Polymer-filler interactions in polyether based thermoplastic polyureathane/silica nanocomposites

Abstract

Termoplastik poliüretanüre (TPU), hedeflenen özellikler doğrultusunda uyarlanabilen kimyası ve morfolojisi nedeniyle geniş bir uygulama aralığına sahip, bilimsel ve ticari açıdan önemli bir polimer sınıfıdır. Bu tezin ana teması, polieter bazlı TPU/silika nanokompozitlerde polimer/silika arayüzey etkileşiminin incelenmesi ve buna bağlı olarak gelişen morfolojik, termal ve mekanik özelliklerin tespit edilmesidir. Bu şekilde, TPU/silika nanokompozitlerde yapı/özellik ilişkisine bir anlayış getirilmesi hedeflenmektedir. Nanokompozit sistemler üzerindeki inceleme öncesinde, silika nanopartiküllerin içinde büyümesi ve tetraetil ortosilikat hidroliz reaksiyonu C1-C4 alkolleri içinde izlenmiştir. Kararlı silika soller, çalışılan TPU kopolimerler için ortak bir çözücü olan izo-propanol ortamında kontrollü bir şekilde hazırlanmıştır.Çeşitli boyut (20-250 nm) ve dolgu yüklerine (ağırlıkça % 1-40) sahip TPU/silika nanokompozit filmler hazırlanmış ve karakterize edilmiştir. Polieter bazlı TPU, moleküler ağırlığı <Mn> 2,000 g/mol olan hidroksil sonlu poli(etilen oksit) ya da poli(tetrametilen oksit), halkalı alifatik diizosiyanat ve zincir uzatıcı olan kullanılan diaminden oluşmaktadır. Ortak çözücüde karıştırma tekniği ile silika nanopartiküllerin polieter bazlı TPU kopolimerde homojen dağılımı sağlanmıştır. Silika ilavesi ile kopolimerin elastomerik özellikleri korunurken daha yüksek elastik modül ve gerilme mukavemetine sahip nanokompozitler elde edilmiştir. Bunun yanı sıra, camsı geçiş sıcaklığında bir değişim gözlenmemiştir. Nanokompozit sistemlerin gerilme özelliklerindeki iyileşme, silika yüzeyindeki silanol grupları ile kopolimerlerin yumuşak kısımlarındaki eter gruplarının hidrojen bağı kurarak etkileşmelerinden kaynaklanmıştır. Bu çalışma ile üstün ve/veya istenilen mekanik özelliklere sahip polieter bazlı TPU/silika nanokompozit sistemlerin sunulan ortak çözücüde karıştırma tekniği ile hazırlanmasının mümkün olduğu gösterilmiş ve elde edilen iyileşmenin nedenleri sunulmuştur.

Thermoplastic polyurethaneureas (TPU) are a unique class of materials that are used in a broad range of applications due to their tailorable chemistry and morphology that allow engineering materials with targeted properties. The central theme of this dissertation is to develop an understanding on polymer-filler interfacial interactions and related reinforcing mechanism of silica nanoparticles in polyether based TPU/silica nanocomposites. Prior to our investigation on nanocomposite materials, the growth of silica nanoparticles in different solvents was studied by monitoring the temporal changes in tetraethyl orthosilicate concentration and in the average diameter of silica particles during initial hydrolysis of tetraethyl orthosilicate in C1-C4 alcohols. Stable silica sols in iso-propanol, which is a common solvent for studied TPU copolymers, were prepared in a controlled manner.Nanocomposites consisting of TPU and silica nanoparticles of various size (20-250 nm) and filler loadings (1-40 weight%) were prepared by solution blending and characterized. TPU copolymer was based on a cycloaliphatic diisocyanate and hydroxyl terminated poly(tetramethylene oxide) or poly(ethylene oxide) with number average molecular weight of 2000 g/mol and 2-methyl-1,5-diaminopentane chain extender. Even distribution of silica in copolymer matrices led to higher modulus and tensile strength of the nanocomposites, and elastomeric properties were retained. The improvements in tensile properties of the nanocomposites mainly stemmed from the hydrogen-bonding between silanol groups on the surface of silica nanoparticles and ether linkages of the polyether segments of the copolymers. It was demonstrated that polyether based TPU/silica nanocomposites with a range of mechanical properties can be prepared by a simple technique.