Synthesis of poly(methyl methacrylate) reinforced by graphene nanoplates
Grafen nano plakalar ile güçlendirilmiş poli(metil metakrilat) sentezi
- Tez No: 676749
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Polimerler günümüz toplumunda oldukça büyük bir öneme sahiptir. Sentetik bir polimer türü olan plastikler hayatımızın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Bir termoplastik türü olan Poli(metil metakrilat) (PMMA) bunlardan biridir ve farklı endüstriyel alanlarda pek çok uygulanabilirliğe sahiptir. PMMA; olağanüstü optik özellikler, saydamlık ve parlaklık, mor ötesi ışınlara ve hava koşullarına karşı gösterdiği direnç, sertlik ve çizilmeye karşı dayanıklılık, rijitlik ve boyutsal sağlamlık ve sınırsız renk seçenekleri gibi üstün özelliklere sahiptir. PMMA'nın bir diğer yararı ise %100 geri dönüştürülebilir olması ve bu sayede doğal kaynak israfına neden olmamasıdır. PMMA, bu avantajlı özellikleri sayesinde diğer plastikler arasında öne çıkmaktadır ve birçok mühendislik uygulaması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, PMMA, uygun mekanik performans ve termal kararlılık gibi bazı özelliklerden yoksundur. Bu noktada, bilim insanları tarafından, polimerlerin özelliklerini iyileştirmek için bazı dolgu malzemeleri kullanılmaktadır. Son yıllarda etkisini her alanda gösteren nanoteknolojinin önemi bu alanda da göze çarpar. PMMA'nın yapısal özelliklerini iyileştirmek için farklı nanomateryaller dolgu maddesi olarak kullanılabilir. Bu çalışmanın konusu; endüstrinin çeşitli alanlarında, özellikle uzay sanayi ile uydu ve havacılık alanlarında kullanılmak üzere, birçok avantajlı özellik barındıran PMMA'nın üstün özelliklere sahip nano malzemeler ile bir araya getirilerek avantajlı özelliklerinin artırılması ve geliştirilmesidir. Bu bağlamda, PMMA'nın mekanik ve termal özelliklerini geliştirmek için, son yıllarda nano dolgu malzemeleri arasında üstün özellikleri ile göze çarpan Graphene Nanoplatelets (GNPs) dolgu malzemesi olarak seçildi. Bu nedenle, bu tez çalışmasında GNPs katkısı ile PMMA yapıda meydana gelen değişimler incelenmiştir. Grafen, 21. yüzyılın mucize malzemesi olarak görülür. GNPs, katmanlar arası mesafe 0.34 nm olan birkaç katman grafenden meydana gelir ve bu katmanlar birbirlerine zayıf Van der Waals kuvveti ile tutunur. Plastikler ile yaygın kullanımı olan Graphene Nanoplatelets (GNPs); mükemmel elektriksel ve termal iletkenlik ve yüksek elastik modül ve mekanik dayanım gibi üstün özelliklere sahiptir. Aynı zamanda, yüksek en boy oranı özellikleri ile nanokompozitler için umut vadeden bir nano dolgu malzemesidir. Bu bağlamda, GNPs'nin sahip olduğu üstün özellikler dikkate alınarak bu tez çalışmasında PMMA/GNPs nanokompozitleri geliştirilmiştir. Bu çalışmada, Poli(metil metakrilat) (PMMA) sentezi için Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) yöntemi seçildi. ATRP yöntemi ile polimer sentezi birçok avantaja sahiptir. ATRP işlemi, zahmetsiz reaksiyon koşulları altında ticari olarak erişilebilir reaktifler kullanılarak gerçekleşir. ATRP ayrıca dikkat çekici derecede makro moleküler yapının kontrol edilmesini sağlar. ATRP ile çeşitli uygulamalarla çok sayıda yeni malzemenin oluşturulması mümkündür. Bu avantajlarının yanında, ATRP'nin zorlayıcı ve dikkat gerektiren bazı özellikleri de mevcuttur. ATRP, çok bileşenli yapısı nedeniyle karmaşık bir süreçtir, bu nedenle optimum koşulları bulmak yorucudur. Yüksek performanslı kompozitler üretebilmek için üretim aşamasında oldukça dikkatli ve titiz çalışmak gerekir. ATRP yönteminin bir diğer dikkat gerektiren yönü oksijen duyarlılığıdır. Oksijen sürekli olarak radikallerin üretilmesine neden olur. Reaksiyon karışımında az miktarda oksijen olsa bile, reaksiyonun tüm seyri etkilenebilir. Bu durumda istenen üstün özelliklerde nanokompozit üretmek imkânsız hale gelir. Bu yüzden, nanokompozit üretim süreci argon gazı bulunan ortamda gerçekleştirilir ve bu konuda gerekli tüm önlemler alınır. Polimer, katılaşmaya başlayıp kalıba döküleceği ana kadar oksijen ile temas ettirilmez. Bu sayede istenilen termal ve mekanik özelliklere sahip nanokompozit üretimi mümkün hale gelir. Çapraz bağlı PMMA/GNPs nanokompozit numuneleri yerinde polimerizasyon yöntemi kullanılarak sentezlendi. GNPs dolgu malzemesinin polimer matrisi içinde homojen dağılımını sağlamanın en etkili yöntemi yerinde polimerizasyon yöntemidir. Ancak, polimerde GNPs dolgu malzemesinin (özellikle büyük miktarlarda) uygulanmasında zorlayıcı bir nokta vardır. GNPs dolgu malzemesinin (özellikle toplu miktarlarda) avantajlı özelliklerinden yararlanmak amacıyla, PMMA/GNPs nanokompozit sentezindeki en büyük problem, polimer matrisinde GNPs'lerin homojen dağılımıdır. Bu çalışma, etkin bir üretim tekniği olarak ATRP yöntemini kullanarak nanokompozitlerin mekanik özelliklerini geliştirmek amacıyla bu dispersiyon problemini çözmeye odaklanmıştır. PMMA/GNPs nanokompozit örneklerinin karakteristik özelliklerini çeşitli yönlerden analiz etmek; nano dolgu malzemesinin polimer üzerindeki etkisini gözlemleyebilmek ve PMMA'ya entegrasyonunu inceleyebilmek amacıyla birçok karakterizasyon yöntemi uygulanmıştır: SEM (Taramalı Elektron Mikroskop) karakterizasyonu, XRD (X-Işını Kırınımı) analizi, FTIR (Fourier Dönüşüm Kızılötesi Spektroskopisi) analizi, TGA (Terrmogravimetrik) analizi, Raman Spektroskopi Analizi, XPS (X-Işını Fotoelektron Spektrometresi) analizi, Statik Temas Açısı ölçümü ve Ultrasonik test. PMMA/GNPs nanokompozitlerinin yüzey morfolojisi SEM görüntüleri kullanılarak analiz edildi. Nanokompozitlerin yüzeyinde büyük aglomeraların görülmemesi, GNPs'lerin PMMA matrisinde homojen dağıldığını gösterir. Bu homojen dağılım, GNPs nano malzemenin PMMA'nın yüzeyine iyi bir şekilde yapıştığı anlamına gelir. Homojen dağılım aynı zamanda gelişmiş mekanik özelliklere işaret eder. Bu yüzden oldukça büyük bir öneme sahiptir. XRD analizi, PMMA'daki GNPs miktarının artmasıyla nanokompozit yapının kristal özelliklerindeki değişiklikleri incelemek için yapıldı. Nanokompozit XRD kırınım desenleri, 0.34 nm mesafeli grafen katmanlarının istiflenmesine karşılık gelen ~ 26,5°'lik bir tepe noktasına sahipti. GNPs konsantrasyonunun artmasıyla pik yoğunluğu artmıştır. Bununla birlikte, kütlece düşük konsantrasyonlu numunelerde (%0,2 ve %0,5) zar zor farkedilir bir GNPs zirvesi vardır. Bu durum GNPs nanomalzemenin PMMA içerisinde tamamen dağıldığını gösterir. GNPs'lerin eklenmesiyle kristalliği iyileştirmek, polimer nanokompozitlerin mekanik özelliklerinde de iyileşme ile sonuçlanır. PMMA'nın kimyasal yapısının, GNPs eklenmesiyle birlikte nasıl bir değişiklik gösterdiği FTIR analizi yapılarak araştırılmıştır. Saf PMMA spektrumları, PMMA/GNPs nanokompozitleri ile eşdeğer spektrumlar gösterdi; bu da PMMA polymer matrisi ile GNPs arasında güçlü bir etkileşimin var olduğunu gösterir. TGA analizi, üretilen nano kompozitlerin termal kararlılığını incelemek amacıyla uygulandı. Analiz sonuçlarından elde edilen verilere göre, GNPs nano dolgu malzemesinin katkısı ile PMMA'nın termal kararlılığı önemli derecede artmıştır. GNPs nano katkı malzemesinin nanokompozitler içerisindeki kütlece yüzdesi arttıkça, nanokompozitlerin termal kararlılığı da artmıştır. En iyi termal kararlılık kütlece %3 GNPs ile görülmüştür. Saf PMMA'ya kıyasla, kütlece %3 GNPs eklendiğinde PMMA/GNPs nanokompozitin %5'lik kütle kaybı ~ 47°C'lik bir sıcaklık artışı ile gerçekleşmiştir. GNPs nano dolgu malzemesinin PMMA ile bağlanma etkileşimini ve pul pul dökülme derecesini değerlendirmek için Raman spektroskopi analizi uygulandı. Raman analiz sonuçları, GNPs konsantrasyonuna bağlı olarak üç ana pik değişimi (~ 1350, ~ 2700 ve ~ 1580 cm -1) göstermiştir. PMMA/GNPs nanokompozitlerinin içerisindeki grafen katmanlarının sayısındaki artış nedeniyle, Raman zirve noktalarının şiddeti azalmıştır. PMMA/GNPs nanokompozitlerinin kimyasal bileşimindeki değişikliği ve yüzey kimyasını karakterize etmek için XPS analizi uygulandı. XPS spektrumu, GNPs miktarının artmasıyla daha yüksek yoğunlukta C1s ve O1s zirveleri sergiledi. XPS analiz sonuçları, PMMA/GNPs nanokompozitlerin nanometre mertebesinde homojen bir yapı oluşturduğunu gösteriyor. Bu çalışmadaki piklerin pozisyonları, literatürdeki piklerin pozisyonları (polimer yapısında GNPs'lerin varlığı) ile benzerdi. Statik Temas Açısı ölçümü, katı ve sıvı arasındaki etkileşimde temasın mukavemeti, ıslanabilirlik ve hidrofobikliği incelemek için yapılmıştır. Nanokompozitlerin temas açısı, nano dolgu ilavesiyle artmıştır. PMMA, yaklaşık 68° temas açısına sahip hidrofilik bir polimerdir. GNPs nano dolgu malzemesi, PMMA'nın temas açısı değerini arttırmada etkili oldu. En yüksek temas açısı değeri ağırlıkça %3'te 82,4° olarak ölçülmüştür. Bu temas açısı değerinin literatürdeki diğer Polymer/GNPs nanokompozitlerinin temas açısı değerleri ile karşılaştırıldığında yüksek bir değer olduğu görülür. PMMA/GNPs nanokompozitlerin mekanik özelliklerini tespit etmek için Ultrasonik test uygulandı. Mekanik özelliklerin tespiti, nanokompozitlerin yoğunluk değerleri ve malzeme içerisinde ilerleyen boyuna ve enine dalga hızları kullanılarak hesaplanmıştır. PMMA/GNPs nanokompozitlerinin yoğunluk ölçümü Gaz Psikometrisi tekniği kullanılarak yapılmıştır. Ultrasonik test yöntemi kullanılarak PMMA/GNPs nanokompozitlerinin Mikrosertliği, Kesme modülü ve Young modülü değerleri hesaplanmıştır. GNPs, PMMA'nın mekanik özelliklerini arttırmak için faydalı ve etkili bir nano dolgu malzemesidir. GNPs nano dolgu malzemesinin polimer matrisi içerisindeki kütlece yüzde artışı ile elastik özellikler geliştirildi. Kütlece %3 GNPs'den oluşan nanokompozitte; Mikrosertlik, Young modülü ve Shear modülü için optimum değerlere ulaşılmıştır. Sonuçlar saf PMMA ile karşılaştırıldığında: Mikrosertlik, Young modülü ve Shear modülü için sırasıyla %18,22, %17,54 ve %17,63 oranında iyileşme oranı elde edildi. Polimer matris içindeki nano dolgu malzemelerin mükemmel homojen dağılımı bu çalışmanın sonuçları ile kanıtlanmıştır. Bu çalışmada, düşük miktarlarda grafen kullanılmasına rağmen nanokompozitlerin mekanik ve termal özellikleri önemli ölçüde iyileştirildi.
Özet (Çeviri)
Poly(methyl methacrylate) (PMMA) is the transparent and clear thermoplastic and it has a lot of applicable usages in different industrial areas. Nevertheless, electrical conductivity, mechanical performance, and thermal stability are a disadvantage for PMMA. In the aim of enhancing its structural characteristics, several nanomaterials are utilized as fillers. Graphene nanoplatelets (GNPs) was used as a nanofiller in Poly(methyl methacrylate) (PMMA) synthesized by the Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) method. The first step in the synthesis of the PMMA/GNPs was the dispersion of GNPs in the PMMA liquid monomers by combining the solutions so that GNPs had superior thermal stability, mechanical properties and electrical conductivity also lower density of mass. Then the crosslinked PMMA/GNPs nanocomposite samples were produced by using the in-situ polymerization method. However, there was a challenging technical problem in the application of GNPs (at a large amount) in the polymer. For the purpose of benefiting from the advantageous properties of GNPs (especially in bulk quantities) at PMMA, the major problem at the synthesis of PMMA/GNPs nanocomposite was the GNPs dispersion in the polymer matrix. This research has focused on solving the dispersion problem. The aims of the enhancement of the mechanical properties of the nanocomposite were performed by utilizing the ATRP method as the effective production technique. The structural characterization of PMMA/GNPs nanocomposite was performed for the examination of the integration of GNPs in PMMA. In the aim of determining the interactions of materials, several methods were used to characterize the materials' structural and chemical properties: SEM, XRD, FTIR, TGA, Raman Spectroscopy and XPS analysis, Static Contact Angle measurement, and Ultrasonic test. The surface morphology of the PMMA/GNPs nanocomposite was analyzed using SEM analysis images. In the analysis of scanning electron microscopy, micron-scale lack of huge agglomerates shows outstanding dispersion of GNPs in the PMMA matrix. X-Ray Diffraction (XRD) as a non-destructive test method was used to examine the changes in the crystalline features of the nanocomposites' structure with the rise of the nanofiller amount in PMMA. The nanocomposite XRD diffraction patterns had a ~ 26.5° peak, which corresponded to the 0.34 nm distance graphene layers stacking. With the rise of the nanofillers concentration, the peak intensity has increased. Improving crystallinity with the addition of GNPs results in enhancement in the mechanical properties of polymer nanocomposites as well. FTIR was utilized to investigate the chemical structure of polymer nanocomposites and PMMA. Pure PMMA spectra were similar to the spectra of the nanocomposites, indicating that the polymer and nanofiller interaction was successful. TGA analysis was utilized to measure the change of mass associated with temperature increase. There was a ~ 47°C heat increase and weight loss of 5% at GNPs 3% compared to pure PMMA. Raman spectroscopy was used to evaluate the GNPs bonding interaction and exfoliation extent with PMMA. Raman spectra of PMMA/ GNPs nanocomposite samples and Pure PMMA have shown similar changes of the main three peaks which depend on the concentration of GNP (~1350, ~2700 and ~ 1580 cm−1). All of the Raman peaks slight decrease of intensity was caused by the increase of graphene layer amount. XPS analysis method was used to examine the PMMA/GNPs nanocomposites' surface chemistry and change of chemical composition. The XPS spectrum displayed higher intensity of C1s and O1s peaks with GNPs amount increase. The locations of these peaks in this study were almost identical with the locations of the peaks (with the other Polymer/GNPs structures) in the literature. Static Contact Angle Measurement was taken place to analyze the strength of contact, wettability, and hydrophobicity in the interaction between solid and liquid. By measuring the contact angle of a distilled water drop that was deposited on the polymer's surfaces, the determination of the nanocomposite wettability was carried out. PMMA is a polymer that is hydrophilic with an approximately 68° water contact angle. At GNPs 0.2% a 73.6° contact angle was measured and at GNPs 3% was 82.4°. In this study, the nanocomposite contact angle has increased with the nanofillers' addition. By utilizing ultrasonic tests, the examination of the nanocomposite structure discontinuous or volumetric changes and the nanofillers dispersion quality was carried out. The polymer matrix nanofillers excellent homogenous dispersion was proved by the results of this study. The nanocomposite mechanical properties detailed information about the enhancements were gained by utilizing the ultrasonic nondestructive test. At GNPs 3% the optimum values of Microhardness, Young's modulus and Shear modulus were achieved. In comparison to the pure PMMA an 18.22%, 17.54% and 17.63% respectfully enhancement rate was gained. With the concentration increase of GNPs, the elastic properties got slightly improved. In spite of using very low amounts of graphene the nanocomposites' mechanical and thermal properties were improved dramatically.
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
- Polymethyl methacrylate yapının farklı iyonizan radyasyon tipleri karşısındaki davranışlarının partikül takviyesiyle değişiminin incelenmesi
Investigation of the change of the behavior of polymethyl methacrylate structure against different types of ionizing radiation with particle reinforcement
HİLAL MACUN ELMALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Poli(bütil akrilat-metil metakrilat) nanokompozitlerin film özelliklerinin incelenmesi ve boya bağlayıcısı olarak kullanımı
Investigation of poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) nanocomposite film properties and its uses as paint binder
ALİCAN VATANSEVER
Doktora
Türkçe
2015
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET SİRKECİOĞLU
- Poliβ-alanin aşılı fırça tipi polimetil metakrilat sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of the brush type polymethyl methacrylate grafted polyβ-alanine
GİZEM NUR ÇOLAKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
KimyaGiresun ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEMEL ÖZTÜRK
DOÇ. DR. EFKAN ÇATIKER
- Poli(metil metakrilat-b-ε-kaprolakton) kopolimerinin eş zamanlı atom transfer radikal ve halka açılması polimerizasyonları ile sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of poly(methyl methacrylate-b-ε-caprolacton) copolymer with simultaneous atom transfer radical and public-opening polymerizations
GÖZDE ŞENAY DEMİR