Grafen oksit katkılı polimer nanokompozitlerin çeşitliözelliklerinin incelenmesi

Abstract

GO veya diğer nano katkı malzemelerinin polimer matrisinde kullanılmasındaki en büyük zorluklardan biri homojen olmayan dağılım ve topaklanmadır. In situ polimerizayon vede eriyik ve solvent karıştırma yöntemlerinin kombinasyonu iyi dağılmış GO katkılı polimer nanokompozitlerin elde edilmesi açısından umut vericidir. Bu nedenle takdim edilen doktora tezi, GO'nun sahip olduğu özellikleri polimer nanokompozit elde ederken etkili bir şekilde aktarabilme hedefiyle iki çalışma etrafında şekillenmiştir. İlk çalışmada in situ polimerizayon ile imal edilen PA6/GO nanokompozitlerin karakterizasyon, termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir. İkinci çalışmada, eriyik ve solvent karıştırma yöntemlerinin kombinasyonuyla imal edilen PA6/HDPE+GO polimer karışım nanokompozitlerinin termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir. İlk çalışmada, PA6/GO nanokompozitleri 4 farklı karışım oranında in situ polimerizasyonla elde edilmiştir. PA6/GO nanokompozitlerinin karakterizsyon, termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri şu şekilde incelenmiştir: XRD bulguları, GO'nun tipik kırınma pikinin ortadan kalktığını göstermiştir. Kristal tipinin değişmesi PA6 zincirlerinin GO üzerine etkili bir şekilde aşılandığını göstermektedir. XPS sonuçları, GO/PA6 elemental taramasından elde edilen güçlü N1s sinyali, C1s dekonvolüsyon pikleri ile birlikte değerlendirildiğinde, GO'in PA6 ile aşılandığını göstermiştir. GO/PA6 ve GO FT-IR spektrumları karşılaştırıldığında yeni pikler ortaya çıkmıştır. Elde edilen pikler, yeni ara moleküler bağlardan kaynaklanan GO'daki konformasyonel değişikliklerin, PA6 zincirlerinin GO üzerine aşılandığını ortaya koymaktadır. Raman spektrumu, PA6'nın GO'ya aşılanmasının GO/PA6'nın G modunu genişlettiğini göstermiştir. Ayrıca, artan kusur için kabul edilen gösterge olan ID/IG oranının, GO'ya kıyasla arttığını ortaya koymaktadır. AFM verilerine göre, karboksilik asit ve amino asit grupları arasındaki reaksiyon, 10,8 nm tarama yüksekliğinde görüldüğü gibi PA6'nın GO yüzeyine başarılı bir şekilde bağlandığını göstermektedir. PA6 ve PA6/GO nanokompozitlerinin DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. GO ağırlık oranının artmasıyla genel kristalleşme derecesinin (%Xc) azaldığını göstermiştir Ayrıca, PA6 ve PA6/GO nanokompozitleri için soğutma DSC eğrileri, iyi dağılmış GO'nun çekirdeklenme ajanı olarak işlev gördüğünü ve PA6 ile etkileşime girerek daha yüksek bir kristalleşme sıcaklığına yol açtığını göstermiştir. TGA sonuçları, GO konsantrasyonunun bozunma sıcaklığı (Td) üzerinde önemsiz bir etkisi olduğunu ve termal kararlılıkta çok az bir iyileşme sağladığını göstermiştir. Bulgular, PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerin elastisite modülü ve maksimum çekme mukavemetinin GO ağırlık oranının artmasıyla arttığını göstermiştir. Kopma uzaması verileri değerlendirildiğinde, artan GO ağırlık oranı sonucunda sertlik artmakta, polimer hareketliliği sınırlanmakta ve kopma uzaması azalmaktadır. PA6/GO nanokompozit numunelerin çekme testi sonrasında kopma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. SEM sonuçları, gerilme özelliklerindeki iyileşmenin homojen dağılma ve kimyasal etkileşim sonucu meydana geldiğini göstermektedir. PA6'ya kıyasla, nanokompozitlerin eğilme gerilmesi ve modül değerleri GO içeriği arttıkça önemli ölçüde artmıştır. Bu iyileştirme yine rijit GO kullanılarak elde edilmiştir. Çentikli Charpy darbe testi sonuçlarına göre nanokompozitlerdeki her GO içeriğinin PA6'ya göre darbe mukavemetini arttığını göstermektedir. Kopma uzaması sonuçlarıyla uyumlu olarak fazla miktarda GO'nun PA6/GO nanokompozitlerinin darbe mukavemetini artırmadığı sonucuna varılabilir. DMA malzemelerin viskoelastik özelliklerini belirlemekte kullanılan en önemli deney yöntemlerinden biridir. Sıcaklığın depolama modülü üzerine etkisi çok net görülmüştür. Depolama modülleri sıcaklığın etkisi ile sürekli olarak azalmıştır. Buna karşın nanokompozitlerinin depolama modülü, PA6'ya göre tüm sıcaklıklarda GO içeriğinin artmasıyla artış göstermiştir. Maksimum Tan Delta değerinin azaldığını ve camsı geçiş sıcaklığının (Tg) PA6 matrisindeki homojen GO dağılımı ve etkileşimi sonucunda arttığı görülmüştür. PA6/GO nanokompozitleri sürtünme katsayısı eğrilerinin, sürekli sürtünme katsayısına geçiş mesafesi nanokompozitlerdeki GO miktarının artmasıyla azalmıştır. GO'nun PA6 ile birleştirilmesi, sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya neden olmuştur. PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerinin termal iletkenliklerinin GO ağırlık yüzdesi arttıkça arttığı gösterilmiştir. GO'nun homojen dağılımı ve güçlü PA6 monomer zinciri etkileşimleri ile GO'nun üstün termal özelliklerinin etkili bir şekilde aktarılmasını sağlamıştır. Ayrıca, sürtünme testleri sırasında ölçülebilir noktadan ara yüzü gösteren termal görüntüleme kamera sonuçlarına göre GO'nun PA6 ile birleşmesi sürtünme sıcaklıklarının düşmesine katkı sağlamıştır. PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerinin istisnai derecede iyi aşınma direnci olduğu vurgulanmalıdır. Herhangi bir sürtünme mesafesindeki aşınma hacmi PA6'dan daha küçüktür. PA6'ya kıyasla, PA6/GO nanokompozitleri artan GO içeriği ile çelik karşı yüzeyde sürekli ve düz bir transfer filmi oluşturmuştur. PA6 için derin oyuklar şeklinde görülen abraziv aşınma mekanizmasının baskın aşınma mekanizması olduğu bulunmuştur. GO'nun ağırlıkça % 0,5'inden sonra elde edilen nispeten düz ve pürüzsüz aşınma yüzeyleri, aşınma şeklinin adaziv aşınmaya dönüştüğünü göstermektedir. PA6/GO nanokompozitlerinde GO içeriğinin artmasıyla aşınma hızları azalmış ve her yük için PA6'ya göre önemli ölçüde daha düşük aşınma hızları elde edilmiştir. PA6/GO nanokompozitlerin aşınma hızının, kayma hızı yükseldikçe arttığı görülmüştür. Aşınma hızları, kayma hızının azalmasıyla önemli ölçüde azalmamıştır. Çünkü transfer film oluşturma yeteneği sınırlı olan PA6, zaten belirgin şekilde metal pürüz tepelerine maruz kalmaktadır. Sürekli ve sabit bir transfer film oluşması aşınma hızını azalmasına neden olmuştur. İkinci çalışmada, polimer karışım nanokompozitleri, PA6, HDPE, MAPE ve GO kullanılarak 5 farklı formülasyonla hazırlanmıştır. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri şu şekilde incelenmiştir: PA6/HDPE+GO nanokompozitlerin DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. GO içeriğinin artması, erime sıcaklıkları üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir. GO ağırlık oranının artmasıyla nanokompozitlerin kristalliği azalmıştır. GO konsantrasyonunun bozunma sıcaklığı (Td) üzerinde hafif bir etkisi olduğunu ve termal kararlılıkta çok az bir iyileşme olduğunu göstermiştir. İmal edilen nanokompozitlerin istenilen ağırlık oranında GO içerip içermedikleri yüzde ağırlık azalmalarıyla tatmin edici bir şekilde gösterilmiştir. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin çekme testi sonuçları, GO'nun PA6/HDPE nanokompozitlerine dahil edilmesinin PA6/HDPE'e göre hem elastisite modülünü hem de maksimum çekme mukavemetini artırdığını göstermektedir. Bu iyileştirme doğrudan GO ağırlık oranıyla ilgilidir. Kopma uzaması verileriyle birlikte değerlendirildiğinde, rijit GO'nun PA6/HDPE deformasyonunu sınırladığını PA6/HDPE'ye göre önemli ölçüde azalma ölçülmüştür. PA6/HDPE+GO nanokompozit numunelerin çekme testi sonrasında kopma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. GO ağırlık oranının artmasıyla ara yüzey adezyon mukavemetinin önemli ölçüde yükseldiği görülmüştür. Bu gözlemler, gerilme özelliklerindeki iyileşmenin GO'nun matris içerisindeki homojen dağılımın neden olduğunu göstermektedir. Nanokompozitlerin, GO içeriği arttıkça PA6/HDPE'ye göre artan eğilme gerilmesi ve modül değerleri sergilediği görülmektedir. Bu iyileştirme, çekme deneylerinde olduğu gibi rijit GO'nun kullanımıyla elde edilmiştir. Charpy darbe testi sonuçları, nanokompozitlerde her GO içeriği için darbe mukavemetinin PA6/HDPE'ye göre azaldığını göstermektedir. Darbe mukavemeti, çatlak ilerlemesini kolaylaştıran ve gerilme transfer yolunu kısıtlayan oldukça sert GO varlığı nedeniyle düşmüştür. GO içeriğinin artırılmasının, PA6/HDPE+GO nanokompozit enerji emme yeteneğini azalttığı sonucuna varılabilir. Nanokompozitlerin depolama modülü, PA6/HDPE göre tüm sıcaklıklarda GO içeriğinin artmasıyla artış göstermiştir. Depolama modülündeki bu artış, GO'nun PA6/HDPE matrisine eklenmesiyle elde edilen sertlikle ilişkilendirilmektedir. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerin maksimum Tan Delta değerinin azaldığını; camsı geçiş sıcaklığının (Tg) ise GO'nun varlığı ve PA6/HDPE matrisindeki homojen dağılımı ile arttığı gözlenmiştir. Sürtünme katsayısı eğrilerinin sürekli sürtünme katsayısına geçiş mesafesi, nanokompozitlerdeki GO miktarının artmasıyla hızlanmıştır. Nanokompozitlerdeki GO konsantrasyonunun artması, sürtünme katsayılarının azalmasına neden olmuştur. PA6/HDPE'ye kıyasla GO ağırlık oranının artmasıyla PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin termal iletkenliklerinin yükseldiğini göstermektedir. Bu artış, GO'nun homojen dağılımı ve GO'nun olağanüstü termal özelliklerinin verimli bir şekilde aktarmasıyla sağlamıştır. Artan ısı iletim katsayısı, sürtünme ısısının hızlı bir şekilde dağılmasına katkıda bulunmuştur, bu da GO ağırlık oranının artışıyla sürtünme sıcaklıklarının azalmasına katkı sağlamıştır. PA6/HDPE'ye göre, GO'nun PA6/HDPE nanokompozitlerine eklenmesi, çelik karşı yüzeyler üzerinde son derece homojen ve sürekli bir transfer filmi oluşturmuştur ve GO konsantrasyonu arttıkça transfer film oluşumu iyileşmiştir. Aşınma yüzeylerinden elde edilen SEM mikrografları, GO içeriğinin artmasının nanokompozitlerin aşınma direncini önemli ölçüde artırdığı açıktır. %0.25 GO içeriğinden sonra aşınma biçimi abraziv aşınmadan adeziv aşınma yönünde değiştiğini göstermektedir. PA6/HDPE+GO nanokompozitleri için GO içeriğinin artmasıyla aşınma hızlarının düştüğü ve PA6/HDPE'nin aşınma hızlarına kıyasla daha düşük aşınma hızları elde edildiğini göstermektedir. Sürtünme katsayıları ve transfer film sonuçları ile uyumlu bir şekilde, iyi dağılmış rijit GO, ağırlık oranı arttıkça, rijitlik ve yük taşıma yeteneklerini artırarak aşınma hızlarını azaltmıştır. Ayrıca sürtünme tarafından üretilen ısının azalması nedeniyle PA6/HDPE+GO nanokompozitler, karşı yüzey üzerindeki sürekli ve kararlı bir transfer film oluşturmuştur. Bu, aşınma hızını azaltmaya yardımcı olmuştur.