Saflaştırılmış kil ve onun organokili ile hazırlanan kil-PVA nanokompozitlerinin sentezlenmesi ve karakterizasyonu

• Published in: İTÜ dergisi/c, (Fen bilimleri) Vol. 5; no. 1; pp. 56 - 66
• Main Authors: GÜNGÖR, Nurfer, İŞÇİ, Sevim
• Format: Journal Article
• Language: Turkish
• Published: İstanbul Teknik Üniversitesi 2007
• Subjects: clay; Deney; experiment; Geology; Jeoloji; Kil; Metalik Malzemeler; Metallic Materials; nanocomposites; Nanokompozitler; Organoclay; Organokil
• ISSN: 1303-7021

Polimerlerin kullanım alanlarının giderek artmasıyla özelliklerinin geliştirilmesi çalışmaları artmış ve nano ölçekteki katkıların, özellikleri çok geliştirdiğinin bulunmasıyla birlikte hangi katkı malzemelerinin daha etkili olduğu yönünde çalışmalar başlamıştır. Doğal olarak tabakalı yapıda olan killerin polimer içinde dağıtılabilmesi nedeniyle çok iyi katkı malzemesi olabilecekleri anlaşılmıştır. Böylece kil/polimer nanokompozitlerin hazırlanması, karakterizasyonları ve özelliklerinin belirlenmesi ile ilgili çalışmalar başlamıştır. Bu çalışmanın amacı ilk aşamada saflaştırılmış kil dispersiyonunda kil taneleri arasındaki etkileşimi ve kil tanelerinin katyonik yüzeyaktiflerle etkileşimlerini belirleyerek organokil sentezlemektir. İkinci aşamada killerin ve organokillerin PVA polimeri ile nasıl etkileştiklerini belirleyerek, kil numunesinin saflaştırılmasının hangi durumlarda yararlı olduğunu ortaya koymaktır. Son aşamada ise sentezlenen kil/polimer nanokompozitlerin mikro yapılarını tanıyarak, karakteristik özelliklerini (mekanik, termal) belirleyerek kil ve organokil ile hazırlanan nanokompozitlerin polimere göre üstünlüklerini nedenleri ile birlikte ortaya koymaktır. Na aktif bir montmorillonit kilinin saflaştırılmış formunun PVA polimeri etkileşimi ile kil/polimer kompozitler, kilin oktadesiltrimetil amonyum bromür (ODTABr) yüzeyaktifı ile organokil formuna dönüştürülmelerinden sonra PVA ile etkileşimlerinden organokil/polimer kompozitleri elde edilmiş, kompozitler çeşitli yöntemlerle karakterize edilmişler ve mekanik, termal özellikleri bakımından karşılaştırılmışlardır. Nanokompozit yapımında çözeltilerin birleştirilmesi ve polimerizasyon olmak üzere iki farklı yöntem kullanılarak hangi yöntemle polimerin mekanik ve termal dayanımının arttığı nanokompozit elde edilebileceği belirlenmeye çalışılmıştır.
Nanocomposites are materials that comprise a dispersion of nanometre size particles in a matrix. A clay/polymer nanocomposite is a polymer that contains nanometer sized clay particles. Because of the nanoscale structure, clay/polymer nanocomposites possess unique properties. The clay-containing nanocomposite offers several advantages over the matrix polymer or classical composites. The main improvements are in: modulus, impact strength, heat resistance, dimensional stability, barrier properties, flame retardance, optical properties, ion conductivity, thermal stability, etc. Montmorillonite is the most widely used clay in clay /polymer nanocomposites. It is a type of natural clay mineral and has a layered structure. It consists of stacked, layered silicates of about 1 nm thickness including two silica tetrahedral sheets sandwiching an edge-shared oc-thedral sheet of either aluminum or magnesium hydroxide. There are some hydrophilic cations residing in the basal space, such as Na or K ions, which can be exchanged by other cations. Clay minerals are hydrophilic but modifying the clay minerals with organic cations, the surface is made hydrophobic and the adsorption of polymer molecules is enhanced. With the purpose of increase the interaction of clay and polymer, clay particles are modified with cationic surfactant to change the hydrophilic surface to the hidrophobic ones, also to expand the clay basal spaces. It is possible to produce organoclay with optimum properties by determining clay-surfactant interactions. To increase the interaction of clay and polymer, clay flocks should be broken, the basal spacing of clay particles should be increased and the surface of the clay particles should not be totally covered with surfactants.
In this study, determining the interaction of the purificated clay particles and cationic surfactant, organoclay has been synthesized. Clay-polymer nanocomposites have been made with the interaction of PVA polymer and two different types of clay, the purificated montmorillonite, and its organoclay. The composites have been characterized by different methods for comparison of the thermal and mechanical properties. Two different methods, which
are intercalation of pre-polymer from solution method and in situ intercalative polymerization method, are used to make nanocomposite to understand which method is more effective to obtain mechanically and thermally stronger nanocomposite properties. The prepared clay and organoclay polyfner composites are defined as nanocomposites by the analysis ofXRD and FTIR.
The studies on rheology and zeta potential measurements indicate that surfactant attached on the surface of clay particles, d(001)-spacings expanded the basal unit cells, based on XRD studies. According to the studies 0.1 M ODTABr is choosed as the proper concentration to prepare organoclay.
X-ray diffractometry was used to investigate the intercalation behaviors of organoclays. In SMt, and QSMt, the basal spacing determined to 11.54 Â and 16.35 Â, respectively. It revealed that a bilayer arrangement of the surfactant molecules parallel to the silicate layer occurred [lagaly, laird].
The FTIR specktra of SMt and OSMt shows the OH streching peaks at 3630.8 ve 3631 cm'1, Si-0 streching and bending peaks at (1047 and 1046.9 cm'1) and (523cm'1 and 467 cm'1 two different peaks) respectively.
According to the XRD analysis of the SMt/PVA nanocomposites, which are prepared by solution method, show exfoliated nanocomposite structure while OSMt/PVA show intercalated structure in 4% clay addition. In the case of the nanocomposites, which are prepared with in situ polymerization method, 0.5% clay content nanocomposites show exfoliated structure while 4% clay content nanocomposites show intercalated structure.FTIR spectra of the nanocomposites for the both preparation methods support the XRD analysis of the samples.
The mechanical and the thermal properties of PVA are improved with the nanocomposites which are prepared by in situ polymerization method more than the solution method. Elastic modulus of PVA increased about 4 times at 5O °C for both SMt/PVA and OSMt/PVA nanocomposites prepared in situ polymerization method while the nanocomposites of slution methods increased 67% at 100 °C.