Synthesis of poly (Methyl methacrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes and magnetite nanofillers
Mwcnt ve magnetit nanodolgular ile güçlendirilmiş poli (Metil metakrilat) sentezi
- Tez No: 725912
- Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- 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: 147
Özet
Polimer teknolojileri yakın tarihimizde bilim ve mühendislik alanındaki en önemli kazanımlardan biri olarak gösterilmektedir. Polimerler sentetik formu plastikten, doğal formu DNA ve proteinlere kadar kimyasal ve fiziksel yapılarına göre çok çeşitli malzeme grubuna sahiptir. Bunlardan biri ise termoplastik ve amorf yapıda bulunan poli (metil metakrilat) (PMMA) yani bilinen adıyla akriliktir. PMMA, hafif ve kolay şekillenebilen bir malzemedir ve bu özelliği sayesinde endüstriyel alanda kullanımı oldukça yaygındır. Ayrıca saydam ve parlak yapısı sayesinde optik özellikleri cam ile kıyaslanabilmektedir ve düşük geçirgenlik özelliği göstermektedir. Malzemenin sertlik ve çizilme dayanıklığı ve düşük maliyeti ile de endüstriyel kullanımda cam ve camsı ürünlerin yerini almaktadır. Ekstrem hava koşullarına karşı dirençli olması sebebiyle de konstrüksiyon uygulamalarda tercih edilen bir polimer türüdür. PMMA'nın yapısında uygulanacak güçlendirmeler ile, çeşitli polimerizasyon metotları doğrultusunda özel nitelikler ve kazanımlar elde etmek mümkündür. Günümüzün en popüler teknolojilerinden biri olan nanoteknoloji ile birlikte hazırlanan PMMA nanokompozitlerinin, polimer matrisine doğru ve homojen bir dağılım elde edilmesiyle olağanüstü özellikler gösterdiği gözlenmektedir. Nanomalzemeler arasında oldukça yaygın olarak kullanılan karbon nanotüpler (CNT), güçlendirme takviyesi olarak polimer türevi malzemelerde kullanılmaktadır. Karbon nanotüpler, grafen tabakasının dairesel şekilde katlanarak oluşturduğu silindirik yapıya verilen isimdir. Katlanma durumuna göre tek duvarlı (Single-walled) ya da çok duvarlı (Multi-walled) olacak şekilde iki tür karbon nanotüp oluşmaktadır. PMMA ile MWCNT'un oluşturduğu nanokompozit yapının termal stabilite, termal direnç, yüksek mukavemet, sertlik vb. gibi mekanik ve termal özelliklerinde olağanüstü artış gözlenmektedir. Birçok önemli niteliği içinde barındıran polimer-nano eşleşmesi uzay, savunma, uydu, havacılık vb. gibi endüstriyel çalışma alanlarında sıklıkla kullanılmaktadır. Günümüzde birçok alanda kullanılmaya başlayan bir diğer nanopartikül grubu ise manyetit nanopartiküller olarak adlandırılan ferrit (Fe3O4), kobalt ferrit (CoFe2O4), ve onların metalik oksitleridir (Co3O4). Bu nanoparçacıklar ile güçlendirilen nanokompozitlerin homojen dağılma ve toplanma derecesine parçacıklar arasındaki etkileşim gücüne ve yüzey manyetizmasına büyük ölçüde katkıları bulunmaktadır. Bu yüksek lisans tez çalışmanın amacı, PMMA polimerinin MWCNT nanopartikülleriyle güçlendirilip, aynı zamanda manyetit nanoparçacıkların takviye edilmesiyle PMMA polimerinin mekanik ve termal özelliklerinin geliştirilmesi, uzay, havacılık ve uydu teknolojileri gibi endüstriyel alanlara katkı sağlamaktır. Ayrıca, nanopartiküllere takviye edilen manyetit nanoparçacıkların etkisinin tartışılması açısından inorganik yapıda kobalt sülfat heptahidrat (CoH14O11S) kristali MWCNT ile güçlendirilmiş PMMA polimerine takviye edildi. Bu çalışmada, polimerizasyon yöntemi olarak Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) tercih edilmiştir. ATRP, kontrollü-yaşayan radikal polimerizasyon uygulamarında, erişimi kolay ve düşük maliyetli reaktifler içermesi, laboratuvar ortamında kolaylıkla uygulanabilir oluşu nedenleriyle yaygın olarak tercih edilen bir yöntemdir. Bu yöntemin avantajları; polimer zincirlerinde kontrollü ve hızlı bir şekilde büyüme gerçekleşmesi, makro moleküler düzeyde işlevsellik ve katalitik sistemin aktif ve deaktif mekanizmasını beraberinde taşımasıdır. Ayrıca deney koşulları istenilen şekilde optimize edilebilmektedir. Ancak fazla bileşen grubuna sahip bu yöntemde optimum koşullara ulaşmak beklenilenden zordur. ATRP havaya duyarlı bir yöntem olduğundan ve istenmeyen radikallerin oluşmaması adına oksijen alımını engelleyici bir düzenekte çalışmak önemlidir. Bu olumsuz şartları engellemek ve üretilen nanokompozitlerin kalitesini etkilememek adına deney düzeneği Argon gazı ortamında çalışmaktadır. PMMA/Nanodolgu nanokompozitleri ve PMMA kompozitleri ATRP yöntemi kullanılarak başarı ile üretildi. Karakterizasyon analizleri için ise Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşüm Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), X-Işını Kırınımı (XRD), Termogravimetrik Analiz (TGA), Raman Spektrokopisi, X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Ultrasonik Test, Statik Temas Ölçümü analizi, Rockwell M Sertlik Testi gibi birçok farklı uygulama gerçekleştirilmiştir. Yüzey morfolojisi için kullanılan SEM analizinde, PMMA/MWCNT, PMMA/Manyetit ve PMMA/CoH14O11S/MWCNT nanokompozitleri incelendiğinde tüm örneklerin yüzeyindeki homojen dağılım dikkat çekmektedir. Nanopartiküllere ait herhangi bir agregasyon veya topaklanma gözlenmemekle birlikte, nanopartiküllerin polimer kafesine oldukça düzenli dağılım gösterdiği ve bu sayede mekanik özellikleri etkileyeceği gözlenmiştir. XRD karakterizasyonunda ise dolgu ajanlarının miktarı arttıkça kristal yapıdaki değişimler analiz edildi. Bu test sonucuna göre, PMMA ve nanopartiküllere ait karakteristik kırınım değerleri elde edildi. PMMA'nın kimyasal yapısının farklı dolgu ajanları eklenmesi ile birlikte gösterdiği değişim FT-IR analizi ile araştırıldı. Farklı dolgu malzemelerinin PMMA polimeri ile bağlanma etkileşimlerini değerlendirmek ve kimyasal analizi yorumlamak için ayrıca Raman Spektroskopisi'ne başvuruldu. FT-IR ve Raman Spektroskopisine ait test sonuçlarında ise PMMA ile nanopartiküllerin etkileşiminin homojen ve oluşan piklerin karakteristik spektrumları başarılı bir şekilde karşıladığı gözlenmiştir. PMMA ile oluşturulmuş nanokompozitlerin kimyasal bileşimindeki ve bağ sayısındaki değişimi, ve ayrıca yüzey kimyasının karakterize edilmesi için XPS analizi uygulandı. XPS analizi sonucunda nanokompozitin kütlece yüzde oranı arttıkça karbon ve oksijen elementindeki artış gözlenmiştir. Aynı zamanda karakteristik elementlerin varlığı test sonuçları ile doğrulanmıştır. Ultrasonik test analizi ise mekanik özelliklerin araştırılması için gerçekleştirilmiştir. Elastik modülü, kayma modülü ve mikrosertlik gibi kavramlar çeşitli denklemler yardımıyla, enine ve boyuna dalga hızları kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplamalara göre, kütlece %4 lük PMMA/MWCNT nanokompoziti ~%54 lük kayma modülü, ~%53 lük mikrosertlik ve ~%59'luk elastik modülü artışı gözlenmiştir. Ayrıca kütlece %3 lük PMMA/Co3O4/MWCNT nanokompozitine ait ~%48 lik kayma modülü, ~%46 lık mikrosertlik ve ~%49'luk elastik modülü artışı gözlenmiştir. Üretilen malzemelerin termal kararlılığını incelemek için TGA analizi uygulandı. TGA ölçümleri sonucunda ise kütlece %4 lük PMMA/MWCNT nanokompoziti baz PMMA ile kıyaslandığında %5 lik kütle kaybı yaşadığı sıcaklığı ~48°C artış ile geliştirmiştir ve ~%23'lük bir iyileştirme gözlenmiştir. Ayrıca %3'lük PMMA/CoFe2O4/MWCNT nanokompoziti baz PMMA ile kıyaslandığında %5'lik kütle kaybı yaşadığı sıcaklığı ~39°C artış ile geliştirmiştir ve ~%5'lik bir iyileştirme gözlenmiştir. Katı ve sıvı fazlar arasındaki etkileşimde temasın mukavemeti, ıslanabilirlik ve hidrofobikliği yorumlamak için Statik Temas Açısı ölçümleri gerçekleştirildi. PMMA ile oluşturulan nanokompozitlerin malzeme içerisinde kütlece yüzdesi arttıkça, temas açılarında artış gözlenmiştir. Üretilen baz PMMA'ya oranla PMMA/MWCNT nanokompozitlerinde ~%29'luk gelişme kaydedilmiştir. Bu çalışmada 87.7° ile en başarılı temas açısı ölçümü ise kütlece %3'lük PMMA/Co3O4/MWCNT nanokompozitinden alınmıştır.Rockwell M sertlik deneyi ile nanokompozit örnekleri incelenmiş olup, 93.4 ile en yüksek değer kütlece %3 lük PMMA/Co3o4/MWCNT nanokompozitine aittir. Bu çalışmada düşük miktarlarda nanopartikül takviyesi ile mekanik ve termal özellikler literatür çalışmalarına kıyasla geliştirilmiş olup, homojen dağılım ve polimer matrisi içerisine yüksek entegrasyon3 ) O_4 sağlanmıştır. Ayrıca farklı dolgu ajanları kullanılarak polimer-dolgu arayüzü etkileşimleri hakkında karşılaştırma yapma imkânı elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Polymer technologies are shown as one of the most important achievements in science and engineering in our recent history. Polymers have a wide variety of material groups according to their chemical and physical structures, from synthetic form plastic to natural form DNA and proteins. One of them is poly (methyl methacrylate) (PMMA), known as acrylic, which has a thermoplastic and amorphous structure. PMMA is a lightweight and easily shaped material, and thanks to this feature, widely used in industrial fields. In addition, the transparent structure of PMMA exhibits low transmittance, and therefore optical properties can be compared with glass. With the hardness and scratch-resistance of the material and relatively low cost, PMMA replaces glass and vitreous products in industrial use. PMMA is a polymer type preferred in construction applications due to resistance to extreme weather conditions. With the reinforcements to be applied in the structure of PMMA, there is a strong possibility to obtain unique properties by attempting various polymerization methods. Manufacturing PMMA nanocomposites indicates extraordinary properties by obtaining an accurate and homogeneous distribution to the polymer matrix. Carbon nanotubes (CNT), which are widely used among nanomaterials, are used in polymer-derived materials as reinforcement factors. Carbon nanotubes are the name given to the cylindrical structure formed by the circular folding of the graphene layer. Depending on the folding state, two types of carbon nanotubes are formed as single-walled (SWCNT) or multi-walled (MWCNT). The nanocomposite structure formed by PMMA and MWCNT has thermal stability, thermal resistance, high strength, hardness, etc. The polymer-nano coupling contains an extraordinary increase in mechanical and thermal properties, which implicates many important qualities, can be used in industries for space, defense, satellite, aviation, etc. Another group of nanoparticles that is used in many industrial fields defines as magnetite nanoparticles, which are called ferrite (Fe3O4), cobalt ferrite (CoFe2O4), and their metallic oxides (Co3O4). The nanocomposites strengthened with these nanoparticles greatly contribute to the homogeneous dispersion and aggregation degree, the interaction force between the particles, and the surface magnetism. This study aims to contribute to industrial areas such as aerospace, aviation, and satellite technologies, improving the mechanical and thermal properties of PMMA polymer by strengthening the PMMA polymer with MWCNT nanoparticles and reinforcing with magnetite nanoparticles simultaneously. Additionally, to discuss the effect of magnetite nanoparticles reinforced on nanoparticles, inorganic cobalt sulfate heptahydrate (CoH14O11S) crystal was reinforced with PMMA polymer reinforced with MWCNT. Atomic Transfer Radical Polymerization (ATRP) was selected as the polymerization method in this study. ATRP is a widely preferred method in controlled-living radical polymerization applications because of the easy-to-access and low-cost reagents and is easily applicable in the laboratory environment. Advantages of this method; are controlled and rapid growth in polymer chains, functionality at the macromolecular level, and containing both the activate and deactivate mechanism of the catalytic system. Additionally, the experimental conditions can be optimized as desired. However, it is more difficult than expected to reach the optimum conditions in this method with many component groups. Since ATRP is an air-sensitive method, it is important to work in a mechanism that prevents oxygen uptake to prevent the formation of unwanted radicals. To prevent these unfavorable conditions and not impact the quality of the produced nanocomposites, the experimental setup operates in the Argon gas environment. PMMA/Nanofiller nanocomposites and PMMA composites were successfully produced using the ATRP method. For characterization analysis, Scanning Electron Microscope (SEM), Fourier Transformation Infrared Spectroscopy (FT-IR), X-Ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Raman Spectroscopy, X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Ultrasonic Test, many distinct applications such as Static Contact Measurement analysis, and Rockwell M Hardness Test have been carried out. In the SEM analysis used for the surface morphology, when PMMA/MWCNT, PMMA/Magnetite, and PMMA/CoH14O11S/MWCNT nanocomposites are examined, the homogeneous distribution on the surface of all samples draws attention. Although no aggregation or clumping of the nanoparticles was observed, in fact, the nanoparticles showed a fairly regular distribution in the polymer lattice, thus affecting the mechanical properties. In XRD characterization were analyzed changes in the crystal structure. According to this test result, characteristic diffraction values of PMMA and nanoparticles were obtained. FT-IR and Raman Spectroscopy results indicate that the interaction of PMMA and nanoparticles successfully satisfied the characteristic spectra of homogeneous and particular peaks. XPS analysis results also indicate that the increase in carbon and oxygen element was observed as the mass percent of the nanocomposite increased. At the same time, the presence of characteristic elements was confirmed by test outcomes. Ultrasonic test analysis was carried out to investigate the mechanical properties. Concepts such as elastic modulus, shear modulus, and microhardness were calculated using transverse and longitudinal wave velocities and with the help of various equations. According to the calculations, 4% wt. of PMMA/MWCNT nanocomposite display an increment to shear modulus of ~54%, the microhardness of ~53%, and an elastic modulus of ~59%. Furthermore, ~48% shear modulus, ~46% microhardness, and ~49% elastic modulus increment were observed for 3% wt. of PMMA/Co3O4/MWCNT nanocomposite. As a result of TGA measurements, 4% wt of PMMA/MWCNT nanocomposite improved the temperature at which it experienced 5% mass loss compared to pure PMMA with an increase of ~48°C. In addition, 3% wt of PMMA/CoFe2O4/MWCNT nanocomposite improved the temperature at which it experienced 5% mass loss compared to pure PMMA with an increase of ~39°C.
Benzer Tezler
- Synthesis of poly(methyl methacrylate) reinforced by graphene nanoplates
Grafen nano plakalar ile güçlendirilmiş poli(metil metakrilat) sentezi
ELİF KOCAÇINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
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