Üç Boyutlu Çapraz Bağlama Yapıları Aracılığıyla Seramikleştirilebilir EVA Kompozitlerinde Termal Kararlılığın ve Yangına Dayanıklılığın Artırılması
giriiş
Seramikleştirilebilir etilen-vinil asetat (EVA) kompozitler, özellikle ısıya dayanıklı polimerler alanında, malzeme biliminde önemli bir ilerleme olarak ortaya çıkmıştır. EVA bazlı kompozitler, esneklikleri, darbe dirençleri ve termal kararlılıkları nedeniyle yaygın olarak kullanılmakta olup, çeşitli endüstriyel uygulamalar için idealdir. Bununla birlikte, özellikle yüksek sıcaklık koşullarında gelişmiş termal kararlılığa duyulan ihtiyaç, seramikleştirilebilir kompozitlerin geliştirilmesine yol açmıştır. Bu malzemeler, yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında seramik benzeri yapılara dönüşerek mekanik bütünlüklerini korur ve yangına dayanıklı özellikler sağlar.
Bu makale, çapraz bağlayıcı madde olarak bis(tert-butilperoksi) diizopropilbenzen (BIPB) ve katkı maddeleri olarak silikat cam fritleri (SGF) ve amonyum polifosfat (APP) kullanılarak seramikleştirilebilir EVA kompozitlerinin hazırlanmasını incelemektedir. Çapraz bağlama yapıları, kompozitin termal kararlılığını, reolojik özelliklerini ve kendi kendini destekleme özelliğini belirlemede çok önemli bir rol oynamaktadır. Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi (DSC) ve jel içeriği ölçümlerinden yararlanılarak çapraz bağlama süreci analiz edilmiştir. Termal ve reolojik özellikler bir reometre ve Termogravimetrik Analiz (TGA) kullanılarak karakterize edilmiş, seramik kalıntısının gözenekliliği, faz bileşimi ve morfolojisi ise X-ışını Kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskopi (SEM) ile incelenmiştir. Bu çalışma, çapraz bağlama yapılarının kompozitin seramikleştirilebilir özelliklerine olan etkisini vurgulayarak, polimerden seramiğe dönüşümün altında yatan mekanizmalara dair bilgiler sunmaktadır.
EVA Kompozitlerinde Çapraz Bağlama Yapıları
BIPB'nin EVA matrisine dahil edilmesi, kompozitin özelliklerini geliştirmede kritik öneme sahip olan çapraz bağlama yapılarının oluşumunu tetikler. Çapraz bağlama, polimer zincirlerinin kovalent bağlarla birbirine bağlanarak üç boyutlu bir ağ oluşturduğu kimyasal bir süreçtir. Bu ağ yapısı, malzemenin mekanik ve termal özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Bu bağlamda, BIPB, EVA polimer zincirleri içinde çapraz bağların oluşumunu tetikleyen bir radikal başlatıcı görevi görür.
Çapraz bağlama yapılarının oluşumu, FTIR, DSC ve jel içeriği ölçümleri kullanılarak analiz edildi. FTIR spektroskopisi, çapraz bağlama işlemi sırasında meydana gelen kimyasal değişikliklere, özellikle EVA matrisine bağlı fonksiyonel grupların kaybolmasına veya ortaya çıkmasına dair bilgiler sağladı. DSC, kompozitin termal geçişlerini, özellikle de çapraz bağlama derecesinden etkilenen erime ve kristalleşme davranışlarını incelemek için kullanıldı. Kompozitin çözünmeyen kısmını ölçen jel içeriği ölçümleri, çapraz bağlama derecesinin doğrudan bir göstergesi olarak hizmet etti; daha yüksek jel içeriği, daha fazla çapraz bağlı bir yapıyla ilişkilendirildi.
Çapraz bağlama reaksiyonunda SGF ve APP'nin rolü de değerlendirildi. Yaygın olarak kullanılan bir inorganik dolgu maddesi olan SGF ve alev geciktirici olan APP, kompozitin termal stabilitesini ve seramikleştirilebilir özelliklerini artırmak için katkı maddesi olarak eklendi. Bununla birlikte, FTIR, DSC ve jel içeriği analizleri, ne SGF'nin ne de APP'nin BIPB tarafından başlatılan çapraz bağlama reaksiyonuna müdahale etmediğini ortaya koydu. Bu, katkı maddelerinin temel çapraz bağlama sürecini değiştirmeden öncelikle kompozitin termal ve seramikleştirilebilir özelliklerini etkilediğini göstermektedir.
EVA kompozit malzeme
Reolojik Özellikler ve Termal Kararlılık
EVA kompozitinde üç boyutlu çapraz bağlama ağının oluşumu, reolojik özellikleri ve termal kararlılığı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Malzemenin stres altında nasıl deforme olduğunu tanımlayan reolojik özellikler, polimer kompozitlerin işlenebilirliğini ve performansını belirlemede çok önemlidir. Çapraz bağlı EVA matrisi, reometre testleriyle gözlemlendiği üzere, artan viskozite ve elastikiyet ile iyileştirilmiş reolojik davranış sergilemiştir. Bu iyileştirmeler, doğrusal veya zayıf dallanmış bir polimer yapısına göre akışa ve deformasyona daha etkili bir şekilde direnen, birbirine bağlı polimer zincirleri ağına atfedilir.
Seramikleştirilebilir kompozitler için önemli bir parametre olan termal kararlılık, TGA kullanılarak değerlendirildi. Çapraz bağlı EVA kompoziti, daha yüksek bozunma sıcaklığı ve yüksek sıcaklıklarda daha düşük ağırlık kaybı ile gösterildiği gibi, çapraz bağlanmamış muadiline kıyasla üstün termal kararlılık sergiledi. Çapraz bağlama yapıları, polimer zincirlerinin hareketliliğini kısıtlayarak ve böylece termal bozunma oranını azaltarak bu iyileşmeye katkıda bulunur. Ek olarak, SGF ve APP'nin varlığı kompozitin termal direncini daha da artırdı. Camsı bir faz olan SGF, ısıya karşı bir bariyer sağlarken, alev geciktirici olan APP, bozunma sırasında fosforik asit salarak, malzemeyi ısıdan yalıtan koruyucu bir kömür tabakasının oluşumunu teşvik eder.
Seramikleştirilebilir Özellikler ve Kendi Kendini Destekleyen Davranış
EVA kompozitinin en dikkat çekici özelliklerinden biri, yüksek sıcaklıklara maruz kaldığında seramik benzeri bir yapıya dönüşebilme yeteneğidir; bu olaya seramikleşme denir. Bu dönüşüm, yangına dayanıklılık ve yapısal bütünlüğün gerekli olduğu uygulamalar için kritik öneme sahiptir. Kompozitin kendi kendini destekleme özelliği, yani şeklini koruyabilme ve termal maruziyet sırasında kendi ağırlığını taşıyabilme yeteneği, doğrudan çapraz bağlama yapılarının oluşumundan etkilenir.
Çapraz bağlı EVA kompoziti, 1000°C'ye kadar yapısal bütünlüğünü koruyabildiği için mükemmel bir kendi kendini destekleme davranışı sergiledi. Bu durum, inorganik kristal fazların oluşumundan önce kompoziti destekleyen bir iskele görevi gören çapraz bağlama ağının "iskelet" işlevine atfedilir. Sıcaklık arttıkça, SGF erir ve APP ayrışarak polimer matrisinin yerini alan seramik bir kalıntının oluşmasına katkıda bulunur. Çapraz bağlama yapıları ve seramikleştirilebilir katkı maddelerinin kombinasyonu, kompozitin çökmeden veya mekanik özelliklerini kaybetmeden termal strese dayanabilmesini sağlar.
Seramik kalıntısının görünür gözenekliliği ve yoğunluğu da incelenmiştir. Çapraz bağlama yapıları, seramik kalıntısının görünür gözenekliliğini azaltmada önemli bir rol oynamış ve daha yoğun ve kompakt bir seramik yapı oluşmasına yol açmıştır. XRD analizi, seramik kalıntısının faz bileşimini ortaya çıkararak, malzemenin yangına dayanıklılık özelliklerine katkıda bulunan silikatlar ve fosfatlar gibi kristal fazları tanımlamıştır. SEM analizi, seramik kalıntısının morfolojisinin ayrıntılı görüntülerini sağlayarak, seramikleştirme sonrasında oluşan yoğun ve birbirine bağlı yapıyı vurgulamıştır. Gözenekliliğin azalması ve yoğunluğun artması, malzemenin yangına dayanıklılığını ve yüksek sıcaklıklardaki mekanik mukavemetini iyileştirmede kilit faktörlerdir.
Çözüm
Üç boyutlu çapraz bağlama yapılarına sahip seramikleştirilebilir EVA kompozitlerinin geliştirilmesi, yangına dayanıklı malzemeler alanında önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir. Çapraz bağlama ajanı olarak BIPB'nin, katkı maddesi olarak SGF ve APP ile birlikte kullanılması, üstün termal kararlılığa, reolojik özelliklere ve seramikleştirilebilirlik özelliklerine sahip bir kompozit elde edilmesini sağlamaktadır. EVA matrisi içinde sağlam bir ağ oluşturan çapraz bağlama yapıları, kompozitin kendi kendini destekleme davranışını artırmada ve seramik kalıntısının gözenekliliğini azaltmada kritik bir rol oynamaktadır.
Bu çalışmanın bulguları, çapraz bağlama reaksiyonunun SGF ve APP katkı maddelerinden bağımsız olarak gerçekleştiğini ve böylece termal kararlılık ve seramikleştirilebilir özelliklerin eş zamanlı olarak iyileştirilmesine olanak sağladığını göstermektedir. Yüksek sıcaklıklara maruz kaldıktan sonra oluşan seramik kalıntısı, daha düşük gözeneklilik ve daha yüksek yoğunluk sergileyerek malzemenin yangına dayanıklı özelliklerine katkıda bulunur. Bu sonuçlar, termal kararlılık ve yangına dayanıklılığın çok önemli olduğu uygulamalarda çapraz bağlı EVA kompozitlerinin potansiyelini vurgulamaktadır.
