Polietilen-organokil Nanokompozitlerinin Yapısal Özelliklerinin Ve Arayüzey Etkileşimlerinin Moleküler Dinamik Simülasyon Yöntemleriyle İncelenmesi

Abstract

Polietilen-organokil nanokompozitlerini oluşturan polietilen, kil, uyumlaştırıcı ve yüzey aktif moleküller arasındaki etkileşimlerin anlaşılması, malzemenin mekanik ve fiziksel özelliklerinin kontrol edilmesi konusunda çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu bileşenler arasındaki arayüz etkileşimleri nicel olarak deneysel sıcaklık ve yapılar temel alınarak kuantum mekanik, moleküler dinamik ve Monte Carlo yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Polietilen uyumlaştırıcıya aşılanan polar grubun cinsinin ve oranının, yüzey aktif bileşiklerin baş grup yapısının ve kuyruk uzunluğunun, kilin elektrostatik potansiyel yüklerinin nanokompozit malzemenin kararlılığına olan etkileri araştırılmıştır. Nanokompoziti oluşturan bileşenler arasındaki etkileşim enerjileri ile fiziksel ve mekanik özellikler arasındaki korelasyon ortaya çıkarılmıştır. Kararlı bir polietilen-organokil nanokompozit oluşumunun vdW etkileşimlerine, elektrostatik etkileşimlere ve bunlar arasındaki dengeye bağlı olduğu belirlenmiştir. İtakonik asit ve maleik anhidrit gruplarının uyumlaştırıcılar arasında en verimli sonuçları verdiği gösterilmiştir. Deneysel olarak ölçülen mekanik özelliklerle hesaplanan polimer-kil bağlanma enerjileri arasındaki korelasyonun yüksek olması hem modellemelerin hem de kullanılan yöntemlerin doğruluğunu göstermiştir. Bu hesapsal çalışma polimer-organokil nanokompozitleri oluşturan bileşenlerin optimum oranlarının tahmin edilmesi açısından büyük önem taşımaktadır ve daha iyi özellikteki malzemelerin sentezlenmesi yolunda yapılacak çalışmalar öncesinde deneycilere yol gösterici olacaktır.

Understanding structure and interfacial interactions between polyethylene chains, clay, compatibilizers, and surfactants in polyethylene-organoclay nanocomposites plays a key role in controlling mechanical and physical properties of the material. These interfacial interactions were studied quantitatively at experimental temperature and concentration ratios by employing quantum mechanical, molecular dynamics and Monte Carlo methods. The effect of the type and the ratio of the polar group grafted onto the polyethylene compatibilizer, the structure of the head group and the length of the tail group in the surfactant, the electrostatic potential charges of the clay atoms on the stability of the nanocomposite material were analyzed. The experimentally measured properties were then correlated with the interaction energies between components. The formation of stable polyethylene-organoclay nanocomposite depends on both vdW interactions and electrostatic interactions and the balance between them. Itaconic acid and maleic anhydride were found to be give the highest binding energy between components. The good agreement observed between the experimentally measured mechanical properties and polymer-clay binding energies calculated proved that the modeling and the methods employed here was successful. This study is of great significance since it enables to estimate the optimum ratios of the constituents making up the nanocomposite and helps experimentalists to synthesize materials with enhanced properties.