Tiyol-epoksi kimyasıyla poss içerikli hibrit termoset polimerlerin hazırlanması

Abstract

Hibrit malzemeler iki veya daha fazla malzemenin iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak için, mikro veya makro seviyede heterojen karışımıyla oluşan malzemeye denir. Üstün optik, termal, elektronik, fotonik, manyetik, reolojik, yapısal ve mekanik niteliklerinden dolayı bu malzemelerin kullanımı her geçen gün artmaktadır. Plastik sektöründe büyük paya sahip olan otomotiv, kaplama, biyomedikal ve paketleme sanayileri en önemli kullanım alanlarıdır. Tiyol ile epoksitler arasında gerçekleşen tepkime, özellikle hızlı olması ve yüksek verimle gerçekleşmesinden dolayı termoset polimerlerin eldesinde son zamanlarda birçok çalışmaya konu olmuştur. Polihedral oligomerik silseskuoksan (POSS) molekülleri hibrit (organik-inorganik) mimariye, silikon ve oksijenden (SiO1.5)x oluşan ağ yapı ile diger organik gruplardan oluşan bir yapıya sahiptirler. POSS molekülünün polimer ile karıştırılmasıyla, polimerin yüksek sıcaklıkta kullanılabilirlik, oksidasyon direnci, mekanik özellikler, yanmazlık, ısı açığa çıkışı ve viskozite gibi birçok özelliğinde istenilen doğrultuda artışlar gözlemlenmektedir. Bu çalışmada, tiyol-epoksi tepkimesi ile oktakis-glisidil-POSS (G-POSS) molekülleri içeren hibrit termoset malzemeler hazırlandı ve elde edilen malzemelerin termal ve mekanik özellikleri incelendi. Ağırlıkça %2, 5,10 ve 15 G-POSS içeren hibrit termoset polimerlerin sentezi oda sıcaklığında havaya açık bir ortamda lityum hidroksit katalizörlüğünde, su ve tetrahidrofuran çözücü karışımında gerçekleştirildi. Elde edilen hibrit polimerlerin yapıları FT-IR ve 1H-NMR spektroskopileriyle aydınlatıldı. Termal özelliklerin termogravimetrik analiz yöntemiyle incelendiğinde G-POSS içermeyen saf polimerlere göre daha üstün özellikler sergilemiştir. G-POSS moleküllerinin polimer içinde varlığı ve homojen olarak dağıldığı enerji dağılımı X-ışını (EDS) detektöre sahip geçirimli elektron mikroskobu ile doğrulandı. Ayrıca hibrit termoset polimerlerin yapılarını C, O, S ve Si elementleri oluşturduğu kanıtlandı. Son olarak, hibrit polimerlerin mekanik özellikleri çekme kuvveti testi ile incelendi. Çekme kuvveti polimer matrisine G-POSS girmesiyle artmış, % 5 POSS varlığında maksimum değere ulaşmış ve G-POSS yüzdesinin daha fazla artmasıyla azalmıştır. % 5 POSS kullanıldığında çekme kuvveti ~ % 6, elastik modülü ise ~ % 30 oranında artmaktadır. Nanopartikül miktarının daha fazla artışıyla mekanik özellikler kötüleşmiş ve % 10 G-POSS varlığında çekme kuvveti ~ % 1.18 oranında azalmıştır. Yüksek miktarda G-POSS yüklemesinde G-POSS molekülleri topaklanarak heterojen bir dağılama sebeb olmaktadır.

A series of hybrid networks based on polyhedral oligomeric silsesquioxane (POSS) were prepared by thiol-epoxy click reaction using commercially available octakis-glycidyl-POSS (G-POSS), trimethylolpropane triglycidyl ether and trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) as monomers. The click reaction was simply catalyzed by lithium hydroxide and proceed readily at ambient conditions in very good yields. The incorporation of G-POSS in the network was clearly determined by transmission electron microscopy, FT-IR spectroscopy and 1H-NMR spectroscopy that performed with a model study using 1-butanethiol and G-POSS molecules. The homogenous distribution of G-POSS up to 5% wt in the hybrid network was apparently confirmed by morphological investigations. By increasing G-POSS content higher than 5% wt, the heterogeneous dispersion of G-POSS was determined from the tensile strength measurements. The significant decrease in tensile strength was possible due to the agglomeration of G-POSS. On the other hand, thermal properties of hybrid networks was by thermogravimetric and difference thermogravimetry analyses, where all samples exhibited one-step degradation in the range of 220-500 °C. The thermal decomposition of hybrid network led to complete degradation of the organic part and favored the formation of stable, carbonaceous and inorganic residues as char. Thus, the char yields of hybrid networks were increased 6.2, 7.8, 10.1, 12.7 and 15.1% by G-POSS loadings from 0 to 15% wt. This improvement was also a proof of the incorporation of G-POSS in the hybrid networks that provide high heat resistances compared to neat sample in the absence of G-POSS.