Geri Dön

Polymer/glass nanocomposite fiber as an insulating material

Yalıtım malzemesi olarak polimer/cam nanokompozit fiber üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 439713
  2. Yazar: CEMRE İPEK AKKAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya ve Süreç Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 115

Özet

Nanoteknoloji, filtre malzemesi üretiminde, lif ile güçlendirilmiş plastik üretiminde, güneş ve ışık gemilerinde, uzaydaki aynalarda, çiçekler için böcek ilacı uygulamalarında, biomedikal uygulamalarda (doku mühendisliği yapı iskelelerinde, bandajlarda, ilaç salınım sistemlerinde), biyolojik ve kimyasal koruma amaçlı kıyafet üretiminde, lif yüklenmiş katalizör ve kimyasal indikatör uygulamalarında kullanılmaktadır. Nanolifleri kullanmanın başlıca nedeni, çapı nano boyutuna indirerek yüzey/hacim oranını artırmaktır. Bu sayede, ıslanma davranımı ve dayanım gücünün artması gibi daha iyi mekanik özellikler sağlanmaktadır. Yapılarda ve tesisatlarda ısı kayıp ve kazançlarının sınırlandırılması için yapılan işleme“ısı yalıtımı”denir. Teknik olarak, ısı yalıtımı, farklı sıcaklıktaki iki ortam arasında ısı geçisini azaltmak için uygulanır. Her yalıtım malzemesinin kullanım alanı farklıdır. Ayrıca, aynı uygulama için kullanabilecek birden fazla yalıtım malzemesi mevcuttur. Binalarda ısı yalıtımı yapılırken çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Dış cephe ısı yalıtımında genellikle köpük kullanılır. Isı yalıtım malzemelerinin seçiminde dikkat edilmesi gereken özellikler ise; ekonomik açıdan uygun olması, çevreye zarar vermemesi, kolay uygulanabilir olması, asitlere ve asit yağmurlarına karşı dayanıklı olması, böcek ve mikroorganizmaların üremesine uygun olmaması, hafif, yanmaz ve elastik olması, ısı iletkenlik değerinde zamanla değişim olmaması, zaman içinde bozunup çürümemesi, aşınmaması ve paslanma yapmamasıdır. Isı yalıtımının avantajları ise; enerji tüketimini azaltması, çevrenin korunmasına katkı sağlaması, ısıl konfor sağlaması, sağlıklı yaşam sunması ve de ilk yatırım ve işletim maliyetlerini azaltmasıdır. Çeşitli yalıtım malzemeleri vardır; cam yünü, taş yünü, polistren köpük, poliüretan, odun talaşı levhaları, cam köpüğü, fenol köpüğü vb. malzemeler örnek olarak verilebilir. Yalıtım malzemesi olarak nanolif kullanımı orijinal bir fikirdir. Bu sayede, havayı nanolif tabakalarının arasına sıkıştırarak daha iyi yalıtım özellikleri sağlanabilecektir. Bilindiği üzere, cam yünü genellikle yalıtım malzemesi olarak kullanılmaktadır. Ancak, nanolif camlar daha iyi yalıtım özelliğine sahip olmaları nedeniyle, cam yününün yerini alabilecektir. Bu çalışmanın amacı, sol-jel yöntemi ile elektrosipining tekniğini birlikte uygulayarak cam nanolifler üretmektedir. Sol- jel tekniği, hem inorganik hem de organik-inorganik hibrit malzemelerin elde edilmesi amacıyla uygulanmakta olan çok etkili bir yöntemdir. Bu tekniğin temel avantajı, tüm prosesin oldukça kolay ve sorunsuz yürütülebilmesidir. Sol-jel prosesi, katı hal proseslerinden oldukça farklı olup, tepkime sırasında son ürünün moleküler seviyede kontrol edilebilmesine imkan sunmaktadır. Bu sayede sol- jel prosesi, çok yüksek saflık ve homojenlikte, uniform kristal morfolojisinde ve iyi tanımlanmış nanotaneciklerin üretimine imkan vermektedir. Sol-jel kimyası, sentez protokolünün iyi tekrarlanabilirliğini sağlamak için sürekli kontrol edilmesi gereken tepkime değişkenlerinin oldukça fazla olması (metal alkoloksit ön başlatıcılarının hidroliz ve kondenzasyon hızı, pH, sıcaklık, karıştırma yöntemi, oksidasyon hızı, vb.) nedeniyle oldukça karmaşık bir prosestir. Sol-jel yöntemi hem laboratuvar, hem de endüstriyel ölçekte üretime uygun olduğu için, kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Sol-jel yöntemi; ön başlatıcının hidrolizi, sol- jel aktif türlerinin alkol ya da su kondenzasyonu, jelleşme, yaşlanma, kurutma ve yüksek sıcaklık işlemi gibi basamaklardan oluşmaktadır. Elektrospinning yöntemi; üretilen liflerin çaplarının çok küçük olmaları sayesinde filtre üretimi, kompozitleri güçlendirme ve biyomedikal cihazlar gibi geniş uygulama alanlarına uygun olduğu için son yıllarda geniş uygulama alanları bulmaktadır. Avantajları; düşük maliyet, tekrar edilebilirlik ve fiber kalınlığının kontrolünün kolayca sağlanabilmesi olarak açıklanabilir. 5kV-30kV arasındaki elektrik akımı bir polimerin yüzey gerilimini yok etmektedir. Yüzey gerilimine sahip olmayan polimer çözeltisi de, özel tasarlanmış ve çok ince yapıdaki jet ipliğinden geçerek düzenin karşısına yerleştirilmiş olan topraklanmış plakaya yönlenmektedir. Lif ışını şeklinde topraklanmış yüzeyde biriken lifler ise elektrik akımı sayesinde sürekli olarak çekilmektedirler. Elektrospinning yöntemi; polimerlerin önce çok yüksek voltajlı elektrik akımı ile yüklenmeleri, daha sonra da topraklı bir plakaya doğru akmaları esnasında katılaşmaları (çözücünün buharlaşması ile) ve lif halini almaları şeklinde kısaca özetlenebilir. Nanoliflerin homojen ve sürekli olarak üretilebilmeleri için, jetin üstünde Taylor konisinin oluşması gerekmektedir. Bu oluşumu etkileyen birçok değişken bulunmaktadır. Bunlar, çözelti değişkenleri, elektrospinning değişkenleri ve çevre koşullarıdır. Çözelti değişkenleri; viskozite, yüzey gerilimi, iletkenlik, molekül ağırlığı, derişim ve buhar basıncı olarak özetlenebilir. Elektrospinning değişkenleri ise; jet ile toplayıcı arasındaki mesafe, polimerin beslenme hızı ve uygulanan voltajdır. Çevre şartları olarak da nem ve sıcaklık sayılabilir. Deneysel çalışmalarda ilk olarak, sol-jel karışımı (etanol, tetraetiloksisilan (TEOS), kalsiyum nitrat tetrahidrat ve hidroklorik asit) ile polyvinilpiroolidone (PVP)/etanol çözeltisi hazırlanmış ve sonra bu çözeltiler karıştırılmıştır. Elde edilen karışıma, nanakompozit üretebilmek amacıyla, elektrospinning yöntemi uygulanmıştır. Üretilen nanofiberler, polimerden kurtarabilmek ve cam nanofiber yalıtım malzemesi üretebilmek amacıyla 600C'de ısıl işleme tabi tutulmuştur.Elde edilen son ürüne, yalıtım malzemesinin sağlaması gereken özellikleri sağlayıp sağlamadığını kontrol edebilmek için çeşitli karakterizasyon testleri uygulanmıştır. Bunlar, yanmazlık testi, ısıl iletim katsayısı testi ve yoğunluk ölçümleridir. Ayrıca, SEM, FTIR, XRD ve BET analizleri uygulanmıştır. Üretilen ilk numunenin yanmazlık testi kalorimetre bombası kullanılarak uygulanmış olup, ISO 1716 standartlarına göre 1. sınıf yalıtım malzemesi olduğu kanıtlanmıştır. Ayrıca, CE standartlarına göre bir malzemenin yalıtım malzemesi olabilmesi için ısıl iletim katsayısının 0.065 W/mK'den küçük olması gerekmektedir. Bu test, Armfield HT10XC Isı Transferi Ölçüm Cihazı kullanılarak uygulanmış olup, ısı iletim katsayısı 0.049 W/mK olarak ölçülmüştür. Yoğunluk ölçümü ise Micrometrics piknometre sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak numunenin yoğunluğu 2419 kg/m3 olarak saptanmış olup, bu değer cam yü-nüninkinden yaklaşık 20 kat daha büyüktür. XRD analizi sonucunda, hem ısıl işlem öncesi hem de sonrasında amorf yapının oluştuğu gözlemlenmiştir. FTIR analizinin sonucuna göre ise, beklenildiği üzere, ısıl işlem sonrası polimere ait olan tüm piklerin kaybolduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, BET analizinin sonucuna göre, üretilen nanolif camın yüzey alanının cam yününinkinden 140 kat daha fazla olduğu saptanmıştır. SEM analizinde ise, nanoliflerin çaplarının 37 ile 87 nm arasında değiştiği gözlemlenmiştir. Ancak, üretilen ilk numunenin mekanik dayanımı oldukça düşük olup, kolayca kırılmaktadır. Bu amaçla ikinci olarak geliştirilen numunenin bileşimi S-CAM içeriği temel alınarak saptanmıştır. S-CAM, yüksek dayanımı olan ve kompozit malzemelerde yapıyı güçlendirmek için kullanılan bir bileşimdir. Geliştirilen ikinci numune aynı yöntemlerle üretilmiş olup, aynı karakterizasyon testleri uygulanmıştır. Analizlerin sonuçları aynı doğrultuda olup, üretilen ikinci numunenin, ilk üretilmiş olan numuneden daha dayanıklı olduğu saptanmıştır. Sonuç olarak, her iki numune de, birinci sınıf yanmazlık özelliği bulunan, geniş yüzey alanlı, yüksek yoğunluğa sahip, düşük ısı iletim katsayısı olan, cam nanofiberler özelliğine sahiptir. Üretilen nanoliflerin sahip oldukları bu özellikler nedeniyle, endüstriyel uygulamalarda kullanılabilecek uygun yalıtım malzemeleri oldukları sonucuna varılmıştır. Bilindiği kadarıyla, bu çalışma, polimer/cam nanokampozit liflerin yalıtım malzemesi olarak üretildiği ilk çalışmadır.

Özet (Çeviri)

Nanotechnology is an area which is utilized in lots of applications such as filter media, fiber-reinforced plastics, solar and light sails and mirrors in space, application of pesticides to plants, biomedical applications (tissue engineering scaffolds, bandages, drug release systems), protective clothing aimed for biological and chemical protection and fibers loaded with catalysts and chemical indicator. The main idea of using nanofibers is increasing the surface to volume ratio by reducing the diameter into nanometer range. This supplies better mechanical properties such as wetting behavior and strength of fibers. Using nanofibers in insulation material is a unique idea. It provides better insulating facilities with compressing the air between the layers of nanofibers. It is known that glass wool is generally used to produce insulation materials. However, nanofiber glasses can be used for insulation purposes to obtain better insulation materials then glass wool. In this study, glass nanofibers were produced with sol-gel method by using electrospinning technique. Firstly, sol-gel mixture (ethanol, tetraethoxysilane (TEOS), calcium nitrate tetrahydrate and hydrochloric acid) and polyvinylpyrrolidone (PVP)/ethanol solution (as polymer) were prepared, then they mixed together. The obtained mixture was then used to produce nanocomposite material by electrospinning method. After the heat treatment process, produced nanocomposite fibers showed specific insulating material characteristics such as nonflammability and low thermal conduction coefficient. SEM, FTIR, XRD, and BET analyses were also conducted to the produced composite materials. A second sample was improved for the durability by varying the composition of the sol. It was concluded that the nanocomposite fiber may be a possible candidate for industrial applications as an insulating material.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    694061

    Development of ensete fiber based composites and their characterization

    Ensete lifi bazlı kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

    TOLERA ADERIE NEGAWO

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KILIÇ

  2. Tez No

    507231

    Poliakrilamid biyokompozit sentezi

    Synthesis of polyamylamide biocomposite

    GÜLŞAH CEVAHİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OYA ATICI

  3. Tez No

    383300

    Contribution of boron compounds and nanoclays on the flame retardancy of aluminium diethylphosphinate in neat and fiber reinforced polyamide-6

    Alüminyum dietilfosfinatın saf ve elyaf takviyeli poliamid-6'daki alevlenme dayanımına bor bileşikleri ve nanokilin katkıları

    OSMAN POLAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEVDET KAYNAK

  4. Tez No

    405078

    Farklı kil minerallerinin nanokompozitlere etkisi ve vermiküler/polimer nanokompozitlerinin özellikleri

    The effect of the different types of clay minerals on nanocomposites and the properties of vermiculite/polymer nanocomposites

    YAVUZ İŞÇİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİM İŞÇİ TURUTOĞLU

  5. Tez No

    737909

    Induced crystalline fiber-like structure as reinforcement in PLA products through applied shear in injection molding

    Enjeksiyon kalıplama işleminde uygulanan kesme yoluyla PLA ürünlerinde takviye olarak indüklenmiş kristal lif benzeri yapı

    KERİM ERASLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MOHAMMADREZA NOFAR

Geri Dön