Poli(etilen-vinil asetat)/kil nanokompozitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

Abstract

Polimer/kil nanokompozitleri, düşük kil katkısıyla polimere termal, mekanik, geçirgenlik gibi özelliklerinde iyileşmeler olmasını sağlayan yeni nesil kompozit malzemelerdir. Bu çalışmada polimer/kil karışımları eriyik halde harmanlama yöntemiyle tork reometre cihazı kullanılarak hazırlanmıştır. Karışımlarda polimer olarak kütlece % 18 vinil asetat içeren poli(etilen-vinil asetat) (EVA 18) kopolimeri, modifiye olmamış kil (Na+ montmorillonit, MMT), ticari modifiye killer I44 P, I31 PS ve yüklü monomer varlığında ışınlanarak modifiye edilen killer ise dolgu maddesi olarak kullanılmıştır. Amaç modifiye edilen killerle hazırlanan kompozit örneklerin kullanılabilirliğini, ticari modifiye killerle hazırlanan örneklere göre incelemektir. İlk olarak modifiye olmamış Na-MMT su varlığında yüklü bir monomer olan [2-( Metakriolioksi)etil]-trimetil amonyum klorür ile etkileştirilmiş ve iyon değiştirme reaksiyonu gerçekleştirilerek, monomerin kilin tabakaları arasına girmesi sağlanmıştır. Daha sonra bu karışım 10 kGy, 20 kGy, 30 kGy ışınlanarak polimerizasyon sonrasında kilin modifikasyonu sağlanmıştır. Modifiye edilen bu killerin yapılan (Attenuated Total Reflectance)-(Fourier Transform İnfrared )ATR-FTIR spektroskopisi analizinde 30 kGy ışınlanarak elde edilen örnekteki polimere ait olan piklerin şiddetinin 10 kGy ve 20 kGy ışınlanarak hazırlanan modifiye killere göre daha şiddetli olduğu belirlenmiştir. Modifiye edilen bu killerin yapılan X ışını kırınımı (XRD) analizinde tabakalar arasında en fazla açılma 30 kGy ışınlanarak elde edilen kilde olduğu belirlenmiştir. Buna göre 30 kGy ışınlanarak elde edilen modifiye kilin tabakaları arasında daha fazla polimer oluşması sonucunda açılmanın daha fazla olduğu görülmüştür.Hazırlanan nanokompozitlerin yapıları ATR-FTIR, TEM (Geçirimli Elektron Mikroskobu), XRD (X Işını Kırınımı), PALS (Pozitron Yol Olma Spektroskopisi) ile karakterize edilmiştir.PALS'de polimerin kristalin ve amorf bölgelerindeki boşlukların kil eklenmesi ile yarıçaplarının azaldığı gözlenmiştir. Bu durum polimerle uyumlu hale getirilen kilin tabakalı yapısının matriks içerisinde iyi bir şekilde dağılmasıyla açıklanabilir. XRD yöntemi ile tabakalı yapının polimer matriks içerisindeki dağılımı incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre ticari modifiye killer I44 P, I31 PS ile hazırlanan örneklerin aralanmış tabakalı (intercalated) yapı, ışınlanarak modifiye edilen örneklerin ise hem aralanmış tabakalı (intercalated) hem de yapraklanmış (exfoliated) yapı oluşturdukları görülmüştür. TEM yöntemi sonucunda elde edilen görüntülerle de örneklerde bu yapıların oluştuğu desteklenmiştir.Hazırlanan nanokompozitlerin TGA (Termogravimetrik Analiz) ölçümlerinde, modifiye kil katkılı örneklerin daha yüksek sıcaklıklarda bozunduğu görülmüştür. Bu durum iyi dağılmış tabakaların bariyer etkisi oluşturan ve polimer matriks içerisinden uçucu bozunma ürünlerinin difüzyonunu engelleyen bir yol oluşturmasıyla ifade edilebilir.Nanokompozitlerin mekanik testleri yapılarak kil ilavesinin EVA 18'in mekanik değerleri üzerine olan etkisi incelenmiştir. Sonuçlara göre modifiye edilen killer arasında 30 kGy ışınlanarak elde edilen modifiye kille hazırlanan örneklerin 10 kGy ve 20 kGy ışınlanarak elde edilen modifiye killere göre daha iyi sonuç verdiği görülmektedir. 30 kGy ışınlanarak elde edilen modifiye kil ticari modifiye killerle karşılaştırıldığı zaman I44 P'ye göre daha iyi sonuç verdiği görülmektedir. I31 PS ile karşılaştırıldığında % 1 kil katkısında daha iyi sonuç verirken, % 3 ve % 5 kil katkı miktarında ona yakın değerler verdiği görülmüştür.

Polymer/clay nanocomposites are new generation materials that provide improvements in thermal, mechanic and permeation properties by low clay loading. In this study, polymer/clay nanocomposites were prepared by melt intercalation method by using torque reometer. In mixtures, poly(ethylene-vinyl acetate) (EVA 18) including % 18 wt. vinyl acetate were used as polymer, unmodified clay (Na+ montmorillonite, MMT), commercial modified clays I44 P, I31 PS and modified clays which irradiated in presence of charged monomer were used as the filler. Aim of this study is to examine the availability of composite samples which are prepared by modified clays according to the samples which are prepared by commercial modified clays. Firstly, unmodified clay was interacted with charged monomer [2-( Methacryloloxy)ethyl]-trimethyl amonium chloride in presence of water and carried out ion exchange reaction, thus monomer settled between the clay plates. Later, this mixture was irradiated 10 kGy, 20 kGy, 30 kGy and provided modification of clay after polymerization. The intensity of peaks belonging to the polymer, which was obtained from 30 kGy irradiated samples were more intense than 10 kGy and 20 kGy samples, which was checked by ATR-FTIR spectroscopy. The maximum opening between layer was obtained from 30 kGy irradiated clay, which was checked by X-ray diffraction (XRD) analysis. Accordingly, between the layers of 30 kGy irradiated clay has more opening as a result of more polymer formation.Structures of nanocomposites were characterized by ATR-FTIR, TEM (Transmission Electron Microscopy), XRD ( X-Ray Difraction) and PALS (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy).Crystalline and amorphous regions of the polymer showed decreased radius of pores with the addition of clay in PAL spectroscopy. This situaition can be explained good distribution of layered structure of clay in matrix, which is compatible with polymer. The distribution of layered structure in polymer matrix was investigated by XRD method. According to the results, samples which were prepared with commercial modified clays I44 P, I31 PS formed intercalated structure. Samples, which were prepared with irradiated modified clays, formed exfoliated structure and intercalated structure. Formation of these structure were supported with images, which were obtained from TEM.In TGA mesurements of nanocomposites, modified clay added samples are damaged at higher temperatures. This situation can be expressed barrier effect formation of good dispersed layers and formation a way, which prevents the diffusion of volatile degradation products through the polymer matrix.The effect of the addition of the clay on mechanical properties of EVA 18 was examined by mechanic tests of nanocomposites. According to the results, between the modified clays, samples which was prepared 30 kGy irradiated modified clay are given better results than 10 kGy and 20 kGy irradiated modified clays. When 30 kGy irradiated modified clay compared with commercial modified clay, 30 kGy irradiated modified clay are given beter results than I44 P. When compared with I31 PS, while %1 wt. clay loading gives better results, % 3 wt. and % 5 wt. clay loading gives close results to % 1 clay loading.