Bor karbür katkılı PMMA (polimetil metakrilat) polimerkompozitlerin ATRP metodu ile sentezi ve karakterizasyonu

Abstract

Günümüzde ivmelenen bir hızla gelişen uzay teknolojisi beraberinde zorlu koşullara daha dayanıklı malzeme ihtiyacının doğmasına sebep olmaktadır. Bu durum uzaydaki çevre koşulları ile yakından ilgili olup yoğunluğu ve maliyeti düşük ancak mekanik, sıcaklık ve kimyasal dayanımı ayrıca kozmik radyasyonu sönümleme özellikleri yüksek alternatif malzemeleri endüstriyel ölçekte üretme hedefini zorunlu hale getirmektedir. Bu bağlamda seramik katkılı polimer matriksli kompozitler önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmada seramik malzeme sınıfına dahil B4C tozu ile yaygın endüstriyel uygulama alanı bulunan Poli (metil metakrilat) (PMMA) kompozit olarak sentezlenmiştir. Çalışmanın amacı yeni nesil bu malzemenin uygulanabilirliğini karakterizasyon sonuçları ile açıklanabilen malzeme özellikleri ile desteklemektir. Bor karbür kovalent bağlı, seramik malzeme grubuna dahil mekanik dayanımı oldukça yüksek bir bileşiktir. Poli (metil metakrilat) (PMMA) ise polimer malzeme grubundan termoplastik polimerler sınıfına dahil olan yüksek mukavemet ve ısı direnci özellikleri gösteren bir malzemedir. B4C 4 adet bor ve 1 adet karbon atomundan oluşması nedeniyle kimyasal bağları hayli güçlüdür. Bor ve Karbon atomlarının yarıçapları birbirine çok yakın olduğundan elektronegativite değerleri de birbirine oldukça benzer olup bu iki atomun bir araya gelerek bileşik yapması çok yüksek enerji ve sıcaklık ihtiyacının karşılanmasını gerektirmektedir. Günümüz koşullarında B4C üretimi esnasındaki yüksek enerji ve sıcaklık ihtiyacı sebebiyle B4C tozu yüksek maliyetli ürün sınıfına girmektedir. B4C yüksek mukavemeti ve düşük yoğunluğu sayesinde personel zırhlarında, zırhlı taktik araçlarda, yüksek sıcaklık dayanımı ve yüksek sıcaklıkta artan elektrik iletkenliği sayesinde elektronik cihazlardaki kaplamalarda, Bor elementinin doğal nötron absorblama özelliği sebebiyle nükleer alanda radyasyon zırhlama ve tıp alanında bor nötron yakalama terapisinde kullanılmaktadır. Bu çalışmada farklı partikül boyutuna sahip 3 çeşit B4C tozu sentez parametrelerine ve kompozit içerisine katkılanma miktarlarına göre incelenmiş ve farklı partikül boyutuna sahip B4C tozu ailesinin ürün sentezine etkileri farklı karakterizasyon yöntemleri ile kıyaslanmıştır. PMMA ise yüksek optik geçirgenlik özelliği sebebiyle camsı akrilat olarak da adlandırılmaktadır. PMMA, mor ötesi ışınlara ve atmosfer koşullarına karşı duyarlılık göstermesi sebebiyle esnek cam üretimi, gıda sanayi, sağlık uygulamaları, otomotiv ve uçak sanayinde, mor ötesi ışın ve radyasyon zırhlama uygulamalarında kullanılmakta olup kullanım alanları yaygınlaştırılmaya çalışılmaktadır. Bu amaç ile PMMA içerisine farklı metal, nanomalzeme veya seramiklerin eklenmesi sonrası PMMA matriksli kompozitler üretilmeye çalışılmaktadır. Bu tez çalışması boyunca B4C, PMMA polimer yapısına katkı malzemesi olarak farklı oranlarda eklenmiş ve kompozit sentezlenmeye çalışılmıştır. PMMA ise üretilen kompozitlerin matriksi olup, B4C katkısı sonrası kompozit yapının değişen özellikleri incelenmiştir. Bu amaçla kompozitlerin mekanik, yüzey ve sıcaklık dayanımı özellikleri çeşitli karakterizasyon yöntemleri ile incelenip B4C katkısının etkileri analiz edilmiştir. Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) yöntemi kullanılarak sentezlenen kompozitlerin iç yapılarının, bağlarının ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla X-ışınları Difraksiyon (XRD) analizi, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometresi (FTIR), Raman, Termal Gravimetri (TGA) ve Pozitron Yokolma Ömrü Spektrometresi (PALS) analizleri yapılmıştır. Üretilen kompozitlerin yüzey özelliklerinin tespit edilmesi amacıyla Stereomikroskop ve SEM görüntüleri alınmış ve temas açısı ölçümü ile kompozit yüzeylerinin hidrofilik veya hidrofobik özellikte olup olmadığı incelenmiştir. Sertlik ölçümü yapılarak kompozitlerin mekanik dayanım değerleri kıyaslanmıştır. Kütlece farklı miktarlarda B4C takviye edilen bu çalışmada, en büyük partikül boyutuna sahip B4C tozu B4C-1 olarak, en küçük partikül boyutuna sahip B4C tozu ise B4C-3 olarak isimlendirilmiştir. İkisi arasında kalan B4C tozu ise B4C-2 olarak adlandırılmıştır. PMMA matrisine B4C-1 katkısı kütlece %35, %38, %40, %50 ve %60 oranında B4C-2 katkısı %40 ve %50, B4C-3 katkısı ise %15, %18 ve %50 oranlarında eklenmiştir. Partikül boyutu küçüldükçe PMMA matrisine B4C katkısı eklemenin zorlaştığı ve katkı başarısının düştüğü görülmüştür. Partikül boyutu en büyük olan B4C-1 ise çeşitli oranlarda ve çok daha kısa sürelerde PMMA matrisine ilave edilebilmiştir. Karakterizasyon sonuçlarından sertlik sonuçu baz alındığında mekanik dayanımı en yüksek kompozitin %35 B4C-1 katkısı yapılarak sentezlendiği ve B4C-1 katkısı artırıldıkça mekanik dayanımın düştüğü görülmüştür. Bu duruma Stereomikroskop ve SEM ile alınan görüntülerden anlaşılan topaklanmanın sebep olduğu düşünülmektedir. B4C-1 katkısı artıkça topaklaşma artmıştır, buna ek olarak B4C-1'e göre daha düşük partikül boyutuna sahip B4C-2 tozundan kütlece aynı miktarda eklendiğinde, B4C-1 içeren yapının daha çok topaklandığı Stereomikroskop görüntülerinden anlaşılmaktadır. Benzer topaklaşma mikroyapısına sahip %35 B4C-1 katkılı kompozit ile %50 B4C-2'nin sertlik sonuçlarının çok yakın olmasının mikroyapı kaynaklı olduğu düşünülmektedir. Topaklaşma ile B4C etkisi azalmış ve daha heterojen bir mikroyapı elde edilmiştir. Daha büyük partikül boyutlu B4C-1'den B4C-2'ye göre daha az miktarda eklenerek aynı mekanik dayanımın elde edildiği anlaşılmaktadır. Temas açısı ölçümü yapılarak B4C-1 katkısı kompozit içerisinde artıkça kompozit yüzeyinde su damlacıklarının yayılmadığı daha da hidrofobik yüzeylerin oluştuğu fark edilmiştir. Ayrıca aynı katkı miktarına sahip %50 B4C-1 ve %50 B4C-2 tozlarından partikül boyutu daha büyük olan B4C-1'in stereomikroskop görüntülerinde görülen daha fazla topaklaşma gene numune yüzeyinin daha fazla hidrofobikleşmesine sebep olmuştur.Yapılan XRD, FTIR ve Raman analizlerinde ise B4C-1 ve B4C-2 katkılı kompozitlerde PMMA ve B4C pikleri B4C-3 katkılı kompozitlere göre daha yüksek şiddette ve belirgin olarak görülmekte olup bu sebeple partikül boyutu düştükçe zorlaşan kompozit sentezinin safsızlık veya reaksiyonun veriminden olumsuz etkilendiği tahmin edilmektedir. Yapılan TGA analizinde ise %50 B4C-1 içeren kompozit benzer katkı oranlarına sahip daha düşük partikül boyutlu B4C-2 ve B4C-3 katkılı kompozitlere göre daha fazla kütle kaybı yaşamış ve sıcaklık dayanımının daha düşük olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısıyla daha küçük partikül boyutuna sahip B4C çeşitlerinin sıcaklık dayanımını daha fazla geliştirdiği anlaşılmıştır. PALS (Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy) diğer adıyla pozitron yokolma ömrü spektroskopisi ölçümü ile B4C-1 katkılı B4C/PMMA kompozitlerinin sıcaklığa bağlı pozitronyumun ömrü artış göstermiş ve böylece serbest hacim büyümesinin sıcaklığa bağlı arttığı anlaşılmıştır. B4C-2 ve B4C-3 katkılı numunelerde ise tam tersi durum tespit edilmiştir. Bu yeni Bor Karbür- PMMA kompoziti radyasyondan korunma özelliği ile uzay çalışmalarında kullanılabilecek yeni bir malzeme adayı olma potansiyelini taşımaktadır. Nano boyutlu Bor Karbür tozlarının kullanıldığı farklı çalışmalar literatürde yer almakta olup, bu çalışmada üretim maliyetini düşürmek ve endüstriyel uygulama alanını genişletmek amacıyla ortalama partikül boyutu mikron metre olan Bor karbür tozu çeşitlerinin kullanımı çalışmanın endüstriyel ölçeğe geçebilmesini sağlayabilecek faktörlerden biridir. Sentezlenen bu kompozit uzay araçlarında ve uydu yapısal malzeme çeşitlerinde radyasyon kalkanı olarak da alternatif olarak kullanıma aday bir malzeme olabilecektir.