Effect of polymer architecture on structure and dynamics of polymer nanocomposites
Polimer mimarisi'nin polimer nanokompozitlerin yapısı ve dinamiği üzerindeki etkisi
- Tez No: 881803
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 148
Özet
Polimer nanokompozitler (PNC'ler), çeşitli uygulamalar için son derece çekici kılan olağanüstü fiziksel özelliklere sahiptir. Bu sistemlerin araştırması genellikle lineer polimer zincirlere odaklanmış olsa da, polimer matris mimarisinin lokal dinamikler, kitlesel reoloji ve nanoparçacık (NP) hareketi üzerindeki etkisi büyük ölçüde keşfedilmemiştir. Bu araştırmanın ilk aşamasında, kuantum elastik nötron saçılma, kitlesel reoloji ve X-ışını foton korelasyon spektroskopisi kullanarak, sferik silika nanoparçacıkların poli(etilen oksit) matrislerinde (lineer, yıldız ve hiperdalgalı olarak belirli mimarilere sahip) iyi dağılmış nanokompozitleri inceledik. Bulgularımız, nanokompozitlerin mekanik güçlendirmesinin, lineer polimerlere göre orders of magnitude değiştirilebileceğini göstermektedir. Polimer sıkılığı ve içpenetrasyonun, kitlesel reolojiyi belirlemede kilit roller oynadığı belirlendi. Ayrıca, mikroskobik düzeyde, çekici NP'lerin yüksek derecede dallanmış matrislerde ortalama segmental dinamikleri önemli ölçüde yavaşladı, bu durum lineer polimer matrislerinde eşdeğer NP yüklemelerinde gözlemlenen ihmal edilebilir etkinin aksine. Ayrıca, kompakt olmayan matrislerdeki nanometre ölçekli dinamikler, büyük hacim elastikiyetinden güçlü bir şekilde ayrışarak, hızlı bir rahatlama sağladı, bu da yaklaşık% 30'a kadar hacimde bile. PNC'lerde olağanüstü reolojik performansın büyük ölçüde arayüzey polimerlerin bir kısmına bağlanır. Ancak, arayüzey polimerin yapısını ve dinamiklerini kontrol etmek için sınırlı stratejiler bulunmaktadır. İkinci aşamada, arayüzey polimerlerin makromoleküler mimarisini değiştirme üzerine odaklanan bir yöntem öneriyoruz. Sonuçlarımız, bağlı polimerin topolojisini lineerden yıldıza ve hiperdalgalıya değiştirmenin, çekici PNC'lerde polimer-NP etkileşimini ve interfaselerde zincir içi nüfuzunu etkili bir şekilde değiştirdiğini göstermektedir. PNC'lerin dispersiyonu ve reolojik davranışının, arayüzelerde kullanılan polimerlerin işlevselliği ve kol uzunluğuna bağlı olduğu açıktır. Farklı polimer zincir mimarileri, temelde farklı reolojik tepkilere ve içsel dinamiklere yol açar, bu da ayarlanabilir mekanik davranışa sahip ileri termoplastik nanokompozitleri rasyonelleştirmek için fırsatlar sunar. Üçüncü aşamada, lineer, şişe fırça ve yıldız mimarilere sahip aynı toplam molar kütleye sahip üç model poli(metil metakrilat) (PMMA) polimerini, düzgün formlarında ve iyi dağılmış silika nanoparçacıkları içeren nanokompozitler olarak inceledik. Lineer zincirler birbirine dolanmış bir polimer ağı oluştururken, dallı şişe fırça ve yıldız zincirler, Rouse ve terminal akış arasında zayıf bir kol rahatlama rejimi ile birlikte kauçuklu dolanma platosu olmadan bir viskoelastik tepki gösterdi, diğer dallı polimerlere benzer şekilde. Nanoparçacıkların eklenmesi, çoğunlukla terminal rahatlama rejimini etkiledi, çekici nanoparçacıkların varlığında genel zincir hareketini engelledi. Geniş bant dielektrik spektroskopisi sonuçları, yıldız homopolimerler için segmental rahatlama için 10 kat daha yavaş ve üç mimarinin kompozit formundaki α-raksasyon sürecinde yavaşladığını gösterdi. Dördüncü aşamada, küçük açılı ışık saçılma (SALS), UV-vis spektroskopisi ve reoloji kullanarak, polimer zincir mimarisinin polimer-NP çözeltilerinin dispersiyonu ve viskozitesi üzerindeki etkisini inceledik. Bulgularımız, aynı moleküler ağırlığa sahip lineer polimerlere göre yıldız polimerlerin kısa kollarla daha kompakt bir polimer tabakası oluşturduğunu göstermektedir. Ayrıca, çözeltilerin viskozitesi, dallanma eklenmesine doğrudan bir tepki gösterdi ve lineer polimerler içeren çözeltilerde, hiperdalgalı polimerler içeren çözeltilere kıyasla altı kat daha yüksek viskozite ölçüldü. Beşinci ve son aşamada, X-ışını foton korelasyon spektroskopisi (XPCS) ve reoloji kullanarak farklı polimer mimarileri ile çözümlerdeki NP'lerin yapısını ve dinamiklerini inceledik. Polimer zincirlerinin dallanma miktarındaki artışla NP'lerin yapısındaki düzensizlik arasında doğrudan bir ilişki gözlendi. Yüksek derecede dallanmış mimarilerdeki hidroksil uç grupları, silika NP'lerin yüzeyini protonladı, bu da etkili yüzey yükünün azalmasına ve NP'ler arasındaki elektrostatik itme zayıflamasına neden oldu. Bu durum, NP'ler arasındaki hariç tutulan hacmin azalmasına ve NP'ler arasındaki daha geniş bir aralık aralığına yol açtı. Ayrıca, dallanmanın artması, NP'lerin ortamda difüzyonunu doğrudan etkiledi, bu durum, daha az dallanmış lineer ve dört kollu yıldız polimerler içeren çözeltilerde subdifüzyon hareketine ve hiperdalgalı zincirler içeren çözeltilerde difüzyona neden oldu. Sonuç olarak, bu kapsamlı çalışma, polimer mimarisi ile nanokompozitlerin fiziksel özellikleri arasındaki karmaşık etkileşimlere dair önemli anlayışlar sunar. Bu, çeşitli uygulamalarda geliştirilmiş performansa sahip ve ayarlanabilir mekanik davranışa sahip özel malzemeler tasarlama temeli oluşturur.
Özet (Çeviri)
Polymer nanocomposites (PNCs) possess exceptional physical properties that make them highly desirable for various applications. While the investigation of these systems has predominantly focused on linear polymer chains, the influence of polymer matrix architecture on local dynamics, bulk rheology, and nanoparticle (NP) motion remains largely unexplored. In the first phase of this research, we utilized quasi-elastic neutron scattering, bulk rheology, and X-ray photon correlation spectroscopy to examine nanocomposites comprising spherical silica nanoparticles well dispersed in poly(ethylene oxide) matrices with distinct architectures (linear, stars, and hyperbranched). Our findings demonstrate a profound alteration in the mechanical reinforcement of nanocomposites with nonlinear polymers, surpassing conventional counterparts with linear polymers by orders of magnitude. The pivotal roles of polymer compactness and interpenetrability in determining bulk rheology were identified. Moreover, at the microscopic level, the average segmental dynamics were significantly impeded by attractive NPs in matrices with a high degree of branching, contrasting the negligible effect observed in linear polymer matrices at equivalent NP loadings. Additionally, nanoscale dynamics in compact nonlinear matrices exhibited strong decoupling from bulk viscoelasticity, enabling rapid relaxation even at approximately 30% by volume. In PNCs, the outstanding rheological performance is largely attributed to a significant fraction of interfacial polymers. Nevertheless, strategies to control the structure and dynamics of interfacial polymers have been limited. In the second phase, we propose a facile approach centered on varying the macromolecular architecture of interfacial polymers. Our results demonstrate that altering the topology of bound polymers from linear to star and hyperbranched structures effectively modifies polymer-NP interactions and chain interpenetration in interphases, without altering the type, molecular weight of the polymer, or NP surface chemistry in attractive PNCs. The dependency of dispersion and rheological behavior of PNCs on the functionality and arm length of polymers at interfaces is evident. Distinct polymer chain architectures lead to fundamentally different rheological responses and internal dynamics, offering opportunities to rationalize advanced thermoplastic nanocomposites with tunable mechanical behavior. In the third phase, we investigated three model poly(methyl methacrylate) (PMMA) polymers with linear, bottlebrush, and star architectures, each having the same total molar mass, in their neat form and as nanocomposites with well-dispersed silica nanoparticles. Linear chains formed an entangled polymer network, while branched bottlebrush and star chains exhibited a viscoelastic response without a rubbery entanglement plateau and a weak arm relaxation regime between Rouse and terminal flow, akin to other branched polymers. The addition of nanoparticles primarily influenced the terminal relaxation regime, hindering the overall chain motion in the presence of attractive nanoparticles. Broadband dielectric spectroscopy results revealed over 10 times slower segmental relaxation for star homopolymers and a slowdown in the α-relaxation process for all three architectures in their composite form. In the fourth phase, utilizing small angle light scattering (SALS), UV-vis spectroscopy, and rheology, we examined the effect of polymer chain architecture on the dispersion and viscosity of polymer-NP solutions. Our findings suggest that, compared to linear polymers with the same molecular weight, star polymers with short arms create a more compact polymer layer at the interface. Moreover, the viscosity of solutions exhibited a direct response to additional branching, with up to a sixfold higher viscosity observed in solutions with linear polymers compared to those with hyperbranched polymers. In the fifth and final phase, we investigated the structure and dynamics of NPs in solutions with different polymer architectures using X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS) and rheology. A direct relationship was observed between increasing branching of polymer chains and disordering in the structure of NPs. Hydroxyl end groups in highly branched architectures protonated the surface of silica NPs, resulting in decreased effective surface charge and weakened electrostatic repulsion among NPs. This led to a decrease in excluded volume between NPs and a broader spacing range among them. Furthermore, increasing branching directly affected the diffusivity of NPs in the medium, where NP motion was subdiffusive in solutions with less-branched linear and four-armed star polymers and diffusive in solutions with hyperbranched chains. In conclusion, this comprehensive study provides critical insights into the intricate interplay between polymer architecture and the physical properties of nanocomposites. It establishes a foundation for designing tailored materials with enhanced performance and tunable mechanical behavior across diverse applications.
Benzer Tezler
- Developing various design strategies for poly (ethyleneoxide) (PEO) based dry polymer electrolytes (SPEs)
Poli (etilen oksit) (PEO) bazlı kuru polimer elektrolitler (SPE'ler) için çeşitli tasarım stratejilerinin geliştirilmesi
RECEP BAKAR
Doktora
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve TeknolojisiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERKAN ŞENSES
- Karbon tabanlı yeni hibrit nano-yapıların modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of carbon based new hybrid nano-structures
ÜNAL DEĞİRMENCİ
Doktora
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MESUT KIRCA
- Investigation of acoustic and dynamic properties of weatherstrips used in vehicle doors
Havacılık ve otomotiv sektöründe kullanılan kapı sızdırmazlık elemanlarının akustik ve dinamik özelliklerinin incelenmesi
ORÇUN SAF
Doktora
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL
- Fabrication and characterization of hybrid nanofiller reinforced polyurethane nanocomposites
Hibrit nanodolgu takviyeli poliüretan nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
AMIR NAVIDFAR
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Yüksek performanslı ısı yalıtım malzemesi olan vakum yalıtım panellerinin bina uygulamaları için kullanımının karşılaştırmalı olarak incelenmesi
Comparative investigation of high performance thermal insulation material vacuum insulation panels for building applications
EZGİ EREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER