Physical properties of poly(methyl methacrylate)/graphene nanoplatelets nanocomposite

Poly (methyl methacrylate) (PMMA) iyi mekanik özelliklere sahip,aşınmaya karşı direnci yüksek ve üstün ısı direncine sahip berrak, şeffaf bir termoplastik malzemedir. PMMA'nın mekanik, termal, elektriksel ve radyasyon zırhlama özellikleri, üstün özelliklere sahip çeşitli nanomalzemeler eklenerek geliştirilebilir. Güçlendirilmiş PMMA malzemeleri, tıp, sensör, güneş hücresi, elektronik ve uzay bölgesi gibi birçok uygulama alanı için ideal bir adaydır. Polimer malzemelerin zayıf olan fiziksel özellikleri nanomalzemeler eklenerek geliştirilebilir. Bu çalışmada, PMMA'nın mekanik, termal, elektriksel ve radyasyon özelliklerini geliştirmek için nano katkı maddesi olarak Graphene Nanoplatelets (GNPs) nanomalzeme seçildi. GNPs bir kaç katman grafenden oluşuyor katmanlar arası mesafe ise 0,34 nm dir, grafen katmanları birbirleriyle zayıf Van der Waals kuvveti ile bağlanıyor. GNPs iyi derecede mekanik, elektrik, termal ve optik özelliklere sahiptir, böyle olmasının nedeni ise GNPs nin iyi derecede fiziksel özelliklere sahip olan grafen katmanlarından oluşmasıdır. Bu çalışmada, PMMA (polimetilmetakrilat) Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) tekniğiyle üretildi. GNPs nanomalzeme ise yerinde polimerizasyon metoduyla dağıtıldı. Katman şekildeki GNPs'i homojen dağıtmak için en uygun yöntem yerinde polimerizasyon yöntemidir. PMMA/GNPs nanokompozit üretim aşamasında ilk olarak katı kimyasallar argon ortamında tartıldı, daha sonra sentez aynı şekilde argon ortamında tamamlandı, son olarak tüpler tıpa ile kapatılarak maynetik karıştırıcı üzerine polimerizasyon bitene kadar bırakıldı. PMMA'nın karakteristik özelliklerinde meydana gelen değişiklikleri incelemek için SEM (taramalı elektron mikroskop) karakterizasyonu, XRD (X ışını kırınımı) analizi, FTIR (Fourier dönüşüm kızılötesi spektroskopisi) analizi, TGA (Terrmogravimetrik) analizi, Rochwell sertlik (M ölçek) ve basma testi, ultrasonik test ve gama geçirgenlik testi teknikleri uygulandı. GNPs nanomalzemenin dağılım kalitesini incelemek için SEM tekniği uygulandı. Sem görüntülerinde, GNPs nanomalzemenin geniş yüzeye sahip olduğu, nanomalzeme yüzey çapının 5μm civarında olduğu görüldü. PMMA' ın ise temiz bir yüzey alana sahip olduğu görüldü. Üretilen 1 wt. % PMMA/GNPs nanokompozitin ise farklı yüzey morfolojisine sahip olduğu, GNPs nanomalzemenin PMMA yuzeyine iyi şekilde yapıştığı, GNPs nanomalzemenin homojen bir şekilde dağıldığı gözlemlendi. SEM temel haritalama tekniği elementlerin yerleşim durumunu incelemek için uygulandı, test sonucunda elementlerin topaklanmadığını ve homojen şekilde dağıldığı gözlemlendi. Temel haritalama ile birleştirilmiş SEM karakterizasyonu, polimerizasyon methodu kullanılarak GNPs nano katkı maddesinin PMMA polimer matrisinde homojen bir şekilde dağılmış olduğunu gösterdi. GNPs nanomalzemenin dağılımının kalitesi PMMA'ın fiziksel özelliklerinin gelişmesine doğrudan etkisi olduğu görüldü. GNPs nanomalzeme eklendikten sonra PMMA'nın kimyasal yapısında nasıl bir değişiklik olduğunu incelemek için FTIR analizi yapıldı. GNPs nanomalzeme takviyeli PMMA'nın FTIR spektrumu saf PMMA ile benzer spektrum gösterdi, bu durum GNPs nano katkı maddesi ile PMMA polimer matriks arasında etkileşimin olduğunu kanıtladı. GNPs nanomalzeme eklendikten sonra PMMA'nın malzeme yapısında nasıl bir değişiklik olduğunu incelemek için XRD analizi yapıldı. XRD analizi sonucunda GNPs nanomalzemenin XRD deseni 26.5 derecede pik verdi ki bu pik grafen tabakalarının 0.34 nm mesafede yığılmasına karşılık gelir. Bu pik 0.25 wt. % PMMA/GNPs nanokompozitin XRD deseninde gözlemlenmedi, bu durum grafen nanomalzemenin PMMA içerisinde tamamen dağıldığını gösterdi. Grafen piki 0.25 wt. % den yüksek konsantrasyondaki nanokompozitlerde görülmeye başladı, pikin genliği GNPs konsantrasyonu arttıkça arttı. Bu durum grafen nanomalzemenin homojen dağılamadığını ve yığılma olmaya başladığını gösterdi. Üretilen nanokompozitlerin termal kararlılığı TGA analizi ile incelendi, analiz sonuçlarında ise PMMA'ya GNPs nano katkı maddesi eklenmesiyle PMMA'nın termal kararlılığının önemli ölçüde arttığı gözlemlendi. 0.25 wt. % GNPs eklendiğinde ağırlıkça % 2 GNPs eklenmesi ile PMMA'nın % 5 kütle kayıp nokta sıcaklığı açık bir şekilde 196.73°C dan 219.33°C ya yükseldi, ve GNPs konsantrasyonunun yükselmesi ile PMMAnın % 5 kütle kayıp nokta sıcaklığı yavaş yavaş 243.00°C ya ulaştı, ve net olarak 46.27 °C yükseliş elde edildi. Üretilen nanokompozitlerin elektrik iletkenliği dört noktalı probla ölçüldü, ölçüm sonuçlarında ise PMMA'ya GNPs nano katkı maddesi eklenmesiyle PMMA'nın elektirik iletkenliği önemli ölçüde arttığı gözlemlendi. Ağırlıkça % 2 GNPs eklenmesi ile PMMAnın electirik iletkenliği ~10-14 S/m den 0.72 S/m ye yükseldi. Üretilen nanokompozitlerin kusursuz bir malzeme olduğunu tespit etmek, malzeme içerisinde ilerleyen boyuna dalga ve enine dalga hızlarını ve malzeme yoğunluğunu kullanarak nanokompozitlerin bazı mekanik özeliklerini elde etmek için Ultrasonik testi uygulandı. Gönderilen ve tespit edilen ses piklerin arasında temiz alan gözlemlendi, temiz alanın gözlenmesi üretiğimiz nanokompozitlerin kusursuz bir malzeme olduğunu gösterdi. Nanokompozitlerin yoğunluğu Arşimet kaldırma kuvveti prensibi ile ölçüldü, malzemelerin içerisinde ilerleyen boyuna ve enine dalgarın hızları iki tane farklı prob kullanılarak ölçüldü, bu sonuçları kullanarak malzemelerin Kayma Modülü, Young modülü ve Mikrosertlik değerleri hesaplandı. Sonuçlarda ise saf PMMA'nın kayma Modülü, Young modülü ve mikrosertlik değerleri, ağırlıkça % 2 GNPs eklenmesi ile sırasıyla % 19.5 (2.064 GPa dan 2.407 GPa ya),% 16.8 (5.517 GPa dan 6.446 GPa ya) ve % 14.2 (0.225 GPa dan 0.259 GPa ya) arttığı gözlemlendi. Üretilen nanokompozitlerin mekanik özelliklerinden Rockwell sertliği ve basınç dayanımı, Rockwell sertlik testi ve basma testi yapılarak incelendi. Test sonuçlarında ise saf PMMA ile karşılaştırıldığında, ağırlıkça % 2'lik GNP'lerin ilavesiyle Rockwell sertliği ve basınç dayanımı değerlerinin sırasıyla % 19.9 (90.2 MPa dan 127.7 MPa ya) ve % 42.7 (84.5 dan 101.3 ya) arttığı gözlemlendi. Gama ışığı zayıflatma performansı gamma geçirgenlik tekniği kullanılarak incelendi. Cs-137 ve Co-60 radyoizotoplar kullanılarak; üretilen nanokompozitlerin radyasyon zayıflatma katsayı ölçüldü ve çizgisel zayıflatma katsayı deneysel olarak elde edildi. Malzemelerin yoğunluğu kullanılarak nanokompozitlerin kütle zayıflatma katsayıları elde edildi. Ayrıca malzemelerin kimyasal element konsantrasyonları kullanılarak XCOM programından malzemelerin teorik kütle zayıflatma katsayıları elde edildi. Sonuçlara bakıldığında,GNPs konsantrasyonunun yükselmesi ile Cs-137 ve Co-60 radyoizotoplar için çizgisel zayıflatma katsayıları yavaş yavaş arttı, ancak kütle zayıflama katsayıları yavaş yavaş azaldı. Elde edilen deneysel değerler ile teorik değerler karşılaştırldı, ve sonuçta deneysel sonuçların teorik sonuçlar ile uyumlu olduğu gözlemlendi. Elde edilen sonuçlar literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırıldı. Literatürdeki çalışmaların çoğunda GNPs nanomalzemelerin eklenmesi ile belli bir konsantasyonda maksimum gelişme elde edilmiş ve daha yüksek konsantrasyondaki nanokompozıtlerin malzeme içerisinde habbe ya da çatlaklar oluşturduğu ve bu durumlar polimer içerisinde topaklanma oluşturduğundan mekanik özelliklerin düşmeye başladığı gözlemlenmişken, bu çalışmada GNPs konsantrasyonu arttıkça nanokompozitlerin mekanik özelliklerinin yavaş yavaş arttığı gözlemlendi. Ağırlıkça % 2'lik GNPs'lerin ilavesiyle elektirik iletkenliği ve termal kararlılığının daha iyi şekilde geliştiği gözlemlendi. Sonuç olarak, ATRP tekniği ile üretilen PMMA içerisine GNPs nanomalzemelerin yerinde polimerizasyon metoduyla homojen bir şekilde dağılmış olduğu, malzeme içerisinde habbe ya da çatlakların oluşmadığı, GNPs'nin PMMA ile etkileşimin iyi olduğu gözlemlendi. GNPs nanomalzemenin bu şekilde PMMA içerisine yerleşerek saf PMMA' nın fiziksel özelliklerini iyi şekilde geliştirdiği gözlemlendi ve literatürdeki sonuçlara göre gelişimin daha iyi olduğu gözlemlendi.