Synthesis and chracterization of polyimide derivative adhesives

Abstract

While the rapid advancement of technology is pushing the limits, today need for special advanced materials has been increased in order to obtain high-tech products with desired performance. Lightweight materials that can operate at high temperatures have critical importance in aerospace field. Between those materials, polyimides come front with their unique mechanical properties and high thermo-oxidative stabilities. They are commonly used in defense and aerospace industries as adhesives, coatings and resins in composites operating at high temperatures. PMR-15 (Polymerization of Monomeric Reactants) is considered as a state-ofthe-art high temperature resistant structural adhesive, due to its low cost, exceptional thermo-mechanical strength and thermo-oxidative resistance, up to 300 °C. However, PMR-15 has both limited processing and flexibility properties. LARC-RP46 (Langley Research Center) was developed as an alternative to PMR-15 resin. It has a higher melt flow rate to some extent. In this thesis, MDA-BTDA-ODA copolyimide adhesives with nadic end caps were synthesized. The chemical structures of the synthesized resins were verified by FTIR and 1H NMR analysis. The copolymers have thermal stabilities as high as 500 °C and Tg at around 400 °C. They showed superior adhesion performance up to 16.3 MPa. Compared to both commercial PMR-15 and LARC RP-46 polyimides, copolyimide resins showed significant processability. Kinetics of curing process of the resins was investigated by using the autocatalytic kinetic model of Kamal – Sourour. The experimental data are well-fitted with the model. The activation energies were calculated by kinetic constants derived from the model.

Teknolojinin hızla ilerlemesi ile birlikte limitlerin daha da zorlandığı günümüzde, ulaşılan teknolojik ürünlerin istenen performansı sağlamasına yönelik özel ileri malzemelere duyulan gereksinimler giderek artmaktadır. Yüksek sıcaklıkta çalışabilen hafif malzemeler uzay ve havacılık alanında kritik öneme sahiptirler. Bu malzemeler arasından poliimidler sahip oldukları üstün mekanik özellikleri, yüksek ısıl oksidasyon dayanımları ile birlikte öne çıkmaktadırlar. Poliimid malzemeler savunma, uzay ve havacılık endüstrilerinde yüksek sıcaklıkta çalışan yapıştırıcılar, kaplamalar ve kompozitlerde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. PMR-15, düşük maliyeti, 300 °C’lere kadar gösterdiği mükemmel termo-mekanik mukavemeti ve termo-oksidatif direnci nedeniyle yüksek sıcaklığa dayanıklı son teknolojik yapısal yapıştırıcı olarak kabul edilmektedir. Fakat, PMR-15 sınırlı işleme ve esneklik özelliği göstermektedir. PMR-15 reçinesine alternatif olarak LARC-RP46 geliştirilmiştir. Bu malzeme de belirli ölçüde erime akış hızına sahiptir. Bu tez çalışmasında nadik sonlu MDA-BTDA-ODA kopoliimid yapıştırıcılar sentezlenmiştir. Sentezlenen reçinelerin kimyasal yapıları FTIR ve 1H NMR analizleri ile teyit edilmiştir. Bu kopolimerler 500 °C’lere kadar ısıl dayanım göstermekle Tg değerleri birlikte 400 °C’lerdedir. 16.3 MPa değerine kadar üstün yapışma performansı göstermişlerdir. Ticari PMR-15 ve LARC RP-46 poliimidlere kıyasla, kopoliimidler önemli işlenme özelliği göstermişlerdir. Kamal-Sorour’un otokatalitik kinetik modeli kullanılarak reçinelerin kürleşme kinetikleri incelenmiştir. Deneysel veriler modelle mükemmel örtüşme göstermiştir. Modelden çıkarılan kinetik sabit değerleri kullanılarak aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır.