Geri Dön

Flame retardancy of polymer nanocomposites

Polimer nanokompozitlerin alevlenme dayanımı

PDF İndir

  1. Tez No: 305727
  2. Yazar: NİHAT ALİ IŞITMAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CEVDET KAYNAK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Mekanik özellikler, Morfoloji, Nanokompozitler, Mechanical properties, Morphology, Nanocomposites
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tezin amacı, nanoparçacık tipi, nanoparçacık dağılımı, nanoparçacık geometrisi ve elyaf takviyesinin, alev geciktiricili polimer nanokompozitlerin alevlenme dayanımına etkisini incelemektir. Bu kapsamda montmorillonit nanokiller, çok-duvarlı karbon nanotüpler, haloysit kil nanotüpler ve silika nanoparçacıklar ile çeşitli alev geciktirici katkı malzemeleri arasındaki etkileşimler poli(metil metakrilat) (PMMA), darbe dayanımlı polistiren (HIPS), polilaktik asit (PLA) ve Poliamid-6 (PA6) matris termoplastikleri kullanılarak incelenmiştir. Kısa cam elyaf takviyeli PA6 kompozitlerde ise montmorillonit nanokil ve alev geciktirici katkının elyaf/matris arayüzey mukavemetine etkisi araştırılmıştır. İncelenen polimer nanokompozitler, ultrason yardımıyla çözeltide karıştırma ve çift vidalı ekstrüzyon ile eriyik halinde karıştırma yöntemleriyle üretilmiştir. Nanokompozitlerin morfoloji ve dağılımı, X-ışınları kırınımı ve geçirimli elektron mikroskobu ile incelenmiş, alevlenme dayanımı ise kütle kaybı konik kalorimetre yangın testleri, limit oksijen indeksi ölçümleri ve UL94 standart yanma testleri ile belirlenmiştir. Alevlenme dayanımı mekanizmaları, yanma sonrası elde edilen küllerin taramalı elektron mikroskobu, geçirimli elektron mikroskobu, X-ışınları kırınımı ve infrared spektroskopisi analizleri ile açığa çıkarılmıştır. Malzemelerin ısıl kararlılık ve bozunma davranışları termogravimetrik analizler ile incelenmiştir. Mekanik özellikler çekme testleri ile belirlenmiş, kırılma yüzeyleri ise taramalı elektron mikroskobu ile incelenmiştir. Nanoparçacık tipinin alevlenme dayanımına etkisinin incelendiği montmorillonit nanokiller ve çok-duvarlı karbon nanotüpler içeren fosfor/azot tabanlı alev geciktiricili PMMA nanokompozitlerde, karbon nanotüpler yanma esnasında katı fazda oluşan inorganik kül tabakasının oluşmasını engellemiş ve malzemenin maruz kaldığı efektif ısı akısını yükselterek yangın direncini kayda değer oranda düşürmüştür. Diğer taraftan, nanokiller koruyucu kül tabakasını yapısal olarak güçlendirmiş ve ısı salım hızı, kütle kaybı hızı ve kül miktarı gibi değerleri yükselterek malzemenin yangın direncini arttırmıştır. Nanokil dağılımının etkisinin incelendiği alüminyum hidroksit alev geciktiricili HIPS karışımlarında, nanokompozit morfolojinin mikrokompozit morfolojiye kıyasla alevlenme dayanımı performansının yaklaşık iki kat üstün olduğu belirlenmiştir. Bu, nanokillerin iyi dağılımı sayesinde etkinleşen bariyer mekanizması ile düşük kütle kaybı hızı elde edilmesine bağlanmıştır. Nanokompozit oluşumu sayesinde alüminyum hidroksit alev geciktiricinin sebep olduğu mukavemet kaybının geri kazanılabileceği gösterilmiştir. Nanoparçacık geometri etkisinin incelendiği fosfor tabanlı alev geciktiricili PLA nanokompozitlerde, nanoparçacık/polimer matris arayüzey miktarına paralel olarak yangın performansı çubuksu (1-D) < küresel (0-D) << levhamsı (2-D) nanoparçacıklar şeklinde artmıştır. İki boyutlu nanoparçacıklar, matris içersinde iyi dağılım göstermeleri sayesinde yanma esnasında hızlı biçimde malzeme yüzeyine taşınarak yapısal olarak güçlü bir alüminyum fosfat/kil nanokompozit kül tabakası oluşumu gerçekleşmiştir. Mekanik özellikler ise takviye malzemesinin matris içerisindeki efektif boy/en oranına paralel olarak 0-D < 1-D < 2-D nanoparçacıklar şeklinde yükselmiştir. Kısa cam elyaf takviyeli, fosfor/azot tabanlı alev geciktiricili PA6 nanokompozitlerin alevlenme dayanımının incelendiği çalışmada, nanokillerin belirli oranlarda alev geciktirici katkının yerine kullanılmasıyla ısı salım hızının azaldığı, tutuşma süresi ve oksijen indeksinin yükseldiği ve UL94 yanmazlık değerlerinin korunabildiği gösterilmiştir. Bu çalışmada nanokiller ile artan yangın direnci, yanma esnasında oluşan karbonlu bor/alüminyum fosfat tabakasının matris içerisinde iyi dağılmış nanokil tabakaları ve kısa cam elyaflar tarafından güçlendirilmesine bağlanmıştır. Alev geciktiricili PA6 ve HIPS nanokompozitlerde elyaf/matris arayüzey etkileşimleri, geliştirilen bir mikromekanik yaklaşımla irdelenmiş, nano-boyutlu katkı malzemesinin arayüzeye etkisinin kullanılan termoplastik matrisin kristallenebilme yeteneğine bağlı olduğu anlaşılmıştır. Kristallenmeyen polimer matriste nanokillerin varlığında elyaf/matris arayüzey mukavemeti azalırken, kristallenebilen matriste geniş yüzey alanına sahip nano-düzeyde dağılmış kil tabakalarının heterojen çekirdeklenme bölgeleri oluşturması ile matrisin kristallenme derecesini yükselterek elyaf/matris arayüzeyini güçlendirebileceği gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

This thesis is aimed to understand the role of nanofiller type, nanofiller dispersion, nanofiller geometry, and, presence of reinforcing fibers in flame retardancy of polymer nanocomposites. For this purpose, montmorillonite nanoclays, multi-walled carbon nanotubes, halloysite clay nanotubes and silica nanoparticles were used as nanofillers in polymeric matrices of poly (methyl methacrylate) (PMMA), high-impact polystyrene (HIPS), polylactide (PLA) and polyamide-6 (PA6) containing certain conventional flame retardant additives. Furthermore, the influence of nanofiller and flame retardant additives on fiber/matrix interfacial interactions was studied. Materials were prepared by twin-screw extrusion melt-mixing and ultrasound-assisted solution-mixing techniques. Characterization of nanocomposite morphology was done by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Flame retardancy was investigated by mass loss cone calorimetry, limiting oxygen index measurements and UL94 standard tests. Flame retardancy mechanisms were revealed by characterization of solid fire residues by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, infrared spectroscopy and X-ray diffraction. Thermal degradation and stability was studied using thermogravimetric analysis. Mechanical properties were determined by tension tests and fracture surfaces were observed under scanning electron microscope. Influence of nanofiller type was investigated comparing the behavior of montmorillonite nanoclay and multi-walled carbon nanotube reinforced PMMA nanocomposites containing phosphorous/nitrogenous intumescent flame retardant. Carbon nanotubes hindered the formation of intumescent inorganic phosphate barrier which caused the samples to be exposed to larger effective heat fluxes during combustion. Contrarily, nanoclays physically reinforced the protective barrier without disrupting the intumescent character, thereby allowing for lower heat release and mass loss rates, and increased amounts of residue upon combustion. Influence of nanofiller dispersion was studied comparing nanocomposite and microcomposite morphologies in montmorillonite nanoclay reinforced HIPS containing aluminum hydroxide flame retardant. Relative to microcomposite morphology, reductions in peak heat release rates were doubled along with higher limiting oxygen index and lower burning rates with nanocomposite formation. Improved flame retardancy was attributed to increased amounts of char residue and lower mass loss rates. Nanocomposite formation allowed for the recovery of tensile strength reductions caused by high loading level of the conventional flame retardant additive in polymer matrix. Influence of nanofiller geometry was investigated for phosphorus based intumescent flame-retarded PLA nanocomposites. Fire performance was increased in the order of rod-like (1-D) < spherical (0-D) << plate-like (2-D) geometries which matched qualitatively with the effective surface area of nanoparticles in the nanocomposite. Well-dispersed plate-like nanoparticles rapidly migrated and accumulated on exposed sample surface resulting in the formation of strong aluminum phosphate/montmorillonite nanocomposite residue. Mechanical properties were increased in the order of 0-D < 1-D < 2-D nanofillers corresponding to the order of their effective aspect ratios in the nanocomposite. Influence of fiber reinforcement was studied for montmorillonite nanoclay containing short-glass fiber-reinforced, phosphorus/nitrogen based flame-retarded PA6 composites. Substitution of a certain fraction of conventional additive with nanofiller significantly reduced peak heat release rate, delayed ignition and improved limiting oxygen index along with maintained UL94 ratings. Improved flame retardancy was ascribed to the formation of a nanostructured carbonaceous boron/aluminum phosphate barrier reinforced by well-dispersed montmorillonite nanolayers. Fiber/matrix interfacial interactions in flame-retarded PA6 and HIPS containing nanoclays were investigated using a micromechanical approach, and it was found that the influence of nanoclay on the interface depends on crystallinity of polymer matrix. While the fiber/matrix interfacial strength is reduced with nanoclay incorporation into amorphous matrix composites, significant interfacial strengthening was imparted by large surface area, well-dispersed clay nanolayers acting as heterogeneous nucleation sites for the semi-crystalline matrix.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    183479

    Development of layered silicate/epoxy nanocomposites

    Tabakalı silika/epoksi nanokompozitlerin geliştirilmesi

    ELÇİN DİLEK KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Mühendislik Bilimleriİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. METİN TANOĞLU

    DOÇ.DR. SALİH OKUR

  2. Tez No

    183483

    Mechanical and thermal properties of non-crimp glass fiber reinforced composites with silicate nanoparticule modified epoxy matrix

    Silika nanopartiküller ile modifiye edilmiş epoksi matriksli kıvrımsız fiber takviyeli kompozitlerin mekanik ve termal özellikleri

    EMRAH BOZKURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. METİN TANOĞLU

  3. Tez No

    255648

    Flame retardancy of polyamide compounds and micro/nano composites

    Poliamid kompaundlarının ve mikro/nano kompozitlerinin alevlenme dayanımı

    HÜSEYİN ÖZGÜR GÜNDÜZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEVDET KAYNAK

  4. Tez No

    290306

    Production and characterization of zinc borate-polymer nano composites

    Çinko borat-polimer nano kompozitlerin üretilmesi ve karakterizasyonu

    HÜLYA BÖLEK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Metalurji MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYHAN MERGEN

  5. Tez No

    338465

    Use of boron compounds as synergistic flame retardant in low density polyethylene ethylene vinyl acetate blends and nanocomposites

    Bor bileşiklerinin düşük yoğunluklu polietilen etilen vinil asetat karışımları ve nanokompozitlerinde sinerjistik alev geciktirici olarak kullanılması

    ESİN İBİBİKCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEVDET KAYNAK

Geri Dön