The investigation of the irradiation effect on PMMA/MWCNTs polymer nanocomposites

Abstract

PMMA, mekanik özellikleri iyi, aşınmaya karşı direnci yüksek, üstün ısı direncine özelliklere sahip, termoplastik polimerler arasında kabul edilmektedir. PMMA' nın mekanik, termal ve radyasyon zırhlama özellikleri, çeşitli nanopartiküller eklenerek iyileştirilebilmektedir. Böylece, PMMA, geliştirilen yapısal özelliklerinden dolayı, çeşitli uygulama alanlarındaki kullanımda, ideal bir malzeme olarak kabul edilebilmektedir. Bu uygulama alanları arasında; sensor, güneş hücresi, elektronik ve uzay uygulamaları mevcuttur. Polimer yapıya eklenen nanopartiküllerden olan karbon nanotüplerin, PMMA yapıya eklenmesi, bilimsel ve endüstriyel alanda ilgi çeken konular arasındadır. Karbon nanotüpleri, tek duvarlı karbon nanotüpleri ve çok duvarlı karbon nanotüpleri olarak iki kısıma ayırmak mümkündür. Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler), 0.5 nm'den 1.5 nm'ye kadar olan büyüklüğe sahip olabilmektedir. Çok duvarlı karbon nanotüpler ise (MWCNT'ler) 100 nm'den büyüktür. MWCNT'nin polimer içinde kullanılması, polimerde SWCNT kullanılması durumundan, daha yüksek mekanik özelliklere neden olur. Ayrıca, MWCNT, polimer yapıda, SWCNT'den daha fazla kimyasal direnç sağlamaktadır. MWCNT içeren polimer nanokompozitler, yüksek dayanım, yüksek mukavemet ve hafiflik gibi olağanüstü avantajlarından dolayı, otomotiv ve havacılık gibi bir çok endüstriyel uygulama alanlarında kullanılabilir. Bütün bu sebeplerden dolayı, bu yüksek lisans tez çalışmasında, PMMA yapının özelliklerinin geliştirilmesinde, MWCNTs kullanımı tercih edilmiştir. ATRP metodu kullanılarak, MWCNT nano katkı maddesinin PMMA polimer matrisinde homojen bir şekilde dağılması sağlanmıştır. Karbon nanotüp takviyeli PMMA, farklı büyüklüklerdeki, pek çok uygulamada önemli bir yere sahiptir. Çünkü, geliştirilen fiziksel özelliklerine bağlı olarak polimerler, yeni teknolojilerdeki uygulamalar için, uygun bir aday olarak görülmektedir. Polimerler, çok sayıda aynı veya farklı atomik grupların kimyasal bağlarla az veya çok düzenli bir biçimde bağlanarak oluşturduğu, uzun zincirli yüksek molekül ağırlıklı bileşiklerdir. Polimer, birden fazla mer'in (molekülün) ısı ve basınç altında birleşerek uzun zincirlerin meydana gelmesiyle oluşmaktadır. Monomer; polimerik madde içinde, tekrar eden en küçük moleküldür ve bu molekülün kimyasal ve fiziksel özellikleri, elde edilen polimerin karakteristik özelliklerini belirlemektedir. Çok sayıda aynı veya farklı monomerin, bir kimyasal işlemle, birbirleriyle birleşerek, uzun zincirler (makromoleküller) oluşturmasına polimerizasyon olayı denilmekte. Polimerlerin çoğu, tek bir monomer çeşidinin dizilmesiyle oluşmaktadırlar ve bazıları, iki veya üç monomer çeşidinin bir araya gelmesinden oluşabilmektedirler. Polimerler, ekonomik ve hafif olup, kolay işlenebilir, yüksek kimyasal ve korozyon direncine sahiptir. Ayrıca, yüksek ısıl ve elektriksel özelliklere sahip olacak şekilde, nanopartikül takviyesi ile polimerlerin bu özelliklerini geliştirmek mümkün olabilmektedir. Polimerlerin önemli başlıca yapısal karakteristik özellikleri; polimer moleküllerinin rijitlik derecesi, polimer zincirleri arasındaki Van der Waals ve elektrostatik bağlar, kristalimsi bölgeler oluşturan zincirlerin dereceleri, zincirler arasındaki çapraz bağlanma dereceleri bu özellikler arasındadır. MWCNT takviyeli PMMA üretiminde, çözelti karıştırma, eriyik harmanlama, yerinde polimerizasyon olmak üzere, başlıca üç yöntem mevcuttur. Bu çalışmada, PMMA'daki MWCNT'lerin uygun bir şekilde dağıtılması için, Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) yöntemi kullanılması tercih edilmiştir. Bu tez çalışmasında, PMMA'nın mekanik, termal özelliklerini geliştirirken, radyasyon karşısındaki davranışlarını incelemek için, nanopartikül takviyesi olarak çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNTs) seçilmiştir. Karbon nanotüp eklenmesiyle PMMA'nın karakteristik özelliklerinde oluşan değişimleri incelemek için; SEM, XRD, FTIR, TGA, setlik testi, ultrasonik test, gama ve nötron geçirgenik testleri uygulanmıştır. Nanokompozitin maruz kaldığı radyasyon dozunun yapıya etkisini incelemek için, Co-60 radyoizotopu kullanılarak, PMMA/MWCNT nanokompozit örnekler, 50 kGy'lik doza maruz bırakılmıştır. Işınlanma işleminden sonra, polimer nanokompozitin yapısal karakterizasyonundaki değişikliği incelemek amacıyla, SEM, XRD, FTIR ve TGA analizleri yapılmıştır. PMMA/MWCNTs yapının SEM görüntüleri incelendiğinde, nanokompozit yapıdaki MWCNTs görüntülerinde bu nanopartiküllerin, yapıda homojen bir şekilde dağıldığı tespit edilmiştir ve nanopartiküllere ilişkin herhangi bir yığılma, topaklanma veya biraraya gelme görülmemektedir. Ayrıca, PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin, XRD analizine ilişkin sonuçlar, PMMA/MWCNTs nanokompozitin karakteristik kırınım piklerini vermiş olup, FTIR analizlerinden elde edilen sonuçlar ise, bu nanopartiküllerin, nanokompozit yapıya uygun bir şekilde dahil olduğunu belirtmektedir. PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin termal kararlılığı TGA analizi ile incelenmiştir. Bu analiz sonuçlarında, PMMA'ya MWCNTs eklenmesiyle PMMA'nın termal kararlılığının geliştiği tespit edilmiştir ve 2wt.% 'lik MWCNTs ilavesiyle termal kararlılığının daha iyi şekilde geliştiği belirlenmiştir. PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin homojen yapısını ve üretim sırasında yapıda oluşabilecek habbe veya topaklanma gibi üretim kusuru olup olduğunu tespit etmek amacıyla, tahribatsız test metodlarından biri olan ultrasonik test yöntemi uygulanmıştır. Ultrasonik testlerde, polimer nanokompozit örnekler içerine gönderilen ses dalgalarından, polimer yapı içerisinde oluşan ses yankıları sonucu meydana gelen ekolar incelenmiştir. Tespit edilen ses pikleri periyodik aralıklarla tekrar etmekte olup, bu oluşan ses ekoları, ürettiğimiz nanokompozit örneklerin homojen bir yapıda olduğunu işaret etmektedir. Bu amaçla, boyuna dalgaların ve enine dalgaların hızlarını tespit etmek amacıyla iki farklı prob kullanılmıştır. Ayrıca, yoğunlukları piknometre metodu ile belirlenmiş, polimer nanokompozit örneklerin yapısı içerisinde ilerleyen boyuna dalga hızları ve enine dalga hızları belirlenerek, bu örneklerin elastik özellikleri tespit edilmiştir. PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin, Kayma modülü, Young modülü, Poisson oranı ve Mikrosertlik değerleri hesaplanmıştır ve elde edilen sonuçlar, saf PMMA'nın elastik değerleri ile karşılaştırılmıştır. MWCNTs takviyesinin bu özellikleri değiştirdiği tespit edilmiştir. PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin, sertlikleri, Rockwell sertlik testi yapılarak incelenmiştir ve nanokompozit örneklerin sonuçları, saf PMMA örneklerin test sonuçları ile karşılaştırıldığında, ağırlıkça % 2 wt.'lik MWCNTs ilavesiyle oluşturulan PMMA/MWCNTs nanokompozit örneğin, Rockwell sertliği değerinin arttığı belirlenmiştir. Dört farklı MWCNTs miktarları taşıyan (0.25, 0.50, 1.00, 2.00 wt.% MWCNTs), PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin, gama radyasyonu zayıflatma değerlerinde oluşan değişimler, gamma geçirgenlik tekniği kullanılarak incelenmiştir. Cs-137 ve Co-60 radyoizotopları kullanılarak üretilen nanokompozitlerin, lineer zayıflatma katsayısı değerleri, deneysel olarak elde edilmiştir ve nanokompozitlerin tespit edilen yoğunluk değerleri de kullanılarak, kütle zayıflatma katsayılarında oluşan değişimler tespit edilmiştir. Ayrıca, üretilen PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerin, kimyasal element konsantrasyon değerleri kullanılarak, XCOM programı ile malzemelerin teorik kütle zayıflatma katsayıları, Cs-137 ve Co-60 radyoizotopları için elde edilmiştir. Elde edilen deneysel değerler ile teorik değerler karşılaştırıldığında, deneysel sonuçların teorik sonuçlar ile uyumlu olduğu belirlenmiştir. Bu tez çalışmasında MWCNTs miktarı arttıkça nanokompozit örneklerin özelliklerinin değiştiği tespit edilmiştir. PMMA/MWCNT nanokompozitin XRD analizinde, üç karakteristik kırınım piki tespit edilmiştir. PMMA/MWCNTs nanokompozit takviyeli PMMA'nın FTIR spektrumu saf PMMA ile benzer spektrum göstermiştir, bu durum katkı maddesi ile PMMA polimer matriks arasında etkileşimin olduğunu göstermiştir. Işınlanmamış örneklerin TGA sonuçları, % 2 wt. MWCNTs eklenerek üretilmiş PMMA/MWCNTs nanokompozitin, %5 kütle kaybı durumundaki sıcaklık değerinin, 191˚C'den 243˚C 'ye çıktığını ve 52˚C geliştiğini göstermiştir. PMMA/MWCNTs içerisinde MWCNTs miktarı arttıkça, yapının termal karalılığının, saf PMMA'ya göre arttığı tespit edilmiştir. Ayrıca, PMMA/MWCNTs nanokompozitin termal kararlılığı, ışınlanan örneklerde artış göstermiştir. Ultrasonik testlere yönelik çalışmalarda, saf PMMA'nın Kayma Modülü, Young modülü ve mikrosertlik değerleri, % 2 wt. MWCNTs eklenmesi ile artmıştır. Saf PMMA ile %2 MWCNTs eklenerek üretilmiş PMMA/MWCNTs nanokompozitin Rockwell sertliği karşılaştırıldığında, % 2 wt. MWCNTs takviyesi ile Rockwell sertliğinin % 11 arttığı tespit edilmiştir. % 2 wt. MWCNTs eklenerek üretilmiş PMMA/MWCNTs nanokompozitin, ışınlanmadan önceki Rockwell sertlik değeri ile ışınlandıktan sonraki değeri arasındaki değişim ~ % 3'tür. Cs-137, Co-60 radyoizotopları ve Pu-Be nötron kaynağı ile yapılan incelemelerde, lineer zayıflatma katsayıları ve makroskopik tesir kesiti değerlerinde, MWCNTs miktarının artışı ile kısmen yavaşça artış mevcuttur.Sonuç olarak, PMMA/MWCNTs nanokompozit örneklerde, yerinde polimerizasyon metoduyla, MWCNTs homojen bir şekilde dağılmış olup, nanokompozit örnekler içerisinde, habbe ya da çatlakların oluşmadığı ve MWCNTs'nin PMMA ile etkileşimin fiziksel özelliklerde gelişme ile sonuçlandığı belirlenmiştir. MWCNTs'nın, PMMA içerisine homojen bir şekilde yerleşerek, saf PMMA'nın fiziksel özelliklerini uygun şekilde geliştirdiği tespit edilmiştir.

Poly (methyl methacrylate) (PMMA) is a transparent thermoplastic material that shows good mechanical properties, high resistance to abrasion and superior heat resistance. Mechanical, thermal and radiation shielding properties of PMMA can be enhanced by addition of multiwall carbon nanotubes (MWCNTs). Due to suitable structural properties of MWCNTs, PMMA is an ideal candidate for some applications such as sensor, solar cell, electronic and aerospace fields. Carbon nanotubes separate two parts which are single-wall carbon nanotubes and multi-wall carbon nanotubes. Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) have scale from 0.5 nm to 1.5 nm. On the other hand, multi-wall carbon nanotubes (MWCNTs) are bigger than 100 nm scale. The use of MWCNT in polymer results with higher mechanical properties than SWCNT in polymer. Besides, MWCNT in polymer gives more chemical resistance than SWCNT. MWCNT contained polymer nanocomposites can be utilized in a several industrial application areas such as automotive and aerospace due to their outstanding advantages such as high durability, high strength and light weight. PMMA is one of the thermoplastic polymers coming from the acrylate family. PMMA reinforced by carbon nanotubes has significant importance in many applications ranging from large scales to nanometer scales. It is considered as a candidate for the applications in new technologies depending on the improved mechanical, electrical, optical properties of polymer. There are three methods to produce PMMA reinforced by MWCNTs which are solution-mixing, melt compounding, in-situ polymerization. In this study, it was preffered to use Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) method to disperese MWCNTs in PMMA effectively. MWCNTs were selected as nanofiller to improve the mechanical and thermal properties of PMMA with the investigation of the changes in radiation shielding performance. Several analysis and tests were performed to examine the main characteristic properties of the PMMA/MWCNTs nanocomposites such as SEM, XRD, FTIR, TGA, hardness, ultrasonic test, gamma transmission technique and the behaviors of the PMMA/MWCNTs nanocomposite against neutrons. Further, PMMA/MWCNTs nanocomposite samples were irradiated at 50 kGy using Co-60 radioisotope. The irradiated polymer nanocomposite samples were characterized to examine the structural changes after irradiation treatment. The surface morphology of the PMMA/MWCNTs nanocomposite in SEM images indicated that ATRP method was efficient to get homogeneous dispersion of MWCNTs in the PMMA matrix. In addition, the results of the ultrasonic test supported the homogeneous structure of PMMA/MWCNTs nanocomposites at 2 wt.%MWCNTs. PMMA/MWCNTs nanocomposite presented three characteristic diffraction peaks in XRD analysis. The FTIR spectra of PMMA/MWCNT nanocomposites revealed the similar spectrum with pure PMMA, showing that interaction occurred between MWCNTs nanocomposites and PMMA polymer matrix. TGA results of unirradiated nanocomposite at the addition of 2 wt. % MWCNTs exhibited that the 5% weight loss temperatures shifted from ~191 °C to 243 °C with the improvement in the temperature (as ~52 °C). The thermal stability of PMMA was enhanced with the rise of the amount of the MWCNTs from (0.25 to 2 wt. %) in PMMA/MWCNTs nanocomposite. The 5 % weight loss temperatures increased after irradiation process. In the ultrasonic test, the Shear modulus, Young's modulus and Microhardness values of pure PMMA were increased with the addition of 2 wt. % MWCNTs. The improvement in Rockwell hardness values between the pure PMMA and PMMA/MWCNTs at 2 wt. % MWCNTs is ~ 11 %. The difference in Rockwell hardness values is almost ~3 % for unirradiated and irradiated states of PMMA/MWCNTs at 2 wt. % MWCNTs. The linear attenuation coefficient values for Cs-137, Co-60 radioisotopes changed slightly with the rise of the MWCNTs amount and mascroscopic cross sections for neutrons Pu-Be neutron source increased slightly.