Yeni Bir Fonksiyonel Malzeme Sınıfı
Optik malzemelerin uygulama alanındaki genişleme ile birlikte, yenilikçi yeni fonksiyonel şeffaf malzemelere artan bir ihtiyaç vardır. Gereksinimler, dalga kılavuzları ve optik fiberlerden sert kaplamalara, bariyer katmanlarına ve ışık panellerine kadar çeşitlilik gösterir.
Polimer malzemeler, ultra ince filmlerin yanı sıra belirli eğriliklere sahip karmaşık şekiller üretmek için kullanılabilir. İnorganik nanopartiküllerin polimerlere dahil edilmesiyle yeni işlevsellikler elde edilebilir. İnorganik dolgu maddeleri, polimerlerde mekanik, termal, elektromanyetik, yaşlanma direnci ve yangına tepki davranışları gibi çeşitli özellikleri geliştirmek için uzun süredir kullanılmaktadır.
Karbon karası, çökeltilmiş kalsiyum karbonat ve pirojenlenmiş silika gibi birkaç geleneksel dolgu maddesi, nanometrik birincil parçacıklar biçiminde kullanılmıştır.
Polimer içine dahil edildikten sonra, genellikle mikron boyutu aralığında karmaşık agregalar oluştururlar. Nanopartiküller içeren polimerlerin şeffaflıklarını korumaları için, partiküllerin kırılma indeksi (RI) polimer matrisininkine benzer olmalı veya agrega veya aglomera olmaması gerekir.
Yarıçapı 25 nm ile 100 nm arasındaki partiküllere göre, yakından eşleşen RI’lara sahip matris malzemeleri gerektirir: 0.02 aralığında bir fark. RI’ler arasındaki fark bu aralığın dışındaysa, polimerin şeffaf olması için nanokompozit parçacıkların yarıçapının 25 nm’nin altında olması gerekir. Rayleigh yasası, saçılan ışığın yoğunluğunun artan parçacık boyutu ile arttığını belirtir.
Bu nedenle inorganik malzemenin, izole edilmiş nanoparçacıkların varlığına izin veren bir işlem kullanılarak dahil edilmesi gerekir. Nano doldurucuların doğasından ve hazırlama prosedüründen bazı zorluklar ortaya çıkmaktadır.
Sentetik oksitler, hidroksitler veya doğal fillosilikatlar gibi birçok nanoparçacık hidrofiliktir, oysa konakçı polimer matrisleri genellikle hidrofobiktir. Ayrıca, sentezden sonraki pirojenasyon veya çökeltme işlemleri sıklıkla, kompozitler işlendiğinde kırılmayan çok güçlü agregalara yol açar.
Sonuç olarak, nanoparçacıkların yüzey özelliklerini kontrol etmek esastır. Şeffaf nanokompozitler için üretim yöntemlerine yönelik anahtar yaklaşımlar, parçacıkların yerinde üretilmesi ve yüzey işlevselleştirilmesi gibi görünmektedir. Ek olarak, yüzey modifikasyon teknikleri, termal kararlılığın yönetilmesine ve nanokompozitlerin fonksiyonel özelliklerinin, özellikle mekanik özelliklerinin ince ayarının yapılmasına da yardımcı olabilir.
Nanoparçacık Modifikasyonları
Nanokompozitlerin sentezi fazlar arasında uyum sorunlarına neden olur. Nanopartiküllerin polimer matrisine eklenmesi, farklı özelliklere sahip iki malzeme arasında iki boyutlu bir bölge olarak tanımlanan ince bir tabaka olan interfaz olan ek bir faz üretir.
Nano yapılı hibrit kompozit malzemeler için, nanoparçacıkların yüksek yüzey alanı-hacim oranı, bileşenleri bölen sınırların etkisini artırır. Düşük hacimli fraksiyonlarda bile interfaz, malzeme özelliklerinin belirlenmesinde önemli bir rol oynar.
Bu nedenle parçacıkların matris içinde iyi dağıldığından emin olmak gerekir. Dolgu ve matris arasındaki uyum, arayüz değiştirilerek geliştirilebilir. Ara fazın kalitesini iyileştirmek için birçok yöntem vardır; genellikle bir çift interfaz oluşturmak için bir birleştirme maddesi kullanılır. Bağlayıcı ajan, matris ve partiküllerle olan afinitesine göre seçilir.
Nanopartiküllerin yüzey modifikasyonu için şimdiye kadar bildirilen yöntemler, silan birleştirme ajanları ile muamele, aşı polimerizasyonu ve polimer veya mineral kapsüllemeyi içerir.
Malzeme Bilimi Ders Notları
Kompozit malzeme Nedir
Malzeme Bilimi Ders Notları pdf
Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri PDF
Malzeme Bilimi PDF Kitap
Malzeme Bilimi dersi
İleri teknoloji malzemeleri
Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler
Silanların Aşılanması
Organosilanlar, en az bir Si-C bağına sahip silandan oluşur. Organik zincir, işlevsellik ve boyut bakımından farklılık gösterir. Bifonksiyonel silanlar, kendiliğinden oluşan tek tabakalar oluşturmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Düz, parlatılmış metalik ve metal oksit yüzeyler üzerinde çok çeşitli silan moleküllerinin kendiliğinden oluşan tek tabakalarının biriktirilmesi, gaz veya sıvı faz reaksiyonları ve hatta süper kritik yöntemler kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.
Bununla birlikte, nanopartiküllerin tamamen dağılmış bir durumda bulunmasının içsel gerekliliği nedeniyle, çok az yayın ince tozlar için etkili silanizasyon yöntemlerini tarif etmiştir.
Seçilen organosilan ne olursa olsun, aşılama mekanizması aynıdır; önce alkoksi grupları hidrolize edilir, daha sonra üretilen silanol grupları ve yüzey partiküllerinde bulunan hidroksil grupları, güçlü bir Si–O bağı vermek üzere reaksiyona girer.
Oksit partikülleri, yüzeyde bu hidroksil gruplarının mevcudiyeti nedeniyle iyi adaylardır. Silan ve inorganik partiküller arasındaki arayüz kimyasal bir bağdır, yani partiküller ve silanlar bir kovalent bağ ile bağlanır.
Aşılı silanlar kullanılarak polimer aşılama
Silan üzerinde bulunan organo-fonksiyonel grup, polimerizasyondan önce polimerin fonksiyonel gruplarıyla veya monomerlerle reaksiyona girebilir. Ayrıca, polimer zincirlerinin interdifüzyonu ve silan ile karışması nedeniyle iki bileşen arasında yaygın bir interfaz oluşturulabilir.
Nanokompozitlerin performansları, iyi uyumluluk ve hatta silan ve matris arasındaki reaktivite ile geliştirilebilir.
Nanopartikül yüzeyine organosilanlar aşılamak, dolgu maddeleri ve matris arasındaki arayüzün hızlı ve basit bir protokol aracılığıyla kimyasal olarak değiştirilmesini sağlar. Bununla birlikte, silan fonksiyonel grupları ve polimer zincirleri arasındaki reaksiyon sorunlu olmaya devam etmektedir. Bunun nedeni, yukarıda açıklanan interdifüzyonun organosilan karbonatlı zincirlerin kısa uzunluğu ile sınırlı olmasıdır.
Silan kaplama
İlgili partiküllerin yüzeyinde kalsiyum karbonat (CaCO3) gibi hidroksil grupları bulunmadığında, organosilanlar partiküller arasında yoğunlaşır ve partiküllerin etrafında bir kaplamaya yol açan bir polisiloksan ağı oluşturur. Bu sonuç ışığında, organosilan aşılama, nanokompozitlerde interfazın modifiye edilmesi için önemli bir yöntemdir.
Aşılı polimer
Ara fazı değiştirmenin ikinci bir yolu, monomer veya polimer birleştirme ajanları kullanmaktır. Klasik yüzey modifikasyonu veya silanla kaplama sırasında, nihai malzemeyi zayıflatan agregalar görünebilir. Monomer polimerizasyonu, bazı monomer moleküllerinin partikül agregatları içinde göç etmesine, agrega partiküllerini dağıtmasına ve matris partikül kohezyonunu iyileştirmesine olanak sağlayabilir.
Ayrıca, partikül yüzeyindeki aşılanmış polimer zincirlerinin uzunluğu, yüksek seviyelerde interdifüzyona ve matris zincirleriyle karışmaya neden olabilir, böylece aralarında reaksiyon olmasa bile farklı malzeme fazları arasında iyi bir kohezyona katkıda bulunur. Her durumda, aşılanmış bir polimer seçme kriteri, onun karışabilirliği ve aşılanmış polimer ile matris arasındaki reaktivitedir.
Aşılamayı gerçekleştirmenin iki ana yolu vardır:
– “üzerine aşılama”: polimer zincir uçları, nanopartiküller üzerindeki fonksiyonel gruplarla reaksiyona girer; polimer matrisi de reaksiyona girecek şekilde değiştirilebilir;
– “aşılama”: polimer, parçacıkların yüzeyine aşılanmış bir başlatıcı veya monomerden oluşturulur.