Geri Dön

Effects of polyhedral oligomeric silsesquioxane reinforced polypropylene (PP) nanocomposites on the thermal, mechanical, and optical properties of PP

Polihedral oligomerik silseskuiokzan katkılı polipropilen (PP) nanokompozitlerin PP üzerindeki termal, mekanik ve optik özelliklerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 439455
  2. Yazar: SEVİL KAYNAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURSELİ UYANIK, PROF. DR. MÜKERREM ÇAKMAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Polihedral oligomerik silseskuiokzan (POSS), genel formülü R organik grup olmak üzere (RSiO1.5)n, içeren polimerik hibritler ve nanokompozitler, dağılmış inorganik faz sayesinde termal ve mekanik performansı gelişmiş malzeme tasarımına olanak sağlamaktadır. POSS veya türevlerinin polimere katılımı ile kullanım sıcaklığı, oksidasyon dayanımı, yüzey sertliği ve mekanik dayanımı, yanma özelliği, ısı ölçümü, proses esnasındaki viskozitesi gibi bir çok özelliğinin önemli ölçüde değişimine neden olmaktadır. Morfolojilerine dikkat edecek olursak, POSS nanopartiküllerin kimyasal yapısı, konsantrasyonu ve dağılma derecesi POSS içeren termoplastiklerin (poliolefinler, polyesterler, poliamidler) ısıl kararlılığını ve çekme özelliğini önemli ölçüde etkilemektedir. POSS partiküllerinin dağılımını, her bir molülünün ölçüsü yaklaşık 1-2 nm olacak şekilde sağlayabilmek mümkündür. Görüldüğü üzere, POSS molekülleri birçok polimer bölümüyle hemen hemen eşit boyuta sahiptir ve bu yüzden önemli ölçüde takviye etkisi gösterebilmektedir. Yassı katmanlı silikatlar ve silindirik yapıdaki karbon nanotüpler gibi diğer nanodolguların aksine, POSS moleküllerinin şekli izotropiktir. Bununla beraber POSS molekülleri kimyasal olarak R gruplarının değiştirilmesiyle kolay bir şekilde işlevsel hale getirilebilmektedir. R gruplarının işlevselliği de polimer zincirindeki fonksiyonel gruplar ile kopolimerizasyon veya aşılama reaksiyonlarına ve POSS molekülleri ile polimer zincirleri arasındaki etkileşiminin belirlenmesine ve ayrıca POSS molekülleri ile polimer zincirleri arasındaki tepkimelerin kontrol edilmesine olanak sağlar. Polipropilen (PP) poliolefinlerin çok yönlü bir üyesidir ve bu termoplastik polimer ambalaj, tekstil, kırtasiye, plastik bölümler ve çeşitli yeniden kullanılabilir konteynırlar, laboratuvar ekipmanları, hoparlörler ve otomobil parçaları gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılır. PP hafif oluşu, düşük maliyeti, mükemmel ısıl bozulma sıcaklığı (yaklaşık 100 °C) ve geri dönüştürülebilme özelliği dolayısıyla ticarette matris malzemesi olarak kullanılmaktadır. Fakat PP'nin dayanımı, tokluğu ve sertliği mühendislik plastiği uygulamalarında kullanılmak için yeterli değildir. PP'nin kullanım alanını arttırmak ve özelliklerini iyileştirmek için modern teknolojide yaygın olan sert nanokatkılar ekleme yöntemi kullanılabilir. Bu nanokatkılar organik olabileceği gibi inorganik de olabilirler. Bu çalışmada, %10'a kadar metil-POSS bileşeninden oluşan PP/POSS nanokompozitler çift vidalı ekstrüderde eriyik halde karıştırılarak hazırlanmıştır. %10 metil-POSS katkılı polipropilen (PP), nanokompozitte POSS taşıyıcı malzeme olarak kullanılmıştır. Bu maddenin PP ile eriyik karıştırma yöntemi ile %1, %3, %5, %8 POSS katkılı PP/POSS nanokompozitleri hazırlanmıştır. Saf PP ve saf %10 PP/POSS örnekleri ile beraber toplam 5 farklı yüzdeli PP/POSS nanokompozitleri ve referans PP örneklerinde, POSS'un PP'nin reolojik ve termal davranışları üzerine olan etkileri detaylı bir şekilde araştırılmıştır. Reolojik incelemeler paralel düzlem reometresi ve termal özellikleri de diferansiyel taramalı kalorimetre ve termal gravimetrik analiz ile incelenmiştir. Reolojik incelemeler için üç farklı (180°C, 205°C ve 230°C) sıcaklıkta yapılan çalışmalarda, tüm örnekler için yüksek frekanslarda kompleks viskozitenin düştüğü (η*), depolama modülü (G') ve kayıp modülün (G'') yükseldiği gözlemlenmiştir. Yine yüksek frekanslarda sıcaklık düşüşünün kompleks viskoziteyi önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür. Ayrıca 180°C'de kompleks viskozite değerleri 205°C ve 230°C' ye kıyasla önemli bir azalma göstermiştir. Sonuç olarak frekansın yükselmesi zincir hareketlerini kısıtlayarak daha sert (düşük elastikiyet) davranışlar görülmesine sebep olmuştur. Nanokompozitlerin ısıl özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termal gravimetrik analiz (TGA) ile karakterize edilmiştir. Karışımların DSC termogramlarında tepe noktası integrasyonu ile elde edilmiş olan erime entalpisi (ΔHm) değerleri, POSS içeriğinin artmasıyla azalmaktadır. POSS içeriğinin artmasıyla erime ve kristalizasyon sıcaklığı değerleri de azalmış, erime piklerinin genişlikleri ise artmıştır. Yine POSS ilavesi kristalizasyon derecesini düşürmüştür. Buradan hareketle POSS moleküllerinin zincir hareketlerini kısıtladığı söylenebilir. Diğer taraftan elyaf nanokompozitlerde film örneklere oranla daha yüksek kristallenme oranı değerleri hesaplanmıştır. TGA eğrisinden %5 ve 10% kütle kayıplarının meydana geldiği sıcaklıklar ölçülmüştür. Saf PP nitrojen atmosferinde 350°C civarında bozulmaya başlarken POSS içeren nanokompozitlerde 400°C'ye kadar kütle kaybı görülmemiştir. Sonuç olarak artan POSS katkısının nanokompozitlerin bozunma sıcaklıklarını yukarı çektiği ve ısıl kararlılığı arttırdığı açıkça görülmüştür. Bu nanokompozit peletlerden daha sonra rpm cinsinden 6 farklı fiber çekme hızı (20- 40- 60- 80- 100- 120) ve mm/min cinsinden 3 farklı piston basma hızı (0,5- 1- 2) uygulanarak eriyik eğirme yöntemi ile 97 çeşit fiber örneği üretilmiştir. Üretilen elyafların aşağı çekme oranı (draw down ratio/DDR DDR=Dkalıp2/Delyaf2) hesaplanarak, DDR'ın dayanım ve polimer zincir yönlenmesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Hazırlanan elyafların mekanik ölçümleri universal test makinesi kullanılarak yapılmıştır. DDR ve POSS içeriğinin çekme özellikleri üzerinde çok etkili olduğu gözlemlenmiştir. POSS içeriğinin artmasıyla birlikte modülün düştüğü, fiber çekme oranının (rpm) artması birlikte ise modülün arttığı görülmüştür. Ayrıca maksimum yük, maksimum yükteki çekme uzaması ve kopmadaki çekme uzaması artan fiber çekme hızı ile azalmıştır. Morfolojik analizler polarize optik mikroskobu (POM) ve küçük açılı X-ışını saçılması (SAXS) kullanılarak yapılmıştır. POM görüntüleri ve DDR kullanılarak çift kırılım değerleri hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda DDR'ın artması ile tüm elyafların çift kırılım (birefringence) değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. Diğer bir bulgu ise artan POSS miktarının saf PP'ye oranla çift kırılım değerlerinde düşmeye neden olduğudur. Diğer taraftan POSS katkısının PP'nin moleküler oryantasyonunu azalttığı gözlemlenmiştir. Saf PP elyafları POSS katkılı nanokompozitlere oranla yüksek molekül ağırlığına sahip olduğu için zincir hareketlerini kısıtlayarak daha viskoz davranış göstermiştir. SAXS görüntülerinde POSS miktarı artışın fiberlerin izotropisini arttırıcı bir etki gösterdiği açıkça görülmektedir. Diğer taraftan fiber çekme hızındaki artış fiberlerin anizotropisini arttırmıştır. Artan fiber çekme hızının ayrıca elyafların oryantasyonunu da arttırıcı bir etki yapmıştır. Yine SAXS analizlerinden yüksek miktarda POSS içeren fiberlerin daha izotropik yapıda olduğu görülmüştür. Saçılma yoğunlukları ve komşu düzlemler arası mesafeler Bragg yasasından hesaplanmıştır. Bu gözlemler ve hesaplamalar sonucu POSS miktarının yapının morfolojisini önemli ölçüde etkilediği açıkça görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Polymeric hybrids and nanocomposites containing polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) - general formula (RSiO1.5)n where R is an organic group – as dispersed inorganic phase offer the opportunity to design advanced materials with enhanced thermal and mechanical performances. The incorporation of POSS or its derivatives into polymers can lead to some improved properties, such as the increase in use temperature, oxidation resistance, surface hardening and mechanical strengths, as well as reductions in flammability, heat evolution, and viscosity during processing. It has been pointed out that the morphology, the thermal stability and tensile properties of thermoplastics (polyolefins, polyesters, polyamides, etc.) containing POSS can be largely affected by the chemical structure, concentration and dispersion degree of POSS nanoparticles. It is possible to obtain dispersion of POSS particles to the scale of individual molecules with size approximately 1-2 nm. In view of this, POSS molecules are nearly equivalent in size to most polymer segments and, therefore, potentially can exert dramatic reinforcement effects. In contrast to other nanofillers, such as layered silicates which are platy and carbon nanotubes which are cylindrical, the shape of the POSS molecules is isotropic. In addition, POSS molecules can be easily functionalized by chemically altering the R groups. This presents opportunities for copolymerization or grafting reactions with functional groups on polymer chains and for defining and controlling the nature of interactions between POSS molecules and the polymer chains. Polypropylene (PP) is a versatile member of polyolefins and this thermoplastic polymer is used in a wide variety of applications including packaging, textiles, stationery, plastic parts and reusable containers of various types, laboratory equipment, loudspeakers and automotive components. PP has been used as the matrix material in a commercial form because of its many attractive properties, such as low weight, relatively low cost, excellent heat distortion temperature (above 100 °C) and its recycling ability. But its toughness, strength and stiffness are not sufficient for applications as an engineering plastic. To reinforce PP, polymer nanocomposite technique by adding rigid polymers, is used. In this study, 1, 3, 5, 8, 10 wt-% POSS containing PP nanocomposites PP/POSS nanocomposites (PP/POSS NC) were prepared by melt blending via extrusion. Methyl-POSS reinforced polypropylene (PP) nanocomposite was used as POSS carrier material (or as a masterbatch) and the effects of methyl-polyhedral oligomeric silsesquioxanes (methyl-POSS) on the rheological, and thermal behavior of polypropylene (PP) were investigated. Rheological studies of PP/POSS NC pellets were operated by using parallel plate rheometry at three different temperatures. For all samples, it can be observed that complex viscosity (η*) decreases with increasing frequency, both storage modulus (G') and loss modulus (G'') progressively increase with increasing frequency. Complex viscosity showed large increase with reduction of temperature at high frequency. The increase of frequency causes the restriction of chain movements and a stiffer behavior was observed. Thermal behaviors of nanocomposites were characterized by DSC and TGA. The fusion enthalpy of the nanocomposites (obtained by peak integration) decreases with increasing of POSS content. 5% and 10% weight loss temperatures obtained from TGA curves. It was observed that increasing of POSS content increased these degredation temperatures and also the thermal stability of nanocomposites. The prepared PP/POSS nanocomposites and PP pellets were also subjected to melt spinning process by using capillary rheometer with 6 take up speed and 3 plunger speed to produce 97 fiber samples. Draw down ratio (DDR=Ddie2/Dfiber2) of fibers were calculated and the effects of draw down ratio on the strength, and polymer chain orientation were investigated by mechanically, optically and morphologically. Mechanical properties of prepared fiber samples measured by universal testing machine. It was observed that POSS composition and DDR of the nanocomposites had a pronounced effect on the tensile properties of these materials. Tensile data shows that the modulus increase with increasing of take up speed and decreasing by increasing of POSS content. Addionally, the maximum load, tensile strain at maximum load, and tensile strain at break decreases with increasing of take up speed. Morphological characterizations were made by using polarized optical microscope (POM) and small angle X-ray scattering (SAXS). Birefringence data of fibers calculated by using POM images and DDR of samples. For all fibers, increasing of DDR lead to increase birefringence. The other result was that increasing of POSS content caused the decrease of birefringence values with the comparison of neat PP. SAXS pattern clearly showed that isotropy of fibers increases with increasing of POSS content. On the other side, increasing of take up speed increases anisotropy. Increasing of take up speed also increased the fiber orientation. Furthermore, it was observed that high POSS content fibers have more isotropic structure. In consideration of this observation it is clearly seen that POSS content effects the morphology of fibers significantly.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    427716

    Environmentally-friendly, high strength lignin filled polypropylene composites

    Çevreye duyarlı, yüksek mukavemetli polipropilen lignin kompozitleri

    TUĞÇE UYSALMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Mühendislik Bilimleriİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ÖZGÜR SEYDİBEYOĞLU

  2. Tez No

    494772

    Karbon elyaf kaplama türlerinin ve uyumlaştırıcıların karbon elyaf takviyeli poli(fenilen sülfid) kompozitlerinin özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effects of carbon fiber sizing agents and compatibilizers on the properties of carbon fiber reinforced poly(phenylene sulphide) composites

    BEDRİYE ÜÇPINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYŞE AYTAÇ

  3. Tez No

    558404

    Fosfor esaslı bileşikler ile katkılandırılmış poli (metil metakrilat)'ın güç tutuşurluk özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of flammability properties of poly (methyl methacrylate) reinforced with phosphorus based compound

    ŞEYMA ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKırşehir Ahi Evran Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUNUS KARATAŞ

    DOÇ. DR. MEHMET DOĞAN

  4. Tez No

    522088

    Fonksiyonel hibrit nanoparçacıklar ile takviye edilmiş doğal kauçuk harmanlarının geliştirilmesi

    Development of natural rubber compound reinforced with functional hybrid nanoparticle

    NAZLI YAZICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜRALP ÖZKOÇ

  5. Tez No

    598679

    Tekstil elyafa yapışma özelliği ve ısıl kararlılığı iyileştirilmiş doğal kauçuk formülasyonlarının geliştirilmesi

    Development of a natural rubber formulation to improve the textile cord to rubber adhesion and thermal stability

    SAMET DURSUN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET KODAL

Geri Dön