi ve geçiş sıcaklıklarının tespiti ise POM ve DSC yöntemlerinin birlikte değerlendirilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamlı analizler, sentezlenen poliüretan kopolimerin yapısal, morfolojik ve sıvı kristal özelliklerinin ayrıntılı olarak ortaya konmasını sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Polyurethanes (PU) are polymers synthesized by the reaction of polyols with isocyanates, producing materials that range from soft and flexible to highly rigid depending on their chemical structure. Their physical properties, such as heat resistance, hardness, and flexibility, are strongly influenced by the type of monomers used, while the (-NH-CO-O-) bonds in their backbone provide chemical stability and mechanical strength. Therefore, polyurethanes have a wide range of applications, extending from coatings and elastomers to foams and high‑performance engineering materials Liquid crystal (LC) compounds exhibit an intermediate state of matter, combining the fluidity of liquids with the long-range molecular order of crystalline solids. This unique dual nature allows LC materials to form highly ordered structures while maintaining mobility, making them attractive for advanced functional applications. When incorporated into polymer backbones, LC monomers can significantly enhance thermal, mechanical, and morphological properties. The incorporation of mesogenic groups into polymer structures is intended to improve molecular order and introduce liquid crystalline behavior, while long alkyl chains are often employed to lower the glass transition temperature (Tg), enhancing flexibility and processability. These chains act as flexible spacers, reducing steric hindrance and improving molecular packing, which facilitates the alignment of mesogenic units. By promoting this alignment, long alkyl chains contribute to the formation of ordered phases and help maintain their stability over a broader temperature range This structural design concept combines the flexibility provided by alkyl segments with the orientation of liquid crystalline groups to produce polymers with improved thermal and morphological characteristics. In this study, a side-chain liquid crystal polyurethane copolymer was synthesised. For this purpose, two different monomers, M1-diol (0.5 mmol, octadecyl-2,2-bis(hydroxymethyl)propionate) and M2-diol (0.5 mmol, 8-(4-cyanobiphenyl-4′-oxy) octyl-2,2-bis(hydroxymethyl)propionate) with HMDI (1 mmol, hexamethylene diisocyanate) in the presence of dibutyltin dilaurate as the catalyst. This study was designed based on our research group's previous work on PU synthesis using M2-diol [1].The aim of the thesis is to investigate the effect of incorporating long alkyl chains into the polyurethane structure on its liquid crystalline properties. The reference study [1].reported that the polyurethane showed mesophase formation during both heating and cooling; however, the liquid crystalline phase transitions were not clearly identified. The transition from the liquid crystalline phase to the isotropic state could not be detected by POM because the material began to decompose before reaching the isotropic phase. Additionally, the DSC thermograms did not display thermal transitions that could support the POM observations. The DSC thermograms obtained in this study show distinct thermal transitions for the polyurethane copolymer. The melting of the crystalline domains and the subsequent transition from the liquid crystalline phase to the isotropic state are clearly observed. These results are supported by POM images, which display a well defined nematic texture within a narrow temperature interval and a direct transition to the isotropic phase. Upon cooling, both the isotropic to mesophase transition and crystallization are detected, and POM confirms the presence of a stable nematic mesophase over a wide range. The results, supported by characterization studies, confirmed that these long alkyl chains reduced crystallization and improved the liquid crystalline behavior in the polyurethane copolymer. The chemical structure characterization was carried out using FTIR and HNMR spectroscopy, while the thermal properties were examined by differential scanning calorimetry (DSC), and the identification of liquid crystal mesophase structures and transition temperatures were performed using polarized optical microscopy (POM) and DSC, respectively.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of hydrogen bonded side chain liquid crystalline polymers
Hidrojen bağlı yan zincir sıvı kristal polimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
ESRA ERBİL
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YEŞİM GÜRSEL
- Synthesis and characterization of silver phosphate from lyotropic liquid crystalline mesophase template as a photocatalyst
Gümüş fosfatın liyotropik sıvı kristallerin mezofaz bazlı bir fotokatalizör olarak sentezi ve karakterizasyonu
NÜVEYRE CANBOLAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- The synthesis and characterization of methacrylate based hydrogen bonded liquid crystalline polymers
Metakrilat bazlı hidrojen bağlı sıvı kristal polimerlerin sentez ve karakterizasyonu
CEREN AYTAÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. B. FİLİZ ŞENKAL
- Synthesis of new mesogens and investigation of their liquid crystalline properties
Yeni mezojenlerin sentezi ve sıvı kristal özelliklerinin incelenmesi
BURAK KORKMAZ
Doktora
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL
- Triazin esaslı yapılar: Yeni sıvı kristallerin sentezi, karakterizasyonu ve sıvı kristal özelliklerinin incelenmesi
Triazine based structures: Synthesis of new liquid crystals, characterization and investigation of liquid crystal properties
NİHAT AKKURT
