Poss esaslı nanokompozitlerin foto-`click` tepkimesiyle hazırlanması ve endüstriyel uygulamaları

Abstract

Gelişen teknolojinin artan ihtiyaçlarına cevap verebilecek nitelikte materyallerin arayışı günümüzde sürekli olarak artmaktadır. Bu amaçla yapılan çalışmalarda üstün optik, termal, elektronik, fotonik, manyetik, reolojik, yapısal ve mekanik niteliklerinden dolayı nanokompozit malzemelerin kullanımı her geçen gün artış göstermektedir. Nanokompozit malzemelerin en önemli kullanım alanları plastik sektöründe büyük paya sahip olan kaplama, otomotiv, paketleme ve biyomedikal sanayileridir. Genel bir tanımla; 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 kompozit malzeme denir.Nanokompozitler, sürekli bir polimer matris içerisine dağılmış en az bir boyutu 100 nanometreden küçük olan parçacıkları içeren heterofazlı kompozit yapılardır. Nano boyutta gerçekleştirilen, atom ve moleküllerde meydana gelen farklılıklarla daha saydam camlar, daha hafif materyaller, daha dayanıklı arabalar, daha temiz giysiler, daha uzun ömürlü boyalar, gibi güncel yaşamımızı doğrudan etkileyen birçok nanomalzemelerin üretilmesine olanak sağlanmaktadır. Kompozitlerin hazırlanmasındaki teknik zorlukların çözülmesi ve özellikle nanokompozitlerde kullanılan malzemelerin fiyatlarının düşmesiyle birlikte polimer nanokompozitlerinin kullanımı son yıllarda artmaya başlamıştır. Polimer nanokompozitler polimerik malzeme (termoplastik, termoset veya elastomer) ve nano ölçekli pekiştiriciden meydana gelirken, bu malzemelerin mekanik, gaz geçirgenlik, termal kararlılık, alev geciktirme gibi özellikleri, kendilerine göre üstünlük göstermektedir. Nanokompozit üretiminde kullanılan katkı maddeleri killer, iki nanoboyutlu karbon nanotüpler ve nanoteller, ve son olarak da üç nanoboyutlu silika, metal partiküller ve kuantum tanecikler olarak üç ana gruptan oluşmaktadırlar.`Click` kimyası; ürünleri kararlı olan, sentez koşullarından doğan hava su ve solvent kirliliklerinden etkilenmeyen, yüksek verimli, hızlı, yüksek seçicilikli, birçok fonksiyonel grupla uyumlu ve ihmal edilebilir seviyede yan ürün oluşturan yada yan ürün vermeyen kimyasal tepkimelerden oluşmaktadır. Fotokimyasal tepkimeler termal tepkimelere göre, daha düşük enerji ihtiyacı, hızlı gerçekleştirilmeleri ve hem konum hemde zaman olarak kontrol edilebilmelerinden dolayı önemli avantajlara sahiptirler. Tepkimeye girecek formülasyondaki monomer ve diğer kimyasalları düzenleyerek tepkime sonrasındaki sertlik, renk, çözünürlük, geçirgenlik, yapışkanlık, elektriksel iletkenlik gibi malzemenin performansına etki eden özellikler kolaylıkla ayarlanabilmektedir. Bu noktadan hareketle, fotopolimerizasyon tekniğinin kullanımı, istenilen özelliklere sahip nanokompozit malzemelerin hazırlanmasında son derece etkin bir yöntem olacağından tercih edilmiştir.Özetle, bu tezde foto-`click` tekniği kullanılarak POSS esaslı nanokompozitler sentezlenmiş ve bu nanokompozitlerin yapıları FT-IR spektroskopi,xvitermogravimetrik analiz ve geçirimli elektron mikroskopu gibi değişik analiz yöntemleriyle aydınlatılmıştır. Mikroskop görüntülerinden elde edilen sonuçlara göre POSS nanopartikülleri homojen olarak dağıldığı tespit edilmiştir. Termogravimetrik analiz sonuçlarına göre tüm nanokompozit malzemeler 360 oC'ye kadar ısısal kararlılık göstermiş ve 800 oC'de elde edilen kül miktarları ise %23-50 aralığında olarak hesaplanmıştır.

The research and development of nanocomposite materials has gained significant attention in recent years due to their superior optical, thermal, electronic, photonic, magnetic, rheological, structural and mechanical properties. Automotive, coatings, biomedical and packaging industries which have a large share in the plastics industry are the important application areas.Generally, to combine the best features or to introduce a new feature of two or more materials, a material with the mixture of heterogeneous materials in the micro or macro level is called as `composite material`. A nanocomposite is as a multiphase solid material where one of the phases has one, two or three dimensions of less than 100 nanometers, or structures having nano-scale repeat distances between the different phases that make up the material.Nanotechnology research gives the chance to change structure of materials in molecular scale. The researchers playing with many functions of molecules can combined in a single product. By increasing surface area to volume ratio of substance, whereas at the nano-scale level, alters the mechanical, thermal and catalytic properties of materials. With these differences enable us to product many nanomaterials which directly affect our daily life such as, more transparent glass, more lighter and durable cars, cleaner clothes and paint with long life-time. Especially, the use of polymer nanocomposites has begun to increase in recent years with the decrease of materials costs and solution of technical difficulties which used in nanocomposite production. There are three main nanostructured additives in nanocomposite production such as, clays which are one dimension in the nano-scale, nanowires and nanotubes which are two dimensions in the nano-scale and silica, metal particles and quantum dots which are three dimensions in the nano-scale.Photopolymerization is an environmentally friendly process that transforms a monomer into a polymer initiated by the reactive species upon irradiation of photoactive species. The advantages of photopolymerization over thermal polymerization are their high reaction rates even at room temperature, consumption of small amount of energy and preparation of solvent-free systems. Moreover, photopolymerization provides the materials with desired properties; by regulating the monomer and other chemicals in the formulation, one can adjust the after-reaction properties like hardness, color, solubility, transparency, adhesion and electrical conductivity. Thus, nanocomposites with desired properties can efficiently be prepared by photopolymerization.To summarize, polymer nanocomposites based on three-dimensional nanosized POSS are prepared by photopolymerization techniques in this thesis. The obtained nanocomposites structures are characterized by various techniques such as, FT-IR spectroscopy, thermogravimetric analyses and transmission electron microscopyxviiianalyses. The homogeneously distributed POSS nanoparticles are clearly detected in the TEM micrographs; whereas the TGA analysis shows that the obtained hybrid thermosets are thermally stable up to 360 °C and begin to lose weight at higher temperatures with a char yield of 23–50% at 800 °C.