Physical properties of poly(methyl methacrylate)/graphene nanoplatelets nanocomposite
Polimetilmetakrilat/grafen nanoplatelet nanokompozitin fiziksel özellikleri
- Tez No: 467298
- Danışmanlar: PROF. DR. AHMET TOGO GİZ, PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Poly (methyl methacrylate) (PMMA) iyi mekanik özelliklere sahip,aşınmaya karşı direnci yüksek ve üstün ısı direncine sahip berrak, şeffaf bir termoplastik malzemedir. PMMA'nın mekanik, termal, elektriksel ve radyasyon zırhlama özellikleri, üstün özelliklere sahip çeşitli nanomalzemeler eklenerek geliştirilebilir. Güçlendirilmiş PMMA malzemeleri, tıp, sensör, güneş hücresi, elektronik ve uzay bölgesi gibi birçok uygulama alanı için ideal bir adaydır. Polimer malzemelerin zayıf olan fiziksel özellikleri nanomalzemeler eklenerek geliştirilebilir. Bu çalışmada, PMMA'nın mekanik, termal, elektriksel ve radyasyon özelliklerini geliştirmek için nano katkı maddesi olarak Graphene Nanoplatelets (GNPs) nanomalzeme seçildi. GNPs bir kaç katman grafenden oluşuyor katmanlar arası mesafe ise 0,34 nm dir, grafen katmanları birbirleriyle zayıf Van der Waals kuvveti ile bağlanıyor. GNPs iyi derecede mekanik, elektrik, termal ve optik özelliklere sahiptir, böyle olmasının nedeni ise GNPs nin iyi derecede fiziksel özelliklere sahip olan grafen katmanlarından oluşmasıdır. Bu çalışmada, PMMA (polimetilmetakrilat) Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) tekniğiyle üretildi. GNPs nanomalzeme ise yerinde polimerizasyon metoduyla dağıtıldı. Katman şekildeki GNPs'i homojen dağıtmak için en uygun yöntem yerinde polimerizasyon yöntemidir. PMMA/GNPs nanokompozit üretim aşamasında ilk olarak katı kimyasallar argon ortamında tartıldı, daha sonra sentez aynı şekilde argon ortamında tamamlandı, son olarak tüpler tıpa ile kapatılarak maynetik karıştırıcı üzerine polimerizasyon bitene kadar bırakıldı. PMMA'nın karakteristik özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri incelemek için SEM (taramalı elektron mikroskop) karakterizasyonu, XRD (X ışını kırınımı) analizi, FTIR (Fourier dönüşüm kızılötesi spektroskopisi) analizi, TGA (Terrmogravimetrik) analizi, Rochwell sertlik (M ölçek) ve basma testi, ultrasonik test ve gama geçirgenlik testi teknikleri uygulandı. GNPs nanomalzemenin dağılım kalitesini incelemek için SEM tekniği uygulandı. Sem görüntülerinde, GNPs nanomalzemenin geniş yüzeye sahip olduğu, nanomalzeme yüzey çapının 5μm civarında olduğu görüldü. PMMA' ın ise temiz bir yüzey alana sahip olduğu görüldü. Üretilen 1 wt. % PMMA/GNPs nanokompozitin ise farklı yüzey morfolojisine sahip olduğu, GNPs nanomalzemenin PMMA yuzeyine iyi şekilde yapıştığı, GNPs nanomalzemenin homojen bir şekilde dağıldığı gözlemlendi. SEM temel haritalama tekniği elementlerin yerleşim durumunu incelemek için uygulandı, test sonucunda elementlerin topaklanmadığını ve homojen şekilde dağıldığı gözlemlendi. Temel haritalama ile birleştirilmiş SEM karakterizasyonu, polimerizasyon methodu kullanılarak GNPs nano katkı maddesinin PMMA polimer matrisinde homojen bir şekilde dağılmış olduğunu gösterdi. GNPs nanomalzemenin dağılımının kalitesi PMMA'ın fiziksel özelliklerinin gelişmesine doğrudan etkisi olduğu görüldü. GNPs nanomalzeme eklendikten sonra PMMA'nın kimyasal yapısında nasıl bir değişiklik olduğunu incelemek için FTIR analizi yapıldı. GNPs nanomalzeme takviyeli PMMA'nın FTIR spektrumu saf PMMA ile benzer spektrum gösterdi, bu durum GNPs nano katkı maddesi ile PMMA polimer matriks arasında etkileşimin olduğunu kanıtladı. GNPs nanomalzeme eklendikten sonra PMMA'nın malzeme yapısında nasıl bir değişiklik olduğunu incelemek için XRD analizi yapıldı. XRD analizi sonucunda GNPs nanomalzemenin XRD deseni 26.5 derecede pik verdi ki bu pik grafen tabakalarının 0.34 nm mesafede yığılmasına karşılık gelir. Bu pik 0.25 wt. % PMMA/GNPs nanokompozitin XRD deseninde gözlemlenmedi, bu durum grafen nanomalzemenin PMMA içerisinde tamamen dağıldığını gösterdi. Grafen piki 0.25 wt. % den yüksek konsantrasyondaki nanokompozitlerde görülmeye başladı, pikin genliği GNPs konsantrasyonu arttıkça arttı. Bu durum grafen nanomalzemenin homojen dağılamadığını ve yığılma olmaya başladığını gösterdi. Üretilen nanokompozitlerin termal kararlılığı TGA analizi ile incelendi, analiz sonuçlarında ise PMMA'ya GNPs nano katkı maddesi eklenmesiyle PMMA'nın termal kararlılığının önemli ölçüde arttığı gözlemlendi. 0.25 wt. % GNPs eklendiğinde ağırlıkça % 2 GNPs eklenmesi ile PMMA'nın % 5 kütle kayıp nokta sıcaklığı açık bir şekilde 196.73°C dan 219.33°C ya yükseldi, ve GNPs konsantrasyonunun yükselmesi ile PMMAnın % 5 kütle kayıp nokta sıcaklığı yavaş yavaş 243.00°C ya ulaştı, ve net olarak 46.27 °C yükseliş elde edildi. Üretilen nanokompozitlerin elektrik iletkenliği dört noktalı probla ölçüldü, ölçüm sonuçlarında ise PMMA'ya GNPs nano katkı maddesi eklenmesiyle PMMA'nın elektirik iletkenliği önemli ölçüde arttığı gözlemlendi. Ağırlıkça % 2 GNPs eklenmesi ile PMMAnın electirik iletkenliği ~10-14 S/m den 0.72 S/m ye yükseldi. Üretilen nanokompozitlerin kusursuz bir malzeme olduğunu tespit etmek, malzeme içerisinde ilerleyen boyuna dalga ve enine dalga hızlarını ve malzeme yoğunluğunu kullanarak nanokompozitlerin bazı mekanik özeliklerini elde etmek için Ultrasonik testi uygulandı. Gönderilen ve tespit edilen ses piklerin arasında temiz alan gözlemlendi, temiz alanın gözlenmesi üretiğimiz nanokompozitlerin kusursuz bir malzeme olduğunu gösterdi. Nanokompozitlerin yoğunluğu Arşimet kaldırma kuvveti prensibi ile ölçüldü, malzemelerin içerisinde ilerleyen boyuna ve enine dalgarın hızları iki tane farklı prob kullanılarak ölçüldü, bu sonuçları kullanarak malzemelerin Kayma Modülü, Young modülü ve Mikrosertlik değerleri hesaplandı. Sonuçlarda ise saf PMMA'nın kayma Modülü, Young modülü ve mikrosertlik değerleri, ağırlıkça % 2 GNPs eklenmesi ile sırasıyla % 19.5 (2.064 GPa dan 2.407 GPa ya),% 16.8 (5.517 GPa dan 6.446 GPa ya) ve % 14.2 (0.225 GPa dan 0.259 GPa ya) arttığı gözlemlendi. Üretilen nanokompozitlerin mekanik özelliklerinden Rockwell sertliği ve basınç dayanımı, Rockwell sertlik testi ve basma testi yapılarak incelendi. Test sonuçlarında ise saf PMMA ile karşılaştırıldığında, ağırlıkça % 2'lik GNP'lerin ilavesiyle Rockwell sertliği ve basınç dayanımı değerlerinin sırasıyla % 19.9 (90.2 MPa dan 127.7 MPa ya) ve % 42.7 (84.5 dan 101.3 ya) arttığı gözlemlendi. Gama ışığı zayıflatma performansı gamma geçirgenlik tekniği kullanılarak incelendi. Cs-137 ve Co-60 radyoizotoplar kullanılarak; üretilen nanokompozitlerin radyasyon zayıflatma katsayı ölçüldü ve çizgisel zayıflatma katsayı deneysel olarak elde edildi. Malzemelerin yoğunluğu kullanılarak nanokompozitlerin kütle zayıflatma katsayıları elde edildi. Ayrıca malzemelerin kimyasal element konsantrasyonları kullanılarak XCOM programından malzemelerin teorik kütle zayıflatma katsayıları elde edildi. Sonuçlara bakıldığında,GNPs konsantrasyonunun yükselmesi ile Cs-137 ve Co-60 radyoizotoplar için çizgisel zayıflatma katsayıları yavaş yavaş arttı, ancak kütle zayıflama katsayıları yavaş yavaş azaldı. Elde edilen deneysel değerler ile teorik değerler karşılaştırldı, ve sonuçta deneysel sonuçların teorik sonuçlar ile uyumlu olduğu gözlemlendi. Elde edilen sonuçlar literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırıldı. Literatürdeki çalışmaların çoğunda GNPs nanomalzemelerin eklenmesi ile belli bir konsantasyonda maksimum gelişme elde edilmiş ve daha yüksek konsantrasyondaki nanokompozıtlerin malzeme içerisinde habbe ya da çatlaklar oluşturduğu ve bu durumlar polimer içerisinde topaklanma oluşturduğundan mekanik özelliklerin düşmeye başladığı gözlemlenmişken, bu çalışmada GNPs konsantrasyonu arttıkça nanokompozitlerin mekanik özelliklerinin yavaş yavaş arttığı gözlemlendi. Ağırlıkça % 2'lik GNPs'lerin ilavesiyle elektirik iletkenliği ve termal kararlılığının daha iyi şekilde geliştiği gözlemlendi. Sonuç olarak, ATRP tekniği ile üretilen PMMA içerisine GNPs nanomalzemelerin yerinde polimerizasyon metoduyla homojen bir şekilde dağılmış olduğu, malzeme içerisinde habbe ya da çatlakların oluşmadığı, GNPs'nin PMMA ile etkileşimin iyi olduğu gözlemlendi. GNPs nanomalzemenin bu şekilde PMMA içerisine yerleşerek saf PMMA' nın fiziksel özelliklerini iyi şekilde geliştirdiği gözlemlendi ve literatürdeki sonuçlara göre gelişimin daha iyi olduğu gözlemlendi.
Özet (Çeviri)
Poly (methyl methacrylate) (PMMA) is a clear, transparent thermoplastic material with good mechanical properties, high resistance to weathering and excellent heat resistance. Mechanical, thermal, electrical and radiation shielding properties of PMMA can be improved by adding several nanomaterials with excellent properties. The enhanced PMMA materials are the ideal candidates for several application areas such as medical, sensor, solar cell, electronic and aerospace areas.In this study, Graphene Nanoplatelets (GNPs) was selected as nanofiller to enhance the mechanical, thermal, electrical and radiation shielding properties of PMMA. PMMA was produced via ATRP technique. GNPs nanofiller was dispersed by in situ polymerization method because it was the most efficient method to disperse the layered GNPs nanomaterial. SEM, XRD, FTIR, TGA, hardness and compression test, ultrasonic test and gamma transmission techniques are performed to examine the changes in the characteristic properties of PMMA. SEM characterization combined with elemental mapping technique showed that GNPs nanofiller homogeneously dispersed in the PMMA polymer matrix via in situ polymerization method. Besides, the results of the ultrasound tests were supported a homogeneous structure of PMMA/GNPs nanocomposites. XRD pattern of PMMA/GNPs nanocomposites presented a pick at ~26.5° , which is corresponding to the stacking of the graphene layers at a distance of 0.34 nm. The intensity of the pick increased with the rise of the GNPs concentration. The FITR spectra of PMMA/ nanocomposite presented similar spectra with pure PMMA, indicating that interaction occurred between GNPs nanofiller and PMMA polymer matrix. TGA results showed that with the addition of 2% GNPs, the 5% weight loss temperatures shifted from 196.73°C to 243.00°C, improved by 46.27 °C. The thermal stability of PMMA enhanced significantly. With the addition of 2% GNPs the electric conductivity of PMMA improved dramatically from ~ 10-14 S/m to 0.72 S/m. In the ultrasonic test, the Shear modulus, Young's modulus and Microhardness values of pure PMMA were increased by 19.5%,16.8 %, and 14.2% respectively with the addition of 2 wt.% GNPs. Compare to the pure PMMA, with the addition of 2 wt.% GNPs the Rockwell hardness and compressive strength increased by 19.9% and 42.7% respectively. For Cs-137 and Co-60 radioisotopes, with the rise of GNPs concentration, the linear attenuation coefficients increased slightly, however, the mass attenuation coefficients decreased slowly.
Benzer Tezler
- Synthesis of poly (Methyl methacrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes and magnetite nanofillers
Mwcnt ve magnetit nanodolgular ile güçlendirilmiş poli (Metil metakrilat) sentezi
ECEM ERMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Elektroeğirme yöntemi ile üretilen fiberler ile güçlendirilmiş polimetilmetakrilat'ın bazı mekanik ve fiziksel özelliklerinin değerlendirilmesi
Evaluation of some mechanical and physical properties of polymethylmethacrylate reinforced with fibers produced by electrospinning method
TUĞÇE GÜL ELMAS ALSINI
Diş Hekimliği Uzmanlık
Türkçe
2020
Diş HekimliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiProtetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ IŞIN KÜRKÇÜOĞLU
- Yerinde emülsiyon polimerizasyonu yöntemi kullanılarak grafen oksit katkılı polimer nanokompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of graphene oxide reinforced polymer nanocomposites via in situ emulsion polymerization
EZGİ UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Bilim ve TeknolojiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HALE BERBER YAMAK
- Synthesis of acrylic modified hexagonal boron nitride polymers by ATRP
Akrilik fonksiyonlandırılmış hekzagonal bor nitrür polimerlerinin ATRP ile sentezlenmesi
BÜŞRA AKIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
- Production and characterization of polyester/poly(methyl methacrylate) and acrylonitrile butadiene styrene terblends and nanocomposites
Poliester/polimetil metakrilat/akrilonitril stiren bütadien üçlü karışımları ve nanokompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
MEHMET ALİ ORAL
Doktora
İngilizce
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
DR. OSMAN GÖKHAN ERSOY