Peo Bazlı Termoplastik Poliüretan Silika Nanokompozitleri Hakkında Parametrik Bir Çalışma

Abstract

Silika takviyeli termoplastik poliüretan elastomerler, ana bileşenlerinin arayüzey karakteristikleri ve birbirleri üzerindeki sinerjetik etkiden kaynaklanan eşsiz özelliklerinden dolayı, son yıllarda bilim ve teknoloji dünyasında büyük ilgi görmektedir. Söz konusu malzemelerin kapsamlı bir biçimde incelenmesi, yüksek performans gösteren çok fazlı polimerik malzemelerin geliştirilmesi açısından hayati önem taşımaktadır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan karakterizasyon yöntemleri, çok fazlı polimerik malzemelerin incelemesine imkan tanırken, bu alandaki deneylerin belirli bir dizayn ve analiz yöntemiyle gerçekleştirilmesi sistemin daha iyi kavranmasına yönelik farklı bir bakış açısı sunmaktadır. Söz konusu karakterizasyon yöntemleri ve dizayn araçlarının entegre bir sistem olarak kullanılması, çok fazlı polimerik malzemelerin doğasını anlamaya yönelik önemli bir adımdır. Bu sayede söz konusu malzemelerin performansı daha da fazla arttırılabilir. Bu tez çalışması çok fazlı polimerik sistemlere bir örnek olarak silika takviyeli polietilen oksit bazlı termoplastik poliüretan elastomerlerin doğasını anlamaya yönelik parametrik bir incelemeyi ihtiva etmektedir. Söz konusu çalışmada, deneylerin parametrik analizi için Box-Behnken dizayn yöntemi düşünülmüştür. Bilindiği üzere, tüm çok fazlı polimerik sistemlerde olduğu gibi silika takviyeli polietilen oksit bazlı termoplastik poliüretan elastomerlerinde de polimer-dolgu arayüzey etkileşimi incelenmesi gereken en önemli nokta olarak göze çarpmaktadır. Bu nedenle söz konusu çalışmada dizayn parametreleri olarak, polimer-dolgu arayüzey etkileşimi üzerindeki etkileri kimyasal ve morfolojik analizler ile belirlenmiş, yumuşak kısım molekül ağırlığı, dolgu oranı ve boyutu, söz konusu dizayn çerçevesinde ana parametreler olarak belirlenmiştir. Buradan yola çıkarak, kritik dizayn noktalarındaki incelemeleri gerçekleştirebilmek için, farklı boyut ve oranlarda silika dolgu içeren, üç farklı yumuşak kısım molekül ağırlığına sahip polietilen oksit bazlı termoplastik poliüretan elastomerler çözeltiden döküm (solution casting) yöntemi ile hazırlanmıştır. Malzemelerin performansını belirleyen yumuşak kısım kristalinitesi, immobilize yumuşak kısım oranı, kopma mukavemeti ve uzaması, her bir kritik dizayn noktası için termal ve mekanik analizler ile belirlenmiştir. Buradan hareketle her bir çıktı (response) için varyans analizi yöntemi ile temsili modeller oluşturulmuştur. Her bir çıktı ikinci dereceden bir polinom fonksiyonuna uygun halde formülize edilmiş ve parametrelerin her bir çıktı üzerindeki etkileri matematiksel olarak ayrı ayrı ifade edilmiştir. Söz konusu matematiksel ifadelerle parametrelerin çıktılar üzerindeki bireysel etkilerinin yanısıra, sistem üzerindeki interaktif etkileri de saptanmıştır. Yapılan deneysel incelemeler ile formülasyonda yer alan etkiler ayrıntılı olarak incelenmiş ve fiziksel olarak ifade edilmiştir. Sonuç olarak, deney sonuçlarının temsili modeller ile uyumlu olduğu tespit edilmiştir. Bu durum, çok fazlı polimerik sistemler için bir örnek teşkil eden silika takviyeli polietilen oksit bazlı termoplastik poliüretan elastomerlerinin spesifik uygulamalar için optimize edildiğinde, gerekli yüksek performanslı malzeme ihtiyacına cevap verebileceğini göstermektedir.

Recently, silica filled thermoplastic polyurethanes have gained great interest due to their majestic properties, which arise from the synergism between the properties of the main components and their unique interfacial characteristics. A comprehensive understanding of these materials is crucial for developing high-performance polymer nanostructured multi-phase systems. While familiar characterization techniques give chance to investigate the nature of these materials, statistical design tools offer a different approach to conceive the constitution of multicomponent polymer systems. Integrated use of these techniques and tools can make these materials better. This study is an effort to find out how the system can be defined both as statistically and experimentally. Poly(ethylene oxide) based thermoplastic polyurethanes/silica nanocomposites were chosen as a polymer nanostructured multi-phase system. Box-Behnken Design tool was considered for multivariate analysis of experiments. As the main parameters, the soft segment molecular weight, filler content and size were pre-selected. Because of their effects on the polymer filler interaction was clearly observed by chemical and morphological analysis. The nanocomposite films having various soft segment molecular weight, filler content and size were prepared by solution casting method at critical design points. Furthermore, thermal and mechanical analysis were performed for each design point in order to investigate the responses such as soft segment crystallinity, rigid amorphous fraction, tensile strength and elongation at break. The surrogate models were created by the analysis of variance for each response. All responses were initially fit to a second order polynomial function that was followed by the sequential elimination of ‘least significant’ factors. The model fit quality was presented in actual vs prediction plots. The individual and interactive effects of parameters were reported by the statistical expressions for each response. The physical meaning of the individual and interactive effects of parameters were explained in accordance with the experimental results.