T.C.
UŞAK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KİMYA ANABİLİM DALI
POLİ(2-TİYOZİL METAKRİLAMİT) / SODYUM MONTMORİLLONİT NANOKOMPOZİTLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MEHMET AKBAY
EYLÜL 2016 UŞAK
T.C.
UŞAK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
KİMYA ANABİLİM DALI
POLİ(2-TİYOZİL METAKRİLAMİT) / SODYUM MONTMORİLLONİT NANOKOMPOZİTLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MEHMET AKBAY
EYLÜL 2016 UŞAK
Mehmet AKBAY tarafından hazırlanan “Poli (2-Tiyozil Metakrilamit) / Sodyum
Montmorillonit Nanokompozitlerin Sentezi ve Karakterizasyonu” adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım.
Prof. Dr. Cengiz SOYKAN ………
Tez Danışmanı, Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Anabilim Dalı
Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Kimya Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
Prof. Dr. Cengiz SOYKAN ………... Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Anabilim Dalı, Uşak Üniversitesi
Prof. Dr. İbrahim EROL ……… Kimya Anabilim Dalı, Afyon Kocatepe Üniversitesi
Yrd.Doç. Dr. Ayşe Pınar Tüzüm DEMİR ………. Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, Uşak Üniversitesi
01/09/2016
Bu tez ile U.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır.
Prof. Dr. Lütfullah TÜRKMEN ……….. Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
TEZ BİLDİRİMİ
Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
v POLİ (2-TİYOZİL METAKRİLAMİT) / SODYUM MONTMORİLLONİT
NANOKOMPOZİTLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU (Yüksek Lisans Tezi)
Mehmet AKBAY Uşak Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Eylül 2016
ÖZET
Bu çalışmada, 2-Tiyozil Metakrilamit monomeri, 2-Amino Tiyazol ile Metakriloilklorür’ün Trietilaminli (NR3) ortamdaki reaksiyonundan sentezlenmiştir. 2-Tiyozil Metakrilamit monomerinin sodyum montmorillonit kil mineraliyle oluşturduğu kompozitleri sentezlenmiş ve karakterizasyonu yapılmıştır. Kompozitlerin sentezi; kilin saflaştırılması ve katyon değişim kapasitesinin (KDK) belirlenmesi, organokil sentezi ve nanokompozit sentezi olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Saf kil kurutularak KDK tayini yapılmış ve organokil sentezinde kullanılmıştır. Kilin KDK değeri ANSI/ASTM C837-76 standardına göre belirlenmiştir. Organokil sentezinde; uzun zincirli dimetil n-oktadesil amonyum klorür yüzey aktif madde kullanılmıştır. Sentezlenen organokil ve nanokompozitlerin tabakalar arası uzaklıkları X-Işını Kırınımı (XRD) analizleri ile belirlenmiştir. Nanokompozit sentezi yerinde (in-situ) polimerizasyonla yapılmış ve kütlece farklı miktarlarda kil içeren nanokompozitler; XRD, termogravimetrik analiz (TGA) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleriyle karakterize edilmişlerdir. Nanokompozitlerin tanecik boyutları BET analizi ile belirlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: 2-tiyozil metakrilamit, kil, sodyum montmorillonit, nanokompozit Sayfa Adedi: 103
vi SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF POLY(2-THİOZYL
METHACRYLAMİDE) / SODİUM MONTMORİLLONİTE NANOCOMPOSİTES (M.Sc.Thesis)
Mehmet AKBAY
UŞAK UNIVERSITY
INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
September 2016
ABSTRACT
In this study, 2-thiozyl methacrylamide based monomer was synthesized by reacting 2-amino thiazole with methacryloylchloride in the presence of triethylamine. Synthesis and characterization of 2-thiozyl methacrylamide-sodium montmorillonite nanocomposites were done. Synthesis of nanocomposites were done in three steps which are; purification and cation exchange capacity (CEC) determination of clay, organoclay synthesis and nanocomposite synthesis. Pure clay was dried, its CEC is determined and than used in organoclay synthesis. CEC determination was done as written in ANSI/ASTM C837-76 standard. In organoclay synthesis; surfactants were used which is long chained dimethyl N-octadeshyl ammonium chloride. Gallery distances of organoclay and nanocomposites were calculated by X-Ray Diffraction (XRD) analysis. Nanocomposite synthesis were done by in-situ polymerization. Composites; which contain varying amounts of clay by mass were characterized by XRD, thermogravimetric analysis (TGA) and scanning electron microscope (SEM). Also, pore size of nanocomposites were determined by BET analysis.
Keywords: 2-thiozyl methacrylamide, clay, sodium montmorillonite, nanocomposite Page Number: 103
vii TEŞEKKÜR
Bu çalışmanın planlanmasında ve yürütülmesinde, çalışmalarım süresince desteğini ve ilgisini esirgemeyen, bilgi ve hoşgörüsünden yararlandığım Sayın Hocam Prof. Dr. Cengiz SOYKAN’a sonsuz saygı ve şükranlarımı sunarım.
viii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ……….……….. v ABSTRACT ………..………... vi TEŞEKKÜR …………..………... vii
TABLOLAR LİSTESİ ……...……….. xiv
ŞEKİLLER LİSTESİ ………...……… xv
KISALTMALAR LİSTESİ………. xvii
1. GİRİŞ ………... 1
2. KİL…….,.………. 5
2.1. Killer ve Kil Minerallerinin Özellikleri ………. 5
2.1.1. Killerin Sınıflandırılması………...……… 5
2.1.2. Endüstriyel Killerin Kullanım Alanlarına Göre Sınıflandırılması…… 7
2.1.2.1. Kaolinler (China Clays) ……….. 7
2.1.2.2. Bağlama Kili (Ball Clay) ..………...……... 7
2.1.2.3. Halloysit Türü Kil Grubu ….………...…………... 8
2.1.2.4. Şamot Killeri (Ateş Kili – Fire Clay) ………. 8
ix
2.1.2.5.1. Şişme Özelliği Olan Bentonitler ...……… 10
2.1.2.5.2. Şişme Özelliği Olmayan Bentonitler …..……….. 10
2.1.2.6. Yıkama Kili (Fuller’s Earth) ………...…... 10
2.1.2.7. Diğer Killer (Adi Killer, Şiştler)………..…. 11
2.2. Bentonit ……….…………...……….. 11
2.2.1 Bentonitin Özellikleri ………...………...……….. 12
2.2.2. Bentonitin Kullanım Alanları ………...……… 14
2.2.3. Montmorillonit Kil Minerali ..………... 16
2.3. Polimerler ………...………...……. 18
2.3.1. Polimerlerin Özellikleri ………...……. 19
2.3.2. Polimerlerin Sınıflandırılması …...………...……… 20
2.3.2.1. Sentezlenme Şekillerine Göre Polimerler...………...…. 20
2.3.2.1.1. Kondenzasyon Polimerleri ………...…………...…. 20
2.3.2.1.2. Katılma Polimerleri ……….………... 21
2.3.2.2. Polimerlerin Kimyasal Yapılarına Göre Sınıflandırılması ...….…. 22
2.3.2.2.1. Organik Polimerler ….………... 22
2.3.2.2.2. İnorganik Polimerler ……….... 23
x
2.3.2.3.1. Doğal Polimerler ………..………… 23
2.3.2.3.2. Yarı Sentetik Polimerler ………...……… 24
2.3.2.3.3. Sentetik Polimerler ………..……...……….……. 24
2.3.2.4. Yapılarına Göre Polimerler ……...………..…………... 26
2.3.2.5. Polimerlerin Zincir Şekline Göre Sınıflandırılması …..…………. 27
2.3.2.5.1. Düz Zincirli (lineer) Yapıda Polimerler …………..…………. 28
2.3.2.5.2. Dallı Yapıda Polimerler ………...……... 28
2.3.2.5.3. Çapraz Bağlı Yapıda Polimerler ………...…… 29
2.3.2.5.4. Network (Ağ) Yapıda Polimerler ………...….. 29
2.4. Kompozitler ………...…. 30
2.4.1. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri ……….. 31
2.4.2. Kompozitlerin Kullanım Amaçları ………... 32
2.4.3 Kompozit malzemelerin sınıflandırılması ………... 34
2.4.3.1 Takviye Türüne Göre Kompozit Malzemeler ……… 34
2.4.3.2 Matris Fazına Göre Kompozit Malzemeler ………. 35
2.5. Polimer/Kil Nanokompozitler ……… 36
2.5.1 Polimer/Kil Nanokompozitlerin Yapısı ……….………… 37
xi
2.5.1.2 Dağılmış (eksfoliye) Yapı ………... 39
2.5.1.3 Karışık Yapı ………. 40
2.5.1.4 Mikro-Kompozit Yapı ………. 41
2.5.2 Polimer/Kil Nanokompozitlerin Üretimi ……….. 41
2.5.3 Polimer/Kil Nanokompozitlerin Karakterizasyonu ……….. 43
2.5.4 Polimer/Kil Nanokompozitlerin Özellikleri ………. 44
2.6. Polimer/Bentonit Nanokompozitleri Üzerine Yapılan Çalışmalar ……… 45
3 MATERYAL VE METOD ………... 49
3.1 Materyal ………... 49
3.1.1 Kullanılan Araç ve Gereçler ……….. 49
3.1.2 Kullanılan Kimyasallar ………. 49
3.1.3 Kullanılan Cihazlar ……… 51
3.2 Deneysel Çalışmalar ……… 51
3.2.1 Na-Montmorillonit Kilin Saflaştırılması ………... 51
3.2.2 Benzoil Peroksit’in Saflaştırılması ……… 52
3.2.3 2-Tiyozil Metakrilamit Monomerinin Sentezi ……….. 52
3.2.4 Vinilbenzildimetilhekzadesil Amonyum Klorür (VHAC) Sentezi …... 53
xii
3.2.6 2-Tiyozil Metakrilamit-OVHAC Nanokompozitlerin Sentezi ………. 54
3.3 Kullanılan Cihazlar ve Yöntemler ……… 56
3.3.1 NMR analizleri ………. 56
3.3.2 FTIR Analizi ………. 57
3.3.3 X-Işını Kırınım Difraktometresi (XRD) ……… 57
3.3.4 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) Analizi ………. 57
3.3.5 Altın Kaplama İşlemi ……… 58
3.3.6 Termal Analiz ……… 58
4. BULGULAR ……….. 59
4.1. TMAAm Monomerinin 1H-NMR ve 13C-NMR Spekrumları ………….. 59
4.2 Saflaştırılmış Bentonit’in Kimyasal Bileşimi ………..……... 60
4.3 Poli 2-Tiyozil Metakrilamit/Na-Montmorillonit Nanokompozitinin Karakterizasyonu ……….. 61
4.3.1 TMAAm, OVHAC, VHAC Moleküllerinin FTIR Spektrumları ……. 61
4.3.2 TMAAm/Na-MMT Nanokompozitlerin FTIR Spektrumları ………… 62
4.3.3 TMAAm/Na-MMT Nanokompozitlerin XRD Desenleri …………... 63
4.3.4 Na-MMT, VHAC ve OVHAC Moleküllerinin SEM Görüntüleri …. 65 4.3.5 TMAAm/Na-MMT Nanokompozitlerin SEM Görüntüleri ………… 67
4.3.6 VHAC, OVHAC ve TMAAm/Na-MMT Nanokompozitin TGA Eğrileri... 68
xiii 4.3.7 TMAAm/Na-MMT Nanokompozitlerinin Adsorpsiyon Özellikleri .. 70
5. SONUÇLAR VE YORUM …… ….………...………... 74
KAYNAKLAR ………..………... 77
xiv TABLOLAR LİSTESİ
Sayfa
Tablo 2.1: Çeşitli Polimer Örnekleri ……… 22
Tablo 3.1: Monomer ve kilin kütlece % oranı ……… 56
Tablo 4.1: Na-MMT ve TMAAm/Na-MMT nanokompozitlerin d001
değerleri ve yapıları ………. 65 Tablo 4.2: VHAC, OVHAC ve Nanokompozitlerin BET analiz sonuçları… 73
xv
ŞEKİLLER LİSTESİ
Sayfa
Şekil 2.1: Kilin Şişmesi ………..…….. 13
Şekil 2.2: Kil minerali arasında katyon değişimi ………... 14
Şekil 2.3: Montmorillonit kil minerali ………... 16
Şekil 2.4: Na-MMT’in 2:1 yapısı ………... 17
Şekil 2.5 Zincir şekillerine göre polimerler ……… 28
Şekil 2.6 Kompozit Türleri ………. 38
Şekil 2.7 Polimer/kil nanokompozitlerin interkelat yapısı ……….. 39
Şekil 2.8 Polimer/kil nanokompozitlerin eksfoliye yapısı ……….. 40
Şekil 2.9 Polimer/kil nanokompozitlerin karışık yapısı ………. 41
Şekil 3.1 Nanokompozit sentezinin şematik gösterimi ……….. 55
Şekil 4.1: TMAAm monomerinin 1H-NMR spektrumu ……….. 59
Şekil 4.2: TMAAm monomerinin 13C-NMR spektrumu ………. 60
Şekil 4.3: TMAAm, OVHAC, VHAC Moleküllerinin FTIR Spektrumları …. 61 Şekil 4.4: TMAAm/Na-MMT naokompozitlerinin FTIR Spektrumları …….. 62
Şekil 4.5: Na-MMT, susuz Na-MMT, VHAC, OVHAC ve farklı bileşimlerdeki TMAAm/Na-MMT nanokompozitlerinin XRD desenleri ………... 64
xvi Şekil 4.6: Na-MMT, VHAC ve OVHAC moleküllerinin çeşitli
büyütmelerdeki SEM görüntüleri ……… 66
Şekil 4.7: Farklı bileşimlerdeki TMAAm/Na-MMT nanokompozitlerinin çeşitli büyütmelerdeki SEM görüntüleri ……….. 67
Şekil 4.8: VHAC, OVHAC ve TMAAm/Na-MMT nanokompozitin TGA eğrileri ………. 69
Şekil 4.9: OVHAC molekülünün TG-DTG-DTA grafikleri ……….. 69
Şekil 4.10: VHAC molekülünün BET izoterm grafiği ……….. 70
Şekil 4.11: OVHAC molekülünün BET izoterm grafiği ……… 71
Şekil 4.12: %TMAAm-%OVHAC=50.0-50.0 nanokompozitinin BET izoterm grafiği ………. 71
Şekil 4.13: %TMAAm-%OVHAC=66.67-33.33 nanokompozitinin BET izoterm grafiği ……… 72
Şekil 4.14: %TMAAm-%OVHAC=75.0-25.0 nanokompozitinin BET izoterm grafiği ………... 72
xvii KISALTMALAR LİSTESİ
AFM : Atomik kuvvet mikroskopu
ATRP : Atom Transfer Radikal Polimerizasyonu
BET : Brunauer-Emmett-Teller yüzey alanı ve mikro gözenek boyutu analiz cihazı
BJH : Barrett, Joyner, Halenda yüzey alanı ölçüm cihazı CTAB : Setiltrimetilamonyum bromür
DMF : N,N-dimetilformamid DMSO : Dimetilsülfoksit
DNA : Deoksiribo Nükleik Asit
DSC : Diferansiyel Tarama Kalorimetresi DTA : Diferansiyel Termal Analiz
DTG : Termo gravimetrik analiz
FTIR : Fourier transform infrared spektroskopisi HDTMA : Hekzadesiltrimetilamonyum klorür KDK : Katyon Değişim Kapasitesi
MBA : Metilenbisakrilamid
MMT : Montmorillonit
NB : Sodyum Bentonit
NMR : Nükleer Manyetik Rezonans OVHAC : Organomodifiye kil
PAA : Poliakrilik asit PAAm : Poliakrilamit
PAAM-OCLAY : Poliakrilamid-kil nanokompoziti
xviii PEG : Polietilen glikol
PEO : Polietilen oksit PET : Polietilen tetraftalat PETE : Polietilen tetraftalik ester PHEMA : Polihidroksietil metakrilat PMMA : Polimetil metakrilat PPG : Polipropilen glikol
PPy : Polipirol
PS : Polistiren
PST-B-PTHF : Polistiren blok tetrahidrofuran PVA : Polivinil alkol
PVC : Polivinilklorür PVP : Polivinil pirilodin RNA : Ribo Nükleik Asit
SEM : Taramalı elektron mikroskopu TEFLON : Politetrafloroetilen
TEM : Transmisyon Elektron Mikroskobu TEMED : N,N,N’,N’-tetrametil-etan-1,2-diamin TG : Gravimetrik analiz
TGA : Termal Gravimetrik Analiz TMAAm : 2-Tiyozil metakrilamit
UB : Ünye bentoniti
UV-VIS : Ultraviyole ve görünür ışık absorpsiyon spektroskopi cihazı VHAC : Vinilbenzildimetilhekzadesil amonyum klorür
xix 3-APT : 3-Trietoksisilil-propilamin
3-TMSPDETA : N-[3-(trimetoksisilil)propil]-dietilentriamin 3-TMSPEDA : N-[3-(trimetoksisilil)propil]-etilendiamin
1 1. GİRİŞ
Gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar hemen hemen her alanda çok yaygın bir kullanım alanı bulan kompozit malzemenin tarihi son birkaç yüzyıla maledilmiş gibi görünse de aslında insanlık tarihi kadar eskidir [1].
Birbirinden ayrı iki ya da daha fazla makroskopik malzemenin birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek için bir araya gelmesiyle oluşan malzeme sistemine kompozit malzeme denir. Her kompozitte malzemede genellikle en az iki tip madde bulunur; matris ve takviye malzemesi. Bu malzemelerin fiziksel özellikleri birbirlerinden farklıdır ve bir araya getirilmeleri ile oluşan kompozit malzeme bunların her ikisinden de farklı özelliklere kavuşur. Takviye malzeme taşıyıcı görev üstlenir ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar [2, 3, 4].
Daha eskilere gidildiğinde kerpiç evlerin ana malzemesi olan toprağa karıştırılan saman malzemesi de ayrı bir petek yapılı panel matris (Honeycomb Panel ) örneğidir. Matris bütünleştiren malzeme anlamlarına gelir ve katıştırıldığı malzemeyi kenetleyip dayanımını arttırır [5].
Killer medeniyetin başlangıcından itibaren önemli bir endüstriyel hammadde olarak insanlar tarafından kullanılmıştır. Sanatkârlardan sonra mineralog, jeolog, mühendis ve tarımcıların da ilgi göstermeleri üzerine, bilim dünyası bu hammaddenin önemini çok daha iyi değerlendirmeye başlamıştır. Modern bilimin sağladığı bütün imkânların kullanılmasıyla birlikte özellikle 1930’lu yıllardan sonra, killerin etüdü büyük bir hızla yapılmış ve konuyla ilgili teknoloji de bu hızda gelişmiştir.
Belirli bir kristal yapıya sahip olan killer , ıslatıldığında şekillenebilecek kadar plastik özelliği gösteren, ısıtıldığında ise sertleşen hidratlaşmış alüminyum ya da magnezyum silikatlardır. Araştırmalara bakıldığında ilk olarak kilin mineralojik kimyasal tanımlanması, farklı yapıdaki killerin sınıflandırılmaları, iç yapısının açıklığa kavuşması ve
2 aydınlatılması, sudaki şişme özelliğinin belirlenmesi ile alakalı oldukları görülmektedir [6]. Öncede amorf yapıda olduğu sanılan kil minerallerinin ilk defa 1930’da Hendricks ve daha sonra 1931’de Kelly tarafından X-ışınları cihazı ile yapılan çalışmalarda tabakalı yapıda olduğu fark edilmiştir [7, 8].
Kil parçacıklarının etkileşimi türü ve yapısı anlaşıldıkça farklı katkı malzemelerinin de örneğin yüzey aktif maddeler veya polimerler gibi, killer üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Killerin katkı malzemeleri ile olan etkileşimleri karakterize edilirken farklı yöntemler kullanılmış, kil tanelerinin yüzey yüklerinin ve silis tabakaları arasındaki uzaklıkların değiştirilmesi ile etkileşimlerinin değiştirilebileceği farkedilmiştir. Kilin tabakaları arasındaki uzaklığın arttıkça killerin başka malzemeler ile etkileşimlerini kolaylaştırmaktadır [9].
Kil mineralleri tabakalanma özelliği ve küçük tanecik boyutu avantajı ile nanokompozitlerde ve polimerlerde dolgu maddesi olarak kullanılmaktadır. Bunlardan montmorillonit(MMT) yaygın olarak bulunması, ucuzluğu, nano boyutta tabakalı yapıya sahip olması, kimyasal ve mekanik dayanımının yüksek olması sebebiyle nanokompozit malzemelerde tercih edilmektedir. MMT, sahip olduğu doğal olarak hidrofilik özelliği ve çoğu polimer ile uyum göstermemesi nedeniyle iyon değişim prosesine tabi tutularak tabakaları arası modifiye edilerek (genelde alkil amonyum tuzları ile) organofilik hale getirilir. Modifikasyon hidrofobikliğin arttırılması yanında MMT tabakaları arasını da genişletir ve organik monomerin adsorpsiyonunu olanaklı kılar [10, 11, 12].
Nanokompozitler polimerin içinde dağılmış dolgu parçacıkların en az bir boyutunun nanometrik ölçekte olduğu yeni bir kompozit malzeme sınıfına girmektedirler. Nanokompozit fikri ilk kez 1950 yılında ortaya atılmış, 1985 yılında da Toyota araştırma grubunun poliamid-kil karışımları çalışmaları ile ilerlemeler kaydetmiştir. Grubun o zamanki hedefleri arasında, metalden daha hafif ve ısıya dayanıklı otomobil aksamı malzemesi bulmak vardı. Günümüzde ise nanokompozitler polimer sanayinin her kesiminden oldukça ilgi görmektedir. Kullanım alanları da aleve dayanıklı her çeşit üründen otomotivden paketlemeye, elektronik aksama, ev aletlerine kadar hemen her ürüne uzanmaktadır. Anorganik ve organik nanokompozit malzemeler üstün özelliklerinden dolayı endüstriyel ve akademik alanda araştırmacıların dikkatini çekmekte olan ve hızla büyüyen bir araştırma alanıdır [13, 14, 15].
3 Polimer-Kil nanokompozitler hazırlanırken 2:1 tabakalı silikatlar veya fillo silikatlar kullanılır. 2:1 tabakalı silikatlar iki tetrahedral tabaka arasında oktahedral tabakadan oluşmuş yapılardır. Bu üç tabakanın oluşturduğu kristal yapının tabakasının kalınlığı 1 nm dir. Yapının eni de 30 nm ile birkaç mikron arasındadır [16, 17]. Nanokompozit üretimi için en çok kullanılan kil smektit grubu, montmorillonit kilidir. Killer madenden çıkarıldıklarında içlerinde kolloidal olmayan büyük parçacıklar, montmorillonit ve safsızlıklar içerirler. Safsızlıklar ve bu büyük parçacıklar çıkarıldığı zaman kil daha homojen ve küçük tane boyutlu hale dönüşür. Killerin polimer içerisinde homojen dağılabilmesi ve yabancı parçacıkların uzaklaştırılması için saflaştırma en etkili yöntemdir [18].
Kompozit malzemelerde polimer esaslı matrikslerin yanı sıra seramik türevi malzemeler ve metal de matriks olarak kullanılmaktadır. Diğer matrikslerin kullanılmasına rağmen kompozit malzemelerin % 90’ı polimer esaslı matrikslerle üretilmektedir [19]. Polimer matriksli kompozit malzemelerin özelliklerini matriks faz belirler. Polimerik kompozitteki matriks malzemesi; kompozit malzemey bir arada tutar ve şekil verir. Ayrıca, çevresel faktörlerin verebileceği kimyasal ve fiziksel zararlara karşı kompozit malzemeyi korur. Polimer kompozitlerin en önemli özellikleri, yüksek özgül mukavemet (mukavemet/özgül ağırlık) ve özgül elastisite modulüdür. Örneğin; grafit/epoksi kompozitleri, çelikten daha hafif olmasına karşın yaklaşık beşkat daha kuvvetlidir. Öte yandan karbon liflerinin özgül elastisite modulü alüminyumun beş katı kadardır. Bu üstünlüklerinden dolayı polimerik kompozitler uzay ve uçak endüstrisinde alüminyum alaşımlarına tercih edilir. En önemli avantajları ise düşük maliyet, yüksek mukavemet ve basit üretim prensiplerine sahip olmalarıdır. Kompozit malzemelerde kullanım yerine göre hafiflik, sağlamlık, esneklik, çevre şartlarına (nem, güneş ışını vb) dayanıklılık ve darbe dayanımı vb gündelik yaşamda kullanılan terimlerle ifade edilen özellikler yanında ısıl genleşme katsayıları, çatlama ve kırılma, yorulma, çekme, eğilme dayanımları vb değerlerin uygunluğu aranır. Polimerik kompozit malzemelerin geliştirilmesiyle tüm bu olumlu özellikleri tek çatı altında toplayabilmek mümkün olmuştur. Polimerik kompozit malzemeler; uçak ve uzay sanayi, enerji, otomobil, deniz, inşaat, elektrik, ulaşım vb pek çok sektörde artan oranlarda ve birbirinden farklı birçok amaç için kullanılmaktadır. Polimer ve sentetik lif teknolojisinin gelişmesine eşdeğer olarak polimerik kompozit malzemeler, tekstil sektöründe de çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir [20, 21, 22].
4 Polimerlerin kullanım alanlarının çeşitlenerek her geçen gün artması dolayısıyla kullanımlarının gerektirdiği mekanik, ısıl ve elektriksel özellikleri sağlayan polimerlerin geliştirilmesi ya da mevcut polimerlerin katkı maddeleri ile istenilen özelliklere ulaştırılması önem kazanmış ve bu yönde yapılan çalışmalar hız kazanmıştır.
Polimerler genel olarak tanecikler ve elyaflar ile takviye edilmektedir. Elyaf takviyeli polimerik kompozit yapılarda, polimer matriksler farklı şekillere sahip elyaflar ile takviye edilebilmektedir. Ancak günümüzde polimer matriksler nano boyutlara sahip tanecikler ile de takviye edilmeye başlanmış ve elde edilen kompozit malzemeler polimerik nano kompozitler olarak isimlendirilmiştir. Dolgu parçacıklarının nanometrik boyutlarından dolayı nanokompozitler yüksek alan/hacim oranlarına sahip olmaları ve çok düşük kil yoğunluklarında bile fazlar arası etkileşim alanı çok geniş olmasından dolayı fiziksel ve mekanik özelliklerinde çok önemli artışlar görülebilmektedir [6].
Polimer/kil nanokompozitler saf polimer ile kıyaslandığında mekanik özellikleri, termal kararlılıkları, yanma dayanımı, gaz-bariyer özellikleri, iyonik iletkenlikleri gibi üstün olan özelliklerinden dolayı büyük ölçüde ilgi toplamışlardır [23].
Nanokompozitler, metaller ve dolgu kompozitlerden daha parlaktır ve maliyeti daha düşüktür. Taşımada büyük yakıt ve enerji avantajı sağlarlar. Ayrıca otomobillerin iç ve dış parçalarında kullanılarak bu parçaların mekanik özelliğini arttırırlar. Polimer/kil nanokompozitleri üzerine birçok çalışma bulunmakla fakat polimer ve modifiye edilmemiş kilden elde edilen nanokompozitler üzerine çok fazla çalışmaya rastlanılmamıştır. Bu çalışmanın amacı da doğal, bol, ucuz ve termal dayanıklılığı iyi olan modifiye edilmemiş kil (Na-Montmorillonit) ile poliakrilamit ve poli(2-hidroksi etil metakrilat) polimerini bir araya getirerek termal ve mekanik dayanıklılığı daha iyi olan yeni malzemeler elde etmektir [6].
5 2 KİL
2.1 Killer ve Kil Minerallerinin Özellikleri
Karmaşık bir yapıya ve mineral içeriğine sahip killer genel olarak; seramik, gıda, döküm, sondaj, petrol, dolgu, plastik, kağıt, ilaç gibi pek çok endüstri alanında kullanılan bir malzeme grubunu oluştururlar. Killer, mineral yapı ve kimyasal bileşim farklılıkarından gelen değişik özellikler gösterdiklerinden, ticari killerin hangi endüstri alanındaki işlemler için en uygun olduğunun tespiti yanında; bu kilin belirli özelliklerinin iyileştirlmesi için yapılan çalışmalar, endüstriyel uygulamalar bakımından büyük önem taşır.
Killer tanecik boyutu 0.02 mm den küçük ince taneli sedimanlar olup; toprağımsı, belirli miktarda su eklendiğinde plastikliği artan, silis ve alumina içeriği yüksek bir mineraldir. Killer genellikle belirli şartlar altında, feldspatların ayrışması veya volkanik kayaçların çözünmesinden, değişmesinden meydana gelmiştir. Hiçbir zaman saf bir şekilde bulunmayan kilin içersinde alüminyum silikatlarla beraber, demir, magnezyum, kalsiyum, potasyum, sodyum, kuvars gibi mineraller " kil olmayan malzeme" yani safsızlıktan oluştumaktadırlar. Birçok kil mineralleri de aynca organik madde ile suda çözünebilen tuzları da içerebilmektedir. Kil oluşumunda ana kayaç, etkili olduğu kadar, taşıma, yıkama, kimyasal reaksiyonlar da etkili olmaktadır. Killerin değerlendirme imkanlarının araştırılmasında veya kullanım alanlarının spesifikasyonlarına uygun kil üretiminde killerin bu minerolojik ve jeolojik özellikleri ön plana çıkmaktadır. Bu sebeple killerin sahip oldukları her özelliğine göre bir sınıflandırma yapmak gerekmektedir.
2.1.1 Killerin Sınıflandırılması
Kil minerallerini çok büyük ve karmaşık bir mineral dizisine sahip olmalan, içeriklerindeki yabancı maddelerin varlığı, oluşum bölgesi ve özelliklerinin değişik olması gibi
6 etmenlerden dolayı killer birçok farklı şekilde sınıflandırılabilirler. Genelde bu sınıflandırmalar aşağıda verildiği gibidir.
• Minerolojik Özelliklerine Göre Killer • Kaolin Grubu
• Smektit (Montmorillonit) Grubu • Mika Grubu
• Klorit Grubu • İllit Grubu • Attapulgit Grubu
• Yapılarına Gore Killer • Amorf Grup
• Kristal Grup
• Kimyasal İçeriklerine Göre Sınıflandırma • Yüksek alüminyum içerikli
• Boksit içerikli • Silikat içerikli • Demir içerikli • Kalsit içerikli • Karbonat içerikli • Fiziksel Sınıflandırma • Plastik özelliğine göre • Tane boyutuna göre • Refrakter özelliğine göre • Renk özelliğine göre
• Üretildikleri yatak veya bölgeye göre Sınıflandırma
7 2.1.2 Endüstriyel Killerin Kullanım Alanlarına Göre Sınıflandırılması
Çok çeşitli sınıflandırmaya sahip killerin tüketim alanlarının spesifikasyonlanna göre sınıflandırılması ve bu spesifikasyonlara cevap verecek test metotlarının uygulanması gerekir. Killerin çok değişik yapı ve özellik değişimine uygun olarak kullanım amaçlarına uygun test yöntemlerinin uygulanması gerekir.
2.1.2.1 Kaolinler (China Clays)
Çoğunlukla feldspatların bozuşması sonucu meydana gelen kaolinler; değişen oranlarda, feldspat, kuvars, mika, demir ve titan oksitlerle diğer kil minerallerini içerirler. Kaolinler kullanım alanlarına göre sınıflandırılabildikleri gibi alüminli, demirli, silisli kaolin şeklinde mineralojik bileşimine, yağlı, döküm, sert, yumuşak, plastik kaolin, refrakter kaolini şeklinde fiziksel özelliklerine göre de sınıflandırabilirler [24, 25]. Kaolinin kullanım alanlarının sınıflandırması ise en fazla tüketilen ve tüketildiği alanda esas girdi teşkil etmesinden dolayı aşağıdaki gibi sınıflandırmak mümkündür.
-Seramik Alanında Kullanılan Kaolinler -Dolgu Alanında Kullanılan Kaolinler
(Kağıt, Plastik, Tekstil, Boya, Cam)
-Diğer Sanayii Dallarında kullanılan Kaolinler
(Çimento, İlaç, Kozmetik, Deri, Yağ)
Kaolin çeşitli yapı ve spesifıkasyonlarda olmasının en büyük sebebi oluşum aşamasındaki ana kayaçların çeşitliliği ve taşıma yıkanma olaylarındaki değişkenliklerdir. Tüketimde en çok kullanım amacı dolgu, kağıt sanayiinde olmaktadır. Bunu da plastik ve seramik sanayii izlemektedir [26, 27, 28].
2.1.2.2 Bağlama Kili (Ball Clay)
Bu killer kaolinit türü killerin alt grubudur. Oluşum evresindeki farklılıktan bu tür killer meydana gelmişlerdir. Bağlama killeri kaolinlerden daha ince tane yapışma sahiptirler ve daha fazla safsızlık oluşturan madde içermektedir [29, 30]. Özellikle karbonat içerikleri
8 daha fazladır. Bu tür killerin içindeki safsızlık oluşturan maddelerin fazlalığı ve çeşitliliği özellikle ısı ile renk değişimi özelliğini kazandırmaktadır. Su absorbe özellikleri ve plastiktik özellikleri oldukça fazladır. Bu tür killerin kullanım alanlarına göre sınıflandırmaları;
- Seramik sanayinde Kullanılanlar - Diğer Sanayii Dallarında Kullanılanlar (Yapay abrasivler, emaye, asbest üretimi)
Bu tür killerin kullanım spesifikasyonlannı berlirleyen en önemli özellik ise içindeki safzızlık oluşturan maddelerdir.
2.1.2.3 Halloysit Türü Kil Grubu
Halloysit, kaolin türü killerin oluşumunda daha fazla hidrasyona uğramış olan türüdür [31]. Bu kil mineralini kaolinden ayırt etmek oldukça zordur. Bu mineralleri tanımak için ek olarak fiziksel ve kimyasal testler uygulamak gerekir. Halloysitlerin kullanım alanları ise aşağıdaki gibidir.
- Seramik ve Porselen Sanayii - Döküm Sanayii
- Petrol ve Yağ Endüstrisinde Katalizör
2.1.2.4 Şamot Killeri (Ateş Kili - Fire Clay)
Bu killer genellikle kömür yataklarında, kömür tabakaları üstünde bulunurlar. Bu nedenle birçok kömür madeninde kazı esnasında veya dekapaj yapılırken elde edilirler. Bu killer genellikle saf ve temiz olarak yani içindeki safsızlıkları çok az bulunurlar. Bu killer kendi arasında;
- Plastik - Semiflint - Flint
9 - Nodular flint
olarak sınıflandırılır [32]. Bu dört sınıfin kullanım alanına göre sınıflaması ise ;
- Seramik alanında (Fayans, Tuğla, Kanalizasyon Borusu, Çanak Çömlek)
- Diğer Kullanım Alanları (Refrakter Sanayii, Çimento, Sondaj, Kimya, Dolgu) olarak bilinir.
Bu kilin kullanımında esas parametre plastiklik derecesi ve sertliği olmaktadır. Özellikle refrakter alanında özellikle aranan bir hammaddedir. Bu killer az plastikliği ve yüksek alumina içeriği ile diğer killerden ayrılırlar ve özellikle fiziksel özellikleri ön plana çıkarlar [33, 34].
2.1.2.5 Bentonitler
Bütün bentonitler Montmorillonit grubu kil minerallerindendir. Montmorillonit mineralleri üç tabakalı bir yapı gösterirler ve bu da onların karakteristik özelliğidir. Tabakalar arasında su molekülleri ve değişebilen iyonlar yer alır. Mevcut bu tabakalar arasında su ve organik moleküller girerek yapının genleşmesine sebep olurlar. Bu özellik killerin şişmesi olarak tanımlanırlar. Tabakalar arasındaki değişebilen iyonlar ve diğer safsızlık oluşturan maddelerin varlığı kilin değişik karakteristik özelliklerini tayin eder.
Endüstriyel kullanımlar için bentonitin değerlendirilmesinde, kimyasal bileşimden ziyade fiziksel özellikleri ön plandadır. Ticari bentonitler, sülfürik aside karşı gösterdikleri reaksiyona göre dört gruba ayrılırlar.
- Alkali Bentonit Asit ile muamelede özelliklerini kaybetmeyen ve kolayca değiştirilen alkali bazları içeren bentonitler.
- Yarı Alkali Bentonit: Yer değiştirelebilen alkali bazlar içerir, asitle muamele edildiğinde orijinal özelliklerini yitirir.
- Toprak Alkali Bentonit: Yer değiştirebilen toprak alkali baz içerir, alkali tuz muamelesi ile alkali bentonit özelliği kazanabilir.
- Yarı Toprak Alkali Bentonit: Asitlemuamele edildikten sonra alkali bentonit özelliği kazanmayan bentonittir.
10 Bentonitler esas itibarıyla suda şişen Na-Bentonit ve bu özelliği daha az olan Ca-Bentonit olmak üzere iki ana grupta sınıflandırılırlar.
2.1.2.5.1 Şişme Özelliği Olan Bentonitler
Bu grubu bünyelerine yaklaşık olarak 1 ile 15 kat su alabilen bentonitler oluştururlar. Su ile karıştırıldığında kolloidal özellik göstermesi su ve bazı organik sıvı ortamda ortamda hacimce şişmesi, yüksek poroziteye sahip olması, bu killere çok geniş kullanım sağlamaktadır.
2.1.2.5.2 Şişme Özelliği Olmayan Bentonitler
Bu tür bentonitler Ca-bentonit olarak tanımlanırlar. Bu tür bentonitlerde tabakalar arasında değişebilen iyon yüklerine sahip kalsiyum mevcuttur. Fiziksel özelliklen çoğunlukla her iki tip bentonitte de aynıdır. Asit ile muamele edildiklerinde kullanım alanları değişiklik gösterebilmektedir. Örneğin Ca-bentonit asit ile muamelesinden soma petrol yağlarında tasfiye edici olarak kullanıldığı halde Na-bentonitlerde böyle bir özellik yoktur. Genel olarak bentonitlerin kullanıldığı alanlar;
- Yağ Rafine Alanı - Döküm Kumu Alanı - Sondaj Alanı
- Diğer Alanlar (Dolgu, kimya, deterjan, kozmetik, kağıt, seramik, boya) şeklinde saymak mümkündür.
-
2.1.2.6 Yıkama Kili (Fuller's Earth)
Montmorillonit grubu killerdendir. Volkanik kökenli oluşumlardandır. Bentonit özelliklerini taşırlar. Çoğukez bentonit alt grubu olarak tanımlanırlar. En önemli
11 farklılıkları kullanım alanlarıdır. Yağ absorbe özelliği çok yüksek olan killerdir. Bu nedenle;
- Absorbans ve Yağ rafinasyonunda
- İlaç, Sondaj ve dolgu Sanayiinde kullanılırlar.
2.1.2.7 Diğer Killer (Adi killer, Şistler)
Adi killer yüzeyde bulunurlar ve tuğla imalatı ile çimento imalatında kullanılırlar. Şistler ise genellikle yakın jeolojik evrelerde oluşmuşlardır. Bunların en çok kullanıldığı alanlar ise tuğla imalatı ve çimento sanayiidir [35].
2.2 Bentonit
Bentonit, alüminyum ve magnezyumca zengin volkanik kül, tüf ve lavların kimyasal ayrışmasıyla veya bozulmasıyla oluşmuş çok küçük kristallere sahip, ağırlıklı olarak kolloidal silis yapıda kil minerallerinden(baslıca montmorillonit) oluşan, yumuşak, gözenekli ve kolayca şekil verilebilen bir kil türüdür [36].
Endüstri, tarım, madencilik ve mühendislik jeolojisinde kullanılan çok amaçlı bir kildir. Düşük maliyeti ve ülkemizde bol miktarda bulunuşu, bu kile olan talep artışı, bentoniti ilginç kılmaktadır. Ca, Na ve Na-Ca montmorillonitlerden oluşmasına göre bentonitin jeolojik özellikleri değişmektedir. Örnegin Na ve Na-Ca bentonitler sondaj, demir tozu peletlemesi gibi işlerde kullanılırken, Ca bentonitler ağartma vb. işlerde kullanılmaktadır. Bentonitlerin kullanım alanlarında işlev etkinliğinin artırılması yanı sıra yeni ve kaliteli madenlere sahip yatakların aranıp bulunması ülke ekonomisine büyük katkı sağlayacaktır. Bentonit yataklarının ülkemizdeki ve dünyadaki durumunun bilinmesi, geleceğe dönük önerilerde bulunulması ve politika oluşturulması ülke ekonomisini yönlendirme açısından önemli hedeflerden birisidir [37].
Bentonitler su ile temas ettiklerinde az ya da çok şişme özelliği gösterirler. Hem şişme özelliklerine göre hem de değişebilen iyonlara göre bentonitler üç gruba ayrılmaktadır.
12 Bunlar; sodyum bentonit (Na-B), sodyum- kalsiyum bentonit ve kalsiyum bentonit (Ca-B) şeklinde sıralanabilir. Sodyum bentonitler su ile fazla şişerken, sodyum-kalsiyum bentonitler orta derecede şişmekte, kalsiyum bentonitler ise oldukça az şişmektedirler. Na-B ve Ca-Na-B karışımı olan sodyum-kalsiyum bentonitlerine karma veya ara bentonitler de denir. Su ile çok şişen Na-B’lerin süspansiyonları uzun ömürlü olurken, su ile az şişen Ca-B’lerin süspansiyonları kısa ömürlüdür [38].
Doğal bentonit su ile temas ettirildiğinde en az beş katı kadar şişebiliyorsa ticari yönden iyi bentonit olarak kabul edilir. Çok daha iyi bentonitler 10-25 kata kadar şişebilmektedir. Su ile şişme özelliği belli bir sıcaklıktan sonra kaybolan bentonitin kuru haldeki yoğunluğu 2,7-2,8 g/cm3 iken toz haline getirildiğinde, yoğunluğu hızlı bir düşüş göstererek 1,5-1,8 g/cm3 kadar olmaktadır.
Bentonitin mineralleri diferansiyel termik analiz ve X-ışını difraksiyonu yardımıyla belirlenebilirler. Bentonitteki esas kil minerali smektittir. Smektit terimi, bir grup adı olarak kullanılmaktadır. Hem sodyum hem de kalsiyum elementlerini kapsayan montmorillonit, bentonitte görülen smektit grubunun en yaygın olarak bulunan üyesidir. Smektitlerin hidrotermal kararlıkları 50 oC den 850 oC’ye kadar geniş bir sıcaklık aralığında değişir. Smektit hidrasyonunu kontrol eden faktörler; tetrahedral ve oktahedral yerleşim konumları, tabaka yükleri, ara tabaka katyonlarının karakterleri, dioktahedral veya trioktahedral karakter, kristal boyutu, Al ve Si iyonlarının mevcut yapısal birimler üzerindeki yerleşimidir.
2.2.1 Bentonitin Özellikleri
Doğal ve ham şekliyle bentonit, yumuşak, kaolin kıvamında bir kayaçtır. Ele yumuşak, kırılmaya elverişli ve yağlı bir izlenim vermektedir. Taneleri son derece incedir. Partiküllerin incelik ve hassasiyeti, kullanımında ve özellikle kolloidal süspansiyonların meydana gelişinde büyük rol oynamaktadır. Mineral içeriklerine bağlı olarak doğal bentonitlerin renginde demir iyonunun etkisi vardır. Demir iyonunun valans durumu bu renk değişimine neden olur. Ayrıca demirin hidroksitleri de bu açıdan etkilidir. Bentonit yatağında bulunan diğer organik maddeler de renk değişimine neden olurlar. Pirit’ten gelen iki valanslı demir, mavi rengin sebebidir. Montmorillonit üç valanslı demir içeriyorsa sarı
13 ve kahverengi olmaktadır. Eğer demir hem iki hem de üç değerlikli olarak bulunuyorsa, renk daha değişik tonlara dönmektedir. Bentonitin rutubet derecesi de rengi etkilemekte, fazla rutubet rengi koyulaştırmaktadır. Kuru bentonitler daha açık renge sahiptirler [39]. Plastiklik özelliği, kilin su içeriğindeki değişim ile kazandığı bir özeliktir. Kildeki su miktarının azalması kili katılaştırırken, kildeki su miktarının artması ise kile akıcılık özeliği kazandırır. Bentonitler akma noktası, akış tipi, viskozite gibi reolojik özelliğe sahiptir. Bu özellik kilin su içeriği ile değişir. Bentonitlerin birçok kullanımının temelinde, katkı maddelerinin eklenmesi ile viskozite ve tiksotropi (görünür viskozitenin belli bir kayma hızında zamanla değişmesi) özeliklerindeki değişim gelmektedir. Montmorillonit kil minerali diğer kil minerallerine göre daha yüksek yüzey alanına sahiptir (~800 m2/g). Yüzey alanının büyük kısmını mikro ve mezo gözenek duvarları oluşturmaktadır. Bu özelliğinden dolayı adsorplama kapasitesi oldukça yüksektir.
Bentonitleri diğer kil minerallerinden ayıran en önemli özelliklerden biri de şişme özelliğidir. Şişme, bentonitin bünyesine fiziksel suyu alarak kristal yapısının genişlemesi olayıdır. Bentonit yaklaşık olarak kendi kütlesinin beş katı kadar suyu adsorbe edebilir ve bu suyu 100-150 °C gibi düşük sıcaklıklarda kaybeder. Bentonitler, kurutuldugu zaman ilk hacmine geri döner. Bentonitin bünyesindeki fiziksel su, kilin fiziksel ve kimyasal özelligini kontrol eden en önemli faktördür [17, 40].
Şekil 2.1 Kilin Şişmesi
Kil minerallerinin katmanları arasında Na+, K+, Ca+2, Mg+2 gibi anorganik ve organik katyonlarla yer değiştirebilen katyonlar vardır.
14 Şekil 2.2 Kil minerali arasında katyon değişimi
Bu anorganik katyonlara “Değişebilen Katyonlar” denir. Montmorillonit mineralinin ve diğer kil minerallerinin 100 gramında bulunan değişebilir anorganik katyonların mili eşdeğer molar kütle sayısına “Katyon Degisim Kapasitesi” (KDK) denir.
DTA ve X-ışını ile yapılan araştırmalar değişebilir katyonların montmorillonit birimleri arasında yerleştiğini gösterir. Tane iriliğinin azalması (yüzey artışı) ve öğütme (kırılan bağların artışı) katyon değişim kapasitesini yükseltirken sıcaklık artışı bu kapasiteyi ters yönde ve gelişi güzel etkiler. Bentonitte yüksek değerli iyonların bulunması ornatılmalarını güçleştirir. İyonun yük değeri arttıkça ornatma gücü de artmaktadır, ancak H bu kuralın dışında kalmaktadır. H iyonu ornatma olaylarında +2 veya +3 değerlikli katyonlar gibi hareket etmektedir. Araştırmalar, iyon çapı büyüdükçe iyonlar arasında yer değiştirmenin kolaylaştığını göstermektedir.
2.2.2 Bentonitin Kullanım Alanları
Bentonit içerikli kil minerallerinin endüstride kullanım alanları oldukça geniştir. Başlıca tüketim alanları;
Döküm endüstrisi: Bentonitlerin kolloidal özelliği ve yüksek plastisitesi nedeniyle katıldığı kuma bağlayıcı özellik kazandırmasından dolayı en çok kullandığı yerlerden birisidir. Petrol endüstrisi: Bu alanda bentonit başlıca sondaj çamuru, alkilleme ve izomerizasyon gibi reaksiyonlarda katalizör ve ağartıcı absorban olarak kullanılmaktadır.
15 Gıda endüstrisi: Şarap, likör, bira, meyve suları ve sirkeye bulanıklık veren bazı yabancı maddelerin giderilmesinde bentonit kullanılmaktadır. Yağ endüstrisinde kullanılan ağartma toprakları da aktiflestirilmiş bentonitlerdir. Ayrıca şeker kamışı şerbetinin renginin giderilmesinde, saflaştırılmasında ve berraklaştırılmasında kireçle birlikte bentonit de kullanılmaktadır.
Seramik endüstrisi: Bentonit, seramik hamurunun plastisitesini geliştirerek çalışma kolaylığı sağlamaktadır. Seramik çamurunun homojen karışmasını sağlayarak, kuruma çatlamalarını ve seramiğin piştikten sonraki kırılganlığını azaltmaktadır.
Çimento üretimi: Bentonit eklenmesi, çimento ve beton harçlarının homojen olmasını sağlamakta, hava ve su geçirme özelliğini ve donma zamanını azaltarak betonun dayanımını arttırmaktadır.
Boya ve mürekkep üretimi: Bentonitler inert dolgu maddesi olarak hem yağ esaslı hem de su esaslı boyalarda kullanılmaktadır. Bu amaçla bentonitin süspansiyon, koyulaştırıcı ve emülsiyon yapıcı etkisinden yararlanılmaktadır.
Kagıt endüstrisi: Bu alanda dolgu maddesi olarak kaolinit kullanılmakla birlikte kağıt hamuru harcını %1 bentonit katılması, zift, katran, yağlar ve reçinemsi maddelerin bir araya toplanmasını önleyici etki yapmaktadır. Ayrıca eski gazete kağıtlarının mürekkeplerinin giderilmesinde, bentonit absorban olarak kullanılmaktadır.
İlaç ve kozmetik endüstrisi: Morfin, kokain ve nikotin toksitesinde bentonitler antidotal etki (panzehir etkisi) göstermektedir. Radyolojik ölçümler için kullanılan BaSO4 süspansiyonlarını iyileştirmektedir. Ayrıca bentonit, bazı antibiyotiklerin kararlılığının arttırılmasında, saflaştırmada, vitamin derişimlerinin hazırlanmasında, krem ve diş macunu üretiminde kullanılmaktadır.
Temizlik malzemeleri ürünleri: Bentonitler, karbon partiküllerine olan ilgileri, emülsiyon ve dispersiyon yapıcı olmaları ve deterjan etkileri nedeniyle sabunlarda kullanılmaktadır. Yangın söndürücü olarak: Özellikle orman yangınlarında bentonitin su tutma özelliğinden yararlanılmaktadır.
Su arıtımında: Bentonitlerden dispersiyon ve adsorpsiyon özellikleri nedeniyle endüstriyel atık suların arıtımında yararlanılmaktadır.
16 Radyoaktif atıkların arıtımı: Yüksek katyon değişim kapasitesinden dolayı bentonitler 137-Cs ve 90-Sr izotoplarının sulardan uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır [3].
2.2.3 Montmorillonit Kil Minerali
Şekil 2.3 Montmorillonit kil minerali
Damour ve Salvetat 1847 yılında Fransa’nın merkez bölgesinde buldukları minerale montmorillonit (MMT) adını vermişlerdir. Fransız kimyacı Henry Le Chatelier MMT üzerinde çalışmış ve 1887’de MMT’in hidratize alüminyum silikat olduğunu tanımlamıştır. 1933’e kadar MMT’nin yapısı hakkında ayrıntılı bir bilgi yoktur. Daha sonra Almanya’da Hofman, Endell ve Wilm ilk defa MMT’nin şişebilme yeteneğini açıklamışlardır. Bugün MMT vermikulit hariç genişleyen örgü yapısı ile tüm kil mineralleri içerisinde tercih edilen malzemedir [41].
MMT’in genel formülü, (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2(Si4O10)(OH)2.nH2O şeklindedir. Bazı bentonitlerin MMT oranı % 90’a kadar çıkmaktadır. Bir MMT mineral taneciği, suyu giderilmiş halde yaklaşık 20 tane birim ünite içerir. MMT, negatif yüklü silikat tabakaları arasında değiştirilebilir katyonik türleri içeren tabakalı bir yapıya sahiptir. MMT’in negatif yükü, tabakalardaki Si atomunun Al atomuyla ya da Al atomunun Mg atomuyla yer değiştirmesinden kaynaklanmaktadır. Bu negatif yük tabakalar arası bölgede bulunan katyonik türlerle (Ca+2, Na+ gibi) dengelenmektedir [42].
17 Fillosilikat minerallerin smektit grubu killerine dahil olan MMT, 2:1 tabakalı yapıya sahip olup, oktahedral alümina tabakasının iki tetrahedral silika tabakaları arasında sıkışmasıyla meydana gelen katmanlardan oluşmaktadır.
Şekil 2.4 Na-MMT’in 2:1 yapısı
Tabakalarda her bir tetrahedronun dört O atomundan üçü komşu tetrahedral yapılar tarafından paylaşılır. Her bir tetrahedronun dördüncü O atomu alümina oktahedral tabakasının OH grupları ile aynı düzlemdedir. Tetrahedral ve oktahedral tabakalardaki benzer simetri ve aynı boyut O atomlarının bu tabakalar arasında paylaşılmasını olanaklı kılar.
MMT’de bir alümina tabakası O atomlarını iki tetrahedral tabaka ile paylaşır. Böylece bir oktahedral ve iki tetrahedral tabakadan oluşan yapı birim hücre olarak tanımlanır. Bu tabakalar birbirine iyonik bağlarla, her bir birim hücre ise birbirine zayıf van der Waals kuvvetleri ile bağlıdır. MMT’nin kristal örgüsünde en üstteki ve tabandaki tüm pozisyonlar O atomları tarafından işgal edilmesinden dolayı bu tabakalar zayıf moleküller arası kuvvetlerle bir arada tutunurlar. Çok sayıda birim hücrenin bir araya gelmesiyle MMT
18 tanecikleri, bu taneciklerin gelişigüzel bir araya toplanması ile de MMT minerali meydana gelir [43].
2.3 Polimerler
Polimer sözcüğü, eski Yunancada çok anlamına gelen poli ve parça anlamına gelen (mer
olarak kısaltılan) meros kelimelerinden türetilmiştir. Çok sayıda atomun (monomer)
birbirine bağlanarak oluşturdukları çok büyük moleküllere polimer denir. Örnek: Etilen bir monomer polietilen ise bir polimerdir.
Polietilen en çok kullanılan plastiklerin başında gelir.
Çoğu polimerler karbona dayanır ve bu nedenle organik kimyasal madde olarak kabul edilir. Günümüzde ayakkabıların büyük bir kısmı polimer malzemeden yapılmaktadır. Kiminin derisi, kiminin altının yumuşaklığı farklıdır. Derinin kendisi doğal bir polimerdir. Bazılarının yapısında polivinil klorür (PVC) bulunur, bazılarında naylondan yapılmış ürünler kullanılır. Yürüyüş botlarının çoğunun altı poliüretandan yapılmıştır. Pek çok giyim eşyasında yün, pamuk (selüloz) doğal polimerik maddeler veya yapay yollarla elde edilmiş olan polyester, poliakrilonitril gibi (yapay ipek) sentetik polimerik ürünler kullanılmaktadır. Günlük yaşamda etrafta görülen her üç nesneden ikisi plastiktir. Plastik karbonun metal olmayan elementlerle (H, O, Cl, N) meydana getirdiği büyük moleküllü organik bileşiklerdir.
Otomotiv, beyaz eşya, ambalaj sektörleri başta gelmek üzere birçok sektör tarafından tercih edilmektedir. Araç lastikleri, plastik maddeler, ayakkabı, bisiklet, tenis raketi ve topu, PVC, teflon tava v.b. birçok malzeme sentetik polimerden üretilmiştir. Paketlemede çoğu kere polimerik malzeme kullanılmaktadır. Evlerde kullanılan malzemelerin bazıları naylondan, bazıları polipropilenden, polyesterden veya polietilenden yapılmıştır. Fotoğraf filmleri önceleri selüloz nitrattan yapılırken daha sonra kolayca yanan bu ürün yerini
19 selüloz asetata daha sonra o da yerini polyestere bırakmıştır. Bugün fotoğrafçılıkta kullanılan sert ve şeffaf renkli filtreler polikarbonattan yapılmaktadır. Gözlük camlarının yerini daha hafif ve kırma indisi camdan daha fazla olan polikarbonat almaktadır. Kontak lenslerde ise polimetilmetakrilat kullanılmaktadır. Araba farları benzer şekilde akrilatlardan hazırlanmaktadır. PVC borular ziraatta kullanılan sulama sisteminin ve evlerdeki su tesisatının en önemli elemanlarıdır. PVC kapı ve pencereler ucuz ve ısı yalıtımındaki avantajları nedeniyle binalarda kullanılmaktadır. Bazı çatlak ya da deliklerdeki su geçirmezliği sağlamak amacıyla sıkça silikon kullanılmaktadır. Yer döşemesinde kullanılan lekelenmeye dirençli politetrafloroetilen (TEFLON)’dan yapılmış halıların yanısıra mutfakta yanmaz teflon tavalardan yararlanılmaktadır. İnşaat sektöründe kullanılan akrilik lateks boyalar çoğu zaman polimetilmetakrilat bazen de polivinilasetat kopolimeri içermektedir. Günümüzün otomotiv sektöründe önemli miktarda polimer madde kullanılmaktadır. Uçaklarda yakıttan tasarruf edebilmek için metal kullanımı hızla azalmakta ve yerini hafif özellikteki polimerik maddeler almaktadır [44, 45].
2.3.1 Polimerlerin Özellikleri
- Küçük moleküllü maddeler genellikle gaz veya sıvı haldedir, polimerler ise büyük moleküllü oldukları için katı ve genellikle serttir.
- Polimer zincirler kolayca katlanmaya ve esnekliğe meyillidir.
- Küçük moleküllü bileşikler genellikle çözücülerde kolay çözünür, polimerler ise hem zor çözünür, hem de çözünme şekilleri küçük moleküllü bileşiklerden tamamen farklıdır. - Küçük moleküllü bileşiklerin çözeltileri şeffaf olduğu halde, yüksek moleküllü bileşiklerin çözeltilerinde ışığın dağılması gözlenir.
- Küçük moleküllü bileşiklerin çözeltilerinin kristalleşmesi genellikle kolay ve belli bir sıcaklıkta olduğu halde, yüksek moleküllü birleşmeler için kristalleşme olayı çok zor ve geniş bir sıcaklık aralığında olur. Zincirlerin kristal uyumu sert bir polimer yapar.
20 2.3.2 Polimerlerin Sınıflandırılması
Polimerleri daha iyi inceleyebilmek için sınıflandırma gerekir. Amaca uygun sınıflandırma yapılır [45, 46]:
- Molekül ağırlıklarına göre (oligomer, makromolekül) - Doğada bulunup, bulunmamasına göre (doğal, yapay) - Organik ya da anorganik olmalarına göre
- Isıya karşı gösterdikleri davranışa göre
- Zincirin kimyasal ve fiziksel yapısına göre (düz, dallanmış, çapraz bağlı, kristal, amorf polimerler)
- Zincir yapısına göre (homopolimer, kopolimer) - Sentezlenme şekillerine göre (kondenzasyon, katılma)
2.3.2.1 Sentezlenme Şekillerine Göre Polimerler
2.3.2.1.1 Kondenzasyon Polimerleri:
Polimerler bir küçük molekülün (H2O, HCl, CO2) uzaklaştırılmasıyla oluşur. Örnek: Biyolojik Polimerler, Proteinler, DNA, Karbonhidratlar
21 2.3.2.1.2. Katılma Polimerleri :
22 Tablo 2.1 Çeşitli polimer örnekleri
Monomerin Adı Formülü Polimer Formülü Polimerin Yaygın Adı
Eten CH2=CH2 ̶(CH2-CH2)n̶ Polietilen
Vinil Klorür CHCl=CH2 ̶(CHCl-CH2)n̶ Polivinil klorür (PVC) Stiren CH(C6H5)=CH2 ̶(CH(C6H5)-CH2)n̶ Polistiren Akrilonitril CH(CN)=CH2 ̶(CH(CN)-CH2)n̶ Orlon, Akrilan
Propen CH(CH3)=CH2 ̶(CH(CH3)-CH2)n̶ Polipropilen
Tetrafloro eten CF2=CF2 ̶(CF2-CF2)n̶ Teflon
Metil Metakrilat CH3OOC(CH3)C=CH2 Fleksiglas, Lusit
2.3.2.2. Polimerlerin Kimyasal Yapılarına Göre Sınıflandırılması
Polimerin ana zincirini oluşturan atomların türü açısından polimerler organik ve inorganik olarak sınıflandırılır.
2.3.2.2.1 Organik Polimerler :
Yapılarında karbon yanında genelde hidrojen atomu bulunur. Günlük hayatta kullanılan polimerlerin çoğunun ana zincirinin temel bileşeni karbon atomudur. Sentetik ve doğal polimerlerin çok büyük bir kısmı organik polimerlerden oluşmuştur. Polietilen, poliesterler, poliamidler, polipropilen, doğal kauçuk, proteinler, selüloz v.b. gibi polimerleri organik polimerlere örnek oluşturur.
23 2.3.2.2.2 İnorganik Polimerler :
Polimerlerin birçoğunun ana zincirinin temel bileşeni C atomudur. Ancak bazı polimerlerde ana zincirde C atomu yerine Si, P, S gibi başka atomlar bulunabilir. Ana zincirinde C atomu bulunmayan (yan grup olabilir) polimerlere inorganik polimerler denir. İnorganik polimerler yapılarında organik kısım da içerebilir. Barofan ve silikon bu polimer tipine örnektir.
2.3.2.3 Polimerlerin Bileşiklerinin Kaynağına Göre Sınıflandırılması
Bileşiklerin kaynağına göre polimerler sentetik ve doğal olmak üzere sınıflandırılır.
Doğal Yarı Sentetik Sentetik • Kauçuk • Selüloz asetat • Polietilen • Proteinler • Selüloz nitrat • Polisitiren • Selüloz • Polivinilklorür • Politetrafloroetilen
2.3.2.3.1 Doğal Polimerler
Tabiattaki canlı varlıkların bünyelerinde olan polimerlerdir. Örneğin; nişasta, selüloz, doğal kauçuk vb. biyolojik aktifliğe sahip protein gibi polimerlere biyopolimerler denir. Doğal polimerler olmaksızın doğadaki hayatın devamı düşünülemez. Çünkü hayatın kendisini oluşturan temel elemanlar bu moleküllerdir. Kas, yün, saç, tırnak protein yapısındaki doğal polimerlere örnek olarak verilebilir. Canlılarda ayrıca polimerik yapıda olan karbonhidratlar, deoksiribonükleikasit (DNA) , ribonükleikasit (RNA) bulunur. Canlıların hayatsal faaliyetlerinden sorumlu olan bu polimerlere biyopolimerler denir.
24 Selüloz; Bitki ve ağaçların temel yapısını oluşturan selüloz doğada en bol bulunan bir polimerdir. Pamuğun temel bileşeni de selülozdur.
2.3.2.3.2 Yarı Sentetik Polimerler
Doğal polimerlerin yapılarının değiştirilmesiyle elde edilen polimerlere yarı- sentetik polimerler denir. Örneğin selülozun nitrolanmasıyla selüloid elde edilmiştir.
Polimerler; doğal, yarı sentetik ya da sentetik olmasına bakılmaksızın son ürün haline gelirken içlerine çoğu kez boya, dolgu maddeleri, antioksidan v.b. gibi katkı maddeleri karıştırılmaktadır.
2.3.2.3.3 Sentetik Polimerler:
Monomerlerin birleşmesiyle oluşan polimerlerdir. Bunlar, monomerlerden başlayarak endüstride sentez edilen polietilen, polipropilen, poliamidler gibi polimerlerdir.
Bazı uygulamalarla doğal polimerlerin kimyasal yapıları değiştirilerek yeni özelliklere sahip polimerler hazırlanmaktadır. Birçok sentetik polimerin yapımında kaynak olarak petrol kullanılmaktadır. Küçük moleküllerden yola çıkılarak hazırlanan ilk sentetik polimer fenol ve formaldehitten sentezlenen bakalittir. Bakalit ticari bir ürün haline getirilerek vana parçaları, bıçak, alet sapları, düğme gibi kalıplanarak hazırlanan parçaların yapımında kullanılmıştır. Başlıca sentetik polimerler;
Polietilen: Etilen gazının polimerizasyonuyla sentezlenen polietilen en fazla tüketilen ticari polimerdir. Etilen 1000- 3000 atm basınç altında 250 oC ısıtıldığında yapısındaki pi bağları açılarak reaksiyon oluşur. Yoğunluğu fazla olan polietilen boru yapımında, araba yakıt depolarının yapımında kullanılır. Düşük yoğunluklu polietilen yumuşak ve esnektir. Yiyecek paketleri, selofan bant, plastik oyuncak yapımında kullanılır. Polyethylene terephthalate (PET), ya da polyethylene terephthalic ester (PETE), bir kondenzasyon polimerdir ve bir dialkol olan ethylene glycol (HOCH2CH2OH) ile bir diester olan dimethyl terephthalate (CH3O2C–C6H4 –CO2CH3 ) monomerleridir.
25 Polistiren: Kırılgan, sert, şeffaf, pahalı olmayan kokusuz, işlenmesi kolay, ucuz bir polimerdir. Stirenin polimerizasyonu ile elde edilir. Plastik oyuncak yapımında, elektrikli ev aletlerinde, mobilya kaplamacılığında, plastik bardak ve tabaklarda, televizyon, buzdolabı gibi elektrikli aletlerin taşınmasında yararlanılan köpüklerin yapımında kullanılır.
Polivinilklorür (PVC): Etilendeki bir hidrojen atomunun, Cl atomu ile yer değiştirmesiyle vinil klorür oluşur. Vinil klorürün polimerleşmesiyle polivinilklorür meydana gelir. PVC, kimyasal direnci iyi olan bir polimerdir. Asitlerden, bazlardan, yağlardan ve tuz çözeltilerinden etkilenmez. PVC her türlü su borularında, hortumlarda, elektrik kablolarında kullanılır. Ayrıca plastik perde, conta, yapışkan film, top, büro malzemeleri, priz yapımında kullanılır.
Politetrafloroetilen (Teflon): Etilendeki Hidrojen atomlarının tamamının, Flor atomlarıyla yer değiştirmesi sonucu tetrafloroetilen oluşur. Tetrafloraetilen polimerleşerek politetrafloroetileni meydana getirir. Teflonun yapışmama özelliği vardır. Bu özelliğinden yararlanarak tava ve tencereler yapılır. Mekanik dayanımı zayıf, değerli bir polimerdir.
26 2.3.2.4 Yapılarına Göre Polimerler
Polimerler yapılarına göre Homopolimer ve Kopolimer olarak sınıflandırılabilir. Bir polimer tek bir monomer biriminin tekrarlanmasından oluşuyorsa buna “homopolimer” denir.
Örnek: etilenden elde edilen polietilen ve stirenden elde edilen polistren.
Eğer polimer molekülü iki farlı monomerin birleşmesinden oluşuyorsa buna “kopolimer” denir.
Örnek: Polyethylene terephthalate (PET), ya da polyethylene terephthalic ester (PETE),
ethylene glycol (HOCH2CH2OH) ile dimethyl terephthalate (CH3O2C–C6H4 –CO2CH3) monomerlerinden oluşur.
Kopolimer çeşitleri:
1- Rasgele Kopolimerler: Farklı monomerler polimer zincirinde rastgele yer alır. 2- Ardışık Kopolimerler: Farklı monomerler ardışık şekilde sıralanır.
3- Blok Kopolimerler: Farklı monomerler herbiri uzun bloklar halinde yer alır.
4- Greft Kopolimerler: Monomerlerin herbiri uzun zincir halinde ana zincire yan bağlanır (dallanmış kopolimer)
Polimer zincirler ister homopolimer ister kopolimer olsun, üç farklı formda bulunabilir:
27 –Dallanmış
–Çapraz bağlı
Ayrıca polimerler lineer, dallanmış ve ağ olarak da tanımlanabilir. Lineer polimerde hiçbir dallanma yoktur. Greft Kopolimerler dallanmış polimerlerin bir örneğidir. Ağ (Network) polimerler, iki fonksiyonlu monomerler yerine, polifonksiyonlu monomerler kullanıldığında meydana gelirler. Ağ polimerler ayrıca çapraz bağlı polimerleri de kapsarlar. Çünkü çapraz bağlanmayla polimer zincirleri hareketliliklerini kaybederler. Bu nedenle erimeyecekleri ya da akmayacakları için kalıpla da şekillendirilemezler.
2.3.2.5 Polimerlerin Zincir Şekline Göre Sınıflandırılması:
Çok sayıda monomer molekülü yan yana gelerek polimer molekülünü oluştururlar. Monomer molekülleri bir zincirin halkalarına benzetilebilir. Bu halkalar bir araya gelerek bir zincir oluşturur. Bu nedenle polimer molekülü yerine polimer zinciri kavramı kullanılır. Polimer molekülleri için çok büyük olmalarından dolayı makro molekül adlandırılması da yapılmaktadır. Polimer zincirinin şekline göre polimerler, düz zincirli, dallanmış ve çapraz bağlanmış polimer olarak sınıflandırılabilir.
28 Şekil 2.5 Zincir şekillerine göre polimerler
2.3.2.5.1 Düz Zincirli (lineer) Yapıda Polimerler:
Monomerler; düz bir zincir üzerinde sıralanmıştır. Zincirleri oluşturan atomlar kendi aralarında kovalent bağlı, fakat zincirler arasında van der Waals bağları vardır.
Örnek; PE, PVC, Naylon..
Doğrusal olan bu polimerler uygun çözücülerde çözünürler ve eritilerek tekrar tekrar şekillendirilebilirler. Polivinil klorür (PVC) düz zincirli polimerdir ve pencere profili, lambri, boru, ambalaj filmleri, suni deri vb. üretiminde kullanılır.
2.3.2.5.2 Dallı Yapıda Polimerler:
Bazı polimerlerin ana zincirlerine, kendi kimyasal yapısına benzer dal görüntüsünde başka zincirler kovalent bağlarla bağlanmıştır. Bu polimerlere dallanmış zincirli polimerler denir. Bu polimerlerin dallanmış zincirleri polimerizasyon sırasında yan tepkime ya da ikincil
29 tepkimelerin oluşması sonucu meydana gelir. Yan dalların üzerinde başka gruplar da olabilir. Dallanmış ve düz zincirli polimerlerin özellikleri genellikle birbirine yakındır. Viskozitesi farklı olmak koşulu ile aynı çözücülerde çözünebilir. Dallanmış polimerlerin yan dallarından dolayı kristallenme eğilimi azdır. Düz zincir yapıdaki polimere göre zincir dolgusundaki verimlilik veya yapıdaki zincir yoğunluğu azalmıştır.
2.3.2.5.3 Çapraz Bağlı Yapıda Polimerler:
Çapraz bağlı polimerlerin bağlarında birden fazla ana zincir vardır ve bu zincirler birbirleriyle bağlı olduğundan ağ yapıda bir özellik gösterirler. Değişik uzunluktaki zincir parçalarının birbirine kovalent bağlar ile bağlı olduğu için sistem tek bir molekül gibi düşünülebilir. Kauçuk ve lastik bu yapıdadır. Bu polimer türü çözünmez, ancak uygun çözücülerde belli miktarda şişer. Çapraz bağ sayısı arttıkça polimerin çözücüdeki şişme miktarı azalır. Çok çapraz bağa sahip polimerler çözücülerden etkilenmez. Çapraz bağlanmayla polimer zincirleri hareketliliklerini kaybeder. Bu nedenle erimeyecekleri ya da akmayacakları için kalıpla da şekillendirilemezler.
2.3.2.5.4 Network (Ağ) Yapıda Polimerler:
Bu 3D (üç boyutlu) network yapılar, üç fonksiyonlu “MER” lerden oluşmuştur. Bağların Zincirler Arasındaki İlişkisi:
Çapraz bağlanma Polimer zincirleri arasında oluşan bağlar polimeri katılaştırır. Doğal kauçuk (latex) kendisi yumuşaktır ve kimyasal olarak reaktivite onu çok yararlı bir malzeme yapar. Kauçuktan vulkanizasyon ile (kükürtlü zincirler çapraz bağ yaparak) yararlı maddeler yapılır [47].
30 2.4 Kompozitler
Kompozit malzemeler nispeten yeni bir alan olup II. Dünya savaşı esnasında mevcut konvensiyonel malzemeler tek başlarına teknoloji karşısında belli ihtiyaçlara cevap veremez hale gelmesi ile başlamış ve o zamandan beri bu malzemelerin üretimi ve mekanik özellikleri üzerine araştırma ve geliştirme faaliyetleri genişleyerek devam etmektedir. Bu gelişmeler için tahrik edici güç malzemelerde yüksek dayanım/yoğunluk ve yüksek elastik modülü/yoğunluk oranı elde etmek olmuştur. Bu nedenle de spesifik uygulama alanlarında kullanımları hızla artmaktadır. Bu malzemeler belirli uygulama alanları için üstün mekenik ve fiziksel özellikler elde etmek amacıyla belli spesifik konfigürasyonda değişik fazdaki malzemelerin bir araya gelmesi ile oluşan malzemeler olduklarından çok fazlı malzeme olarak da adlandırılmaktadırlar.
Kompozit malzeme, iki yada daha fazla sayıdaki, aynı veya farklı gruptaki malzemelerin en iyi özelliklerini, yeni ve tek bir malzemede toplamak amacıyla, makro-düzeyde birleştirilmesiyle oluşturulan malzemeler olarak adlandırılırlar. Karbon elyaflı plastikler, otomobil lastikleri ve sermetler bunlara örnek olarak verilebilir. Bir kompozit malzeme genelde düşük modül ve dayanıma sahip reçine veya metalik matriks ana fazı ile bunun içinde dağılmış daha az oranda kullanılan tali fazı olan takviye elemanlarından oluşmaktadır. Ancak, molekülsel ve atomsal düzeyde birleştirilen malzemeler alaşımlar mikroskopik olarak homojen olduklarından kompozit olarak sınıflandırılmazlar [35]. Kompozit malzemelerde genelde dört koşul aranmaktadır:
1- İnsan yapısı olması, dolayısıyla doğal bir malzeme olmaması
2- Kimyasal bileşimleri birbirinden farklı ve belirli arayüzlerle ayrılmış en az iki malzemenin bir araya getirilmiş olması,
3- Farklı malzemenin üç boyutlu olarak bir araya getirilmiş olması,
4- Bileşenlerinin hiçbirinin tek başına sahip olmadığı özellikleri taşıması, dolayısıyla bu amaçla üretilmiş olması.
