Development of polyurethane nanocomposites with low thermal conductivity by addition of modified vermiculite

Abstract

Poliüretan malzemeler, bugünün dünyasında çok çeşitli kullanım alanına sahip malzemelerdir. Mükemmel ısı yalıtımı, kimyasal direnç ve tokluğa sahip ilginç bir polimer ailesi olan sert poliüretan köpükler, buzdolabı endüstrisinde yaygın olarak ısı yalıtımı amaçlı olarak kullanılırlar. Sert poliüretan köpükler, buzdolaplarını soğuk tutmak için gereken enerjiyi azaltarak sürdürülebilirliğe ve eko-tasarıma büyük katkı sağlarlar. Gereken enerjiyi azaltmak için, sert poliüretan köpüğün termal iletkenliği azaltılmalı ve termal iletkenliği azaltmak için hücre boyutu daha küçük olmalıdır. Sert poliüretan köpüğün hücre boyutunu azaltmak için çeşitli katkı maddeleri kullanılır. Kil, bu malzemelerden biridir. Kilin, polimer matrise uyumluluğunun sağlanabilmesi için, modifikasyonu gereklidir. Bu çalışmada, sert poliüretan köpüğün ısıl iletkenliğini düşürmek için, kil olarak nanopartikül büyüklüğüne sahip vermikülit kullanılmıştır. Vermikülitin modifikasyonu için 1 CEC, 2 CEC ve 3 CEC oranlarında, kuaterner amonyum tuzu olarak CTAB kullanılmıştır. Modifiye edilmiş vermikülitin, ağırlıkça %1, %3, %5, %7 ve %10 katkılanmasıyla, sert poliüretan köpüğün ısıl ve mekanik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Modifiye edilen vermikülitin, tabakalar arası mesafesi ölçülerek, temas açısı belirlenmiştir. Temas açısının en yüksek elde edildiği CTAB oranı 2 CEC olarak belirlenmiştir. 2 CEC oranında CTAB ile modifiye edilen, ağırlıkça %5 vermikülit katkılı katı poliüretan köpükte, optimal sonuç elde edilerek hücre boyutunda standart poliüretan köpüğe göre %59 küçülme sağlanmıştır. Hücre boyutundaki küçülme ile termal iletkenlik katsayısında %8 azalma sağlanmıştır.

Polyurethane is one of the most miscellaneous material that has many usage area in the world, today. Rigid polyurethane foams that are an interesting family of polymers, with excellent thermal insulation, chemical resistance and toughness. They are extensively used as thermal insulation in refrigerator industry. Rigid polyurethane foam makes a major contribution to sustainability and eco-design by reducing the energy required to keep refrigerators cold. To reduce the energy required, the thermal conductivity of rigid polyurethane foam must be decreased and to decrease thermal conductivity, the cell size must be smaller. Various kinds of additives are used to decrease cell size of rigid polyurethane foam such as clay. It is important that the compatibility of clay particles and polymer matrix is crucial to achieve nanodispersion of clay. In this study, nanosize vermiculite was used as the clay to decrease thermal conductivity of rigid polyurethane foam. To provide compatibility, 1 CEC, 2 CEC and 3 CEC ratios of quaternary ammonium salt CTAB was used to achieve modification of vermiculite and effect of modified nanosize vermiculite which added 1%, 3%, 5%, 7% and 10% by weight on thermal and mechanical properties of rigid polyurethane foam was investigated. To determine whether vermiculite was modified or not, interlayer distance was measured and hydrophobicity with different modifier agent ratios was examined. The amount of modifier agent that gave highest contact angle was 2 CEC. The smallest cell size was obtained with addition of 2 CEC modified, 5% by weight vermiculite. Decreasing in mean cell size was 59% and thanks to that, decreasing in thermal conductivity was 8%.