PREPARATION AND STUDYING THE MECHANICAL PROPERTIES OF POLYMER-BASED NANO AND MICRO-COMPOSITES TO ACHIEVE HIGH PERFORMANCE EFFICIENCY

Abstract

ABSTRACT

Polymer nanocomposites have emerged as a promising area of research, particularly for biomedical applications. This master's thesis focuses on exploring the potential of silicone rubber (SR) nanocomposites containing nano-zinc oxide (nano-ZnO) to improve mechanical properties and develop a suitable mixture for biomedical applications. Silicone rubber was chosen as the base material due to its flexibility and durability, while the addition of nano-ZnO was intended to improve crosslinking and mechanical performance. The addition of ZnO nanoparticles resulted in significant changes in the X-ray diffraction (XRD) patterns of the amorphous polymer, indicating increased crystallinity. However, the FTIR results showed no significant changes in the chemical structure of the silicone rubber, suggesting that the interactions between the nanoparticles and the polymer matrix are mainly physical in nature. Morphological analysis revealed that the addition of 0.5 to 2 wt% N-ZnO improved homogeneity, reduced roughness, and improved mechanical properties. The addition of ZnO nanoparticles to the silicone rubber matrix effectively increased the density of the composite samples, although the influence on water absorption was less significant. Incorporating N-ZnO nanoparticles into the silicone rubber matrix can effectively improve the tensile strength, elongation at break, compressive strength and tear strength of the composites up to a certain concentration (1.5 wt% in this case). However, further increasing the nanoparticle loading resulted in agglomeration, which had a negative impact on the mechanical properties. The addition of N-ZnO nanoparticles also significantly improved the hardness of the composites, which is attributed to the strengthening mechanisms provided by the nanoparticles. The water absorption of the material was found to be controllable by adjusting the isocyanate to water ratio, with higher water contact and isocyanate ratio resulting in increased water absorption due to the foaming effect. In contrast, the incorporation of polyurethane (PU) into the silicone rubber-based interpolymer had a negative effect on tensile strength, elongation, tear strength, impact strength, and compressive strength, likely due to the formation of a more porous and less cohesive structure. as well as potential compatibility issues. However, the addition of PU led to a significant increase in the hardness and stiffness of the material. Importantly, the addition of NanoZnO to the silicone rubber significantly improved the antibacterial properties of the composite, with the most effective composition being the PU sample SR+1.5ZnO+30, which exhibited the strongest inhibition against both gram-positive and gram-negative bacteria. These results suggest the potential of the developed nanocomposite blend polymer for biomedical applications, where the combination of improved mechanical properties and enhanced antibacterial activity can be of great benefit.

ÖZET

Polimer nanokompozitler, özellikle biyomedikal uygulamalar için umut verici bir araştırma alanı olarak ortaya çıkmıştır. Bu yüksek lisans tezi, mekanik özellikleri iyileştirmek ve biyomedikal uygulamalar için uygun bir karışım geliştirmek amacıyla nano-çinko oksit (nano-ZnO) içeren silikon kauçuğu (SR) nanokompozitlerinin potansiyelini araştırmaya odaklanmaktadır. Silikon kauçuğu esnekliği ve dayanıklılığı nedeniyle temel malzeme olarak seçilmiş, nano-ZnO eklenmesi ise çapraz bağlanmayı ve mekanik performansı iyileştirmeyi amaçlamıştır. ZnO nanoparçacıklarının eklenmesi, amorf polimerin X-ışını kırınım (XRD) desenlerinde belirgin değişikliklere yol açarak kristalleşmenin arttığını göstermiştir. Ancak FTIR sonuçları, silikon kauçuğun kimyasal yapısında önemli değişiklikler olmadığını, nanoparçacıklar ve polimer matrisi arasındaki etkileşimlerin esas olarak fiziksel olduğunu göstermiştir. Morfolojik analiz, %0,5 ila %2 N-ZnO eklenmesinin homojenliği artırdığını, pürüzlülüğü azalttığını ve mekanik özellikleri iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Silikon kauçuk matrisine ZnO nanoparçacıklarının eklenmesi, kompozit örneklerin yoğunluğunu etkili bir şekilde artırmış, ancak su emilimi üzerindeki etkisi daha az belirgin olmuştur. N-ZnO nanoparçacıklarının silikon kauçuk matrisine dahil edilmesi, belirli bir konsantrasyona kadar (%1,5 ağırlık yüzdesi) kompozitlerin çekme dayanımını, kopma uzamasını, basma dayanımını ve yırtılma dayanımını etkili bir şekilde artırabilmektedir. Ancak nanoparçacık yükünün daha da artırılması, aglomerasyon oluşumuna ve mekanik özelliklerin olumsuz etkilenmesine neden olmuştur. N-ZnO nanoparçacıklarının eklenmesi ayrıca kompozitlerin sertliğini önemli ölçüde iyileştirmiş, bu da nanoparçacıkların sağladığı güçlendirme mekanizmalarına atfedilmiştir. Malzemenin su emilimi, izosiyonat-su oranının ayarlanmasıyla kontrol edilebilir hale getirilmiş, daha yüksek su teması ve izosiyonat oranı, köpürme etkisine bağlı olarak artan su emilimi ile sonuçlanmıştır. Buna karşın, silikon kauçuk esaslı karışıma poliüretan (PU) eklenmesi, daha gözenekli ve daha az yapışkan bir yapının oluşumu ile uyumluluk sorunları nedeniyle, çekme dayanımı, uzama, yırtılma dayanımı, darbe dayanımı ve basma dayanımı gibi mekanik özellikleri olumsuz etkilemiştir. Bununla birlikte, PU eklenmesi malzemenin sertliğini ve rijitliğini önemli ölçüde artırmıştır. Önemli bir husus, nano-ZnO eklenmesinin silikon kauçuğa antibakteriyel özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmiş olmasıdır. En etkili bileşim olan SR+1,5ZnO+%30 PU, hem gram-pozitif hem de gram-negatif bakterilere karşı en güçlü inhibisyon etkisini göstermiştir. Bu bulgular, geliştirilen nanokompozit karışım polimerinin, geliştirilmiş mekanik özellikler ve iyileştirilmiş antibakteriyel aktivite kombinasyonunun büyük fayda sağlayabileceği biyomedikal uygulamalar için potansiyel taşıdığını göstermektedir.