Characterization of ultra high molecular weight polyetylene (UHMWPE) modified by metal-gas hybrid ion implantation technique

Abstract

Adı-Soyadı: adiye Emel SOKULLU URKAÇOkul: zmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüAnabilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisli iProgramı: Malzeme Bilimi (Yüksek Lisans)Tez Ba lı ı: Metal Gaz Hibrit yon mplantasyon Tekni iyle ModifiyeEdilmi Yüksek Atomik Kütleli Polietilenin KarakterizasyonuÖZETBu çalı ma MEVVA iyon kayna ı ile üretilmi metal gaz hibrit iyonimplantasyonu yöntemiyle Yüksek Atomik Kütleli Polietilen malzemeninözelliklerinin iyile tirilmesine yönelik yapılan i lem öncesi ve sonrası malzemeninkarakterizasyon çalı masının sonuçlarını incelemektedir. Yüksek Atomik KütleliPolietilen üzerine, Ag ve Ag+N iyonlarıyla MEVVA tekni i kullanılarak hibrit iyonimplantasyon yapılmı tır. yonlar, 30kV voltajla hızlandırılmı tır ve 1017 ion/cm2akıyla gönderilmi tir.mplantasyon yapılmı malzemelerde iyon konsantrasyonu da ılımı, SRIM veGeri Saçılma Spektrometresi (RBS) yöntemleriyle analiz edilmi tir. lem görmü vegörmemi numuneler, Fourier Dönü ümlü Kızılötesi (FT-IR) Spektroskopi, RamanSpektroskopi, Optik Fotospektroskopi (OAP), Termal Gravimetrik Analiz (TGA),Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), X-I ını Kırılması Analizi (XRD), AtomikGüç Mikroskobu (AFM), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Optik Mikroskop(OM), Shore-D cihazı ve Gonyometre cihazlarıyla karakterize edilmi tir.RBS analizinin sonuçları, Ag iyonlarının, Ag implante edilmi örnekte,yüzeyden 32 +15 nm., Ag+N implante edilmi örnekte ise yüzeyden 42 +15 nm.derinlikte oldu unu göstermektedir. ATR-FTIR analiz sonuçları, Yüksek AtomikKütleli Polietilen yüzeyinde implantasyon sonucu dehidrojenasyon olu tu unu vekarbon atomları arasında gerçekle en çapraz ba lanmalar neticesinde C=C baolu umunun arttı ını göstermektedir. OAP ve Raman spektrum sonuçları, kimyasalyapının implantasyon sonrası de i ti ine i aret etmektedir.Termal karakterizasyon ı ı ında, kristallik yüzdesi, bozunmanın ba lama &sonlanma noktaları ve sertlik ölçümleri ı ı ında, sertlik de erlerinde artıgözlenmektedir. Yüzey topografisi incelemesi sonucu, implantasyon sonrasıpürüzsüzlü ün arttı ı ve buna ba lı olarak ıslaklık de erlerinin geli ti igözlenmektedir.Sonuç olarak çalı ma, Ag ve Ag+N hibrit iyon implantasyonunun, YüksekAtomik Kütleli Polietilen malzemeye ba arıyla uygulanabilece ini ve elde edilensonucun anahtar özellikler üzerinde etkili oldu unu göstermektedir.

Name: adiye Emel SOKULLU URKAÇSchool: zmir Institute of TechnologyDepartment: Materials Science and EngineeringMajor: Materials Science (Master)Title of Thesis: Characterization of Ultra High Molecular Weight Polyethylene(UHMWPE) Modified By Metal-Gas Hybrid Ion ImplantationTechniqueABSTRACTThe aim of this work was the characterization of the surface modified UltraHigh Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) in order to understand the effect ofion implantation technique on the properties of this material. The samples were Agand Ag+N hybrid ion implanted by using MEVVA (Metal Vapour Vacuum Arc) ionimplantation technique with a fluence of 10 17 ions/cm2, extraction voltage of 30 kV.Untreated and surface treated samples were investigated by Stopping andRange of Ions into Matters (SRIM), Rutherford Back Scattered Analysis (RBS),Attenuated Total Reflection - Fourier Transform Infrared (ATR/FT-IR)Spectroscopy, Raman Spectroscopy, Optical Absorption Photospectroscopy (OAP),Thermo Gravimetry Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC), X-Ray Diffraction (XRD) Analysis, Atomic Force Microscopy (AFM), ScanningElectron Microscopy (SEM), Optical Microscopy (OM), Micro-hardness and ContactAngle Measurement.The results of RBS analysis show that Ag ions were detected up to 32 +15 nmafter Ag implantation, and 42 +15 nm after Ag+N implantation., underneath thesurface. ATR- FTIR chemical characterization analyses results indicated that theeffect of implantation on UHMWPE surfaces caused dehydrogenation of polymerwith an increase of C=C bond formation which results in enriching the crosslinkingcarbon atoms on the surface. Optical Absorption Photospectroscopy and Ramanspectrum suggests that the chemical structure of UHMWPE has changed afterimplantation.The characterization results showed that the ion bombardment induced anincrease in the % crystallinity, onset and termination degradation temperatures ofUHMWPE obtained by thermal analyses, an increase in hardness, and surfacewettability and a decrease in roughness of the polymer. The surface topographyresults can be attributed to the implantation inducing surface roughness decreasingdue to the better wettability properties of surfaces obtained after implantation.In conclusion, this study has shown that ion implantation represents apowerful tool on modifying key properties on UHMWPE surfaces.