Preparation and characterization of nanocomposite foams based on polysulfone and graphene nanoparticles
Polisülfon ve grafen nanoplaka içeren nanokompozit köpüklerin üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 467233
- Danışmanlar: PROF. DR. SÜHEYLA AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Son dönemde polimer esaslı köpükler pek çok avantajlı özelliklerinden dolayı geniş bir kullanım alanı bulmuşlardır. Çünkü hafif malzemeler, yüksek mekanik özelliklerinden dolayı pek çok farklı kullanım alanı bulmuşlardır. Bunun nedenlerinin başında; polimer malzemelere düşük miktarda çok fonksiyonlu karbon esaslı nanopartikül (grafen nanoplaka (GnP), karbon nanotüp (CNT), karbon nanofiber (CNF) vb.) katkısı yapılarak, köpük formlarının rahat bir şekilde elde edilmesi gelir. Böylelikle düşük yoğunluklu ve çok fonksiyonlu polimer bazlı nanokompozit köpükler elde edilmiş olur. Polimer nanokompozit köpükler hafif olmaları ve rijit olmalarının yanı sıra aynı zamanda kolay şekillenebilir olmaları, yüksek ses ve titreşim izolasyonunu sağlayabilmelerinden ötürü; çok katlı (sandviç) yapıdaki malzemelerin kullanıldığı otomotiv ve havacılık sektöründe geniş bir talep uyandırmaktadırlar. Polimer esaslı nanokompozit köpüklerin hazırlanmasında çeşitli geleneksel yöntemler (ekstrüzyon, injeksiyon, kalıplama vb.) olduğu gibi; faz ayrışması, katı halde köpüklenme vb. ileri teknolojik yöntemler de son dönemde tercih edilmeye başlanmıştır. Su buharı yardımıyla faz ayrışması yönteminde, öncelikle polimer malzemenin, organik bir solvent sayesinde, cam geçiş sıcaklığının altındaki sıcaklıklarda çözünmesi sağlanır. Daha sonra çeşitli soğutma yöntemleriyle (havada, suda veya her ikiside birlikte olmak üzere) katılaşarak köpük formunun kazanması sağlanır. Daha sonra suda yıkama ve kurutma gibi işlemlerden geçirilerek, elde edilen köpüğün içerisinden solvent arındırılır. Bu yöntemle düşük yoğunluklu, yüksek mukavemetli ve daha pürüzsüz yüzeye sahip köpükler elde edilmesi sağlar. Katı halde köpüklenme yöntemlerinde ise, köpük elde edilecek polimer esaslı malzemeler üretim süreci boyunca katı halde bulunmaktadır. Bir inert gaz yardımıyla (karbondioksit, nitrojen vb.) polimer esaslı katı malzeme reactor yardımıyla yüksek basınç ve yüksek sıcaklıklara çıkartılıp hemen akabinde soğumaya bırakılarak, hacminin arttırılıp, yoğunluğunun düşmesi sağlanarak köpük forma getirilir. Polimer tipine ve kompozit köpük elde edilcekse yapılan katkıya göre basınç ve sıcaklık şartları değişmektedir. Fakat köpük sıcaklığı genel olarak cam geçiş sıcaklığının yakınında ya da hemen altında tercih edilmektedir. Bu çalışmada polisülfon (PSU) esaslı GnP katkılı nanokompozit köpükler; faz ayrıştırması ve katı halde köpüklenme yöntemleriyle elde edilmişlerdir. Ağırlıkça farklı yüzdelerdeki polisülfon matrislerine (%15 ve %25), gene ağırlıkça farklı yüzdelerde GnP katkısı yapılmıştır. Bu katkıların %1, %2, %5, %10 oranları faz ayrışma tekniğiyle, %0,1, %0,4, %0,7, %1, %1,5, %2 oranları ise katı halde köpüklenme yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Faz ayrıştırması yönteminde kullanılacak olan uygun solvent çeşidini belirlemek için ön deneyler yapılmış olup, bu ön deneyler sonucunda NMP kullanılarak elde edilen köpüklerin daha iyi hücre yapısına sahip oldukları gözlemlenmiştir. NMP solvent miktarının %15 ve %25'i hesaplanarak bu miktarlarda PSU, NMP içinde çözündürülmüş ve %1, %2, %5, %10 oranlarında GnP katkısı yapılmıştır. Daha sonra bu solvent ile elde edilen köpüklere termogravimetrik (TGA) analiz uygulanarak, nanokompozit köpüklerden ne kadar solvent arındırıldığı incelenmiş olup, her bir numune ağırlıkça %0,2'nin altında NMP bulundurduğunda diğer karakterizasyon işlemlerine başlanmıştır. Ayrıca yapılan TGA analizi sayesinde, artan sıcaklığa bağlı olarak kütle kaybı hesaplanarak, bozunma hızları belirlenmiştir. Yapılan diğer bir termal analiz yöntemi olan DSC (Diferansiyel Taramalı kalorimetre) ile de GnP katkılandırılmış numununelerin, katkılandırılmamış polisülfon köpüklerine göre cam geçiş sıcaklıkları incelenmiş ve GnP katkısının cam geçiş sıcaklığı üzerinde çok ciddi bir etkisi olmadığı gözlemlenmiştir. Yapılan termomekanik analiz (DMTA) sayesinde, polisülfon matrisli nanokompozit köpüklere yapılan GnP katkısının mekanik özelliklerini özellikle elastik bölgede önemli bir miktarda geliştirdiği gözlenmiştir. Ayrıca SEM ve XRD analizi yapılarak hücre yapısı ile ilgili detaylı bilgiler elde edilmiştir. XRD sonuçlarına göre olası bir GnP pullanması hücre içinde görülmemektedir. Çünkü hekzagonal yapıdaki GnP'nin (002) ve (004) düzlemlerinin sırasıyla 26.5o ve 54.6o'de yaptıkları pikler açık bir şekilde XRD analizi sonuçlarında görülmektedir. GnP'ye ait (004) düzleminin piki özellikle %5 ve %10 oranlarındaki katkılarının gerçekleştiği faz ayrışması yöntemiyle üretilen köpüklerde daha açık bir şekilde görülmektedir. GnP pik yoğunlukları, köpüklerin üretim yöntemlerinin farklılıklarına göre karşılaştırıldığında, süperkritik karbondioksit kullanılarak üretilen köpüklerdeki GnP pik yoğunluğunun, faz ayrışması yöntemiyle üretilenlere göre daha fazla yoğunlukta olduğu görülmüştür. SEM mikrograflarına göre GnP'nin PSU tane sınırlarında çöktüğü ve bu sayede TGA sonuçları da gözönünde bulundurulduğunda GnP katkısının PSU'nun termal iletkenliğini -özellikle 530 oC ve üzerinde- geliştirdiği tespit edilmiştir. SEM analizleri sayesinde iki farklı köpük üretim yönteminin köpüklerin mikroyapısı üzerindeki etkileri gözlemlenmiş olup, süperkritik karbondioksit gazı kullanılarak elde edilen GnP katkılandırılmış PSU bazlı nanokompozit köpüklerin mikroyapısının, faz ayrışması yöntemiyle elde edilen nanokompozit köpüklere göre çok daha homojen olduğu görülmüştür. Ayrıca artan GnP katkısıyla faz ayrışması yöntemiyle üretilen köpüklerden 15PSU-10G, 25PSU-5G ve 25PSU-10G köpüklerinin hücre yapısı; kapalı hücre yapısından açık hücre yapısına dönmüştür. Termal iletkenlik testleri ile de GnP katkısının köpükler üzerinde çok ciddi bir termal iletkenlik artışına yol açtığı belirlenmiştir. Sadece köpüklerde değil disklerde de GnP katkısının termal iletkenliği çok ciddi bir şekilde arttırdığı görülmüştür. Yapılan bütün bu analizler sayesinde numunelerin cam geçiş sıcaklığı, mekanik özellikleri, yoğunlukları, termal iletkenlikleri karşılaştırılarak, havacılık alanında kullanılmak üzere uygun malzemelerin seçimi yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
Polymer foams have drawn attention in recent academic studies because of their many advantages. Polymer foams are used in many different areas such as the aeronautical, electronic, automotive, etc. fields. The most important advantage of polymer foams is that they can be incorporated with very low concentrations of carbon-based nanoparticles such as graphene nanoplatelets (GnP), carbon nanofibers (CNF), carbon nanotubes (CNT), etc. Thus, multifunctional polymer nanocomposite foams with low density could be obtained by using foam production methods. Polymer nanocomposite foams have been commonly used as core materials in sandwich structures for automotive and aeronautical industries due to their advanced properties such as their light weight, designability, and good noise and vibration isolation. Nanocomposite foams are the most preferable type of foams to use in these industries because of their high specific stiffness. Polymer-based nanocomposites are produced by traditional methods such as extrusion, injection and moulding. On the other hand, solid state foaming with using supercritical CO2 (sc-CO2) and water vapor-induced phase separation (WVIPS) techniques are recently used in the production of polymer nanocomposite foams. Low-density and high-strength polymer nanocomposite foams can be generated by using WVIPS and sc-CO2 dissolution physical foaming methods. Therefore, WVIPS and sc-CO2 dissolution physical foaming production methods were preferred to obtain polysulfone (PSU) and GnP based nanocomposite foams. Preliminary experiments were done in order to determine the suitable solvent type for using in WVIPS process. N-methyl pyrrolidone (NMP) and N,N-Dimethylformamide (DMF) were used as solvents in preliminary experiments and NMP was determined to use to produce PSU based nanocomposite foams by WVIPS according to the results of scanning electron microscopy (SEM). 15 wt% and 25 wt% PSU in NMP were filled with 1 wt%, 2 wt%, 5 wt% and 10 wt% GnP by using WVIPS. 0.1 wt%, 0.4 wt%, 0.7 wt%, 1 wt%, 1.5 wt%, 2 wt% of GnP was reinforced in PSU based foams by using sc-CO2 dissolution physical foaming production method. After the production of foams, thermal gravimetric analysis (TGA) was used to measure the amount of solvent in foams. When the solvent amount was below 0.2 wt%, the foams were analyzed by other characterization methods: thermo mechanical analysis (DMTA), thermal analysis by using differential scanning calorimetry (DSC), structural analysis by using X-ray diffraction analysis (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) and thermal conductivity measurements. According to results of DSC, the addition of GnP has no significant effect on glass transition temperature (Tg) of PSU. However, the barrier effect of GnP could be observed especially in 50 wt% weight loss. Furthermore, GnP addition improved the mechanical properties of PSU and GnP based nanocomposite foams. The possibility of exfoliation of GnP could not be observed according to XRD results, proving the good dispersion of GnP in polymer matrix. The addition of filler amount affected the cell structure, which transformed from closed cell to open cell size with increasing GnP amount. Finally, GnP addition sharply affects the thermal conductivity.
Benzer Tezler
- SiO2 içeren nanokompozit hidrojellerin hazırlanması, karakterizasyonu ve çeşitli uygulamalarda kullanılması
Preparation and characterization of SiO2-containing nanocomposite hydrogels and their use in various applications
FATMA ÖZGE GÖKMEN
- Nanokompozit yapılı elektroeğrilmiş nanoliflerin biyosensör hazırlanmasına yönelik uygulamaları
Applications of nanocomposite structured electrospum nanofibers for the preparation of biosensor
SİMGE ER
- Suyun katalitik yükseltgenmesi için demir oksit-mangan oksit nanokompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of iron oxide-manganese oxide nanocomposites for catalytic water oxidation
GÖKHAN ELMACI
- Preparation of ZIF-8/TiO2 nano-composite thin films for solar energy applications
Güneş enerjisi uygulamalarına yönelik ZIF-8/TiO2 nano-kompozit ince filmlerin üretimi
ONUR İLOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mühendislik BilimleriAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSNÜ ARDA YURTSEVER
- Sol–jel yöntemi ile hazırlanan TiO2–SiO2 nanokompozit ince filmlerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of physical and mechanical properties of TiO2–SiO2 nanocomposite thin films prepared by sol-gel method
EZGİ DENİZ BİÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM
UZMAN REFİKA BUDAKOĞLU