Film formation, morphological, optical and electrical percolation behaviors of PS/MWCNT and PS/GO nanocomposite films
PS/MWCNT and PS/GO nanokompozit filmlerinin film oluşum, morfolojik, optiksel ve elektriksel perkolasyon davranışları
- Tez No: 472844
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ŞAZİYE UĞUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Son yıllarda özellikle endüstride boya, mürekkep, su bazlı yapıştırıcı ve tekstil malzemesi olarak kullanılan polimer lateksler farklı mühendislik alanlarında da büyük avantajlar sağlamaktadır. Lateksler su, oksijen ve korozyona neden olabilecek pek çok organik çözücü ortamında dayanıklılığı yüksek olan ancak filmleşme sonrası mekanik dayanımı konvansiyonel polimerlere göre daha düşük olan malzemelerdir. Film oluşturma süreçleri pratik ve kolay olduğu için aynı zamanda kaplama malzemesi olarak kullanılmaktadırlar. Camsı geçiş sıcaklıklarının derecesine bağlı olarak yumuşak veya sert lateksler olarak sınıflandırılırlar. Camsı geçiş sıcaklığı, oda sıcaklığının altında olan lateksler kolaylıkla filmleşebiliyorsa, bu tür latekslere yumuşak lateksler denir. Eğer lateksler bu değerin çok üstünde bir sıcaklık değerinde filmleşme özelliği gösteriyorsa, bu tür lateksler sert lateksler olarak adlandırılırlar. Film oluşum süreçleri ve filmleşmenin takibi kaplamanın kalitesini belirleme ve karakterizasyonu açısından oldukça önemlidir. Polimer latekslerde filmleşme süreçleri kısaca 4 temel aşamayla özetlenebilir. Lateks ile kaplanan yüzey sıcaklık verildiğinde içindeki su buharlaşarak kolloid yapılı moleküller bir araya toplanır. Artan sıcaklıkla birlikte parçacık deformasyonu başlayarak birbirine yanaşan moleküller arası boşluklar kapanarak bal peteği formunu alır. Daha yüksek sıcaklık değerlerinde ise moleküller arası kaynaşma ve inter-difüzyon mekanizmaları başlayarak homojen film yapılarının ortaya çıkması sağlanarak filmleşme süreci tamamlanır. Filmleşme sonucu ortaya çıkan filmin transparanlığı (optiksel geçirgenlik değeri) mühendislikte uygulanabilirliği açısından büyük önem taşır. Ancak, elde edilen filmlerin tek başına yüksek optiksel geçirgenlik değerlerine sahip olmaları her zaman katkı sağlamaz. Polimerlerin daha fonksiyonel bir biçimde kullanılabilmesi açısından polimer çözeltilerinin içine karıştırılan katkı fazları, ortaya çıkan ürünün pek çok üstün özellik kazanmasını sağlar. Polimer matrislerin içerisine uygun kompozisyonda katılan katkı malzemeleri boyutlarına bağlı olarak kompozit veya nanokompozit yapıların ortaya çıkmasına neden olur. Bu sayede polimerler tek başına sahip olamadıkları özelliklere sahip daha güçlü yapılara dönüşmektedir. Özellikle son yıllarda, karbon bazlı katkı malzemeleri kompozitlerin mekaniksel dayanımını, termal ve elektriksel iletkenlik özelliklerini artırmak amacıyla sıklıkla kullanılmaktadırlar. Bu katkı malzemelerinin polimer matrisler içerisindeki homojen dağılımları pek çok basit kimyasal, fiziksel yöntemle veya uyumlaştırıcıların yardımıyla mümkündür. Bu sayede katkılama fazının dispersiyon kalitesine bağlı olarak ortaya çıkan kompozit malzemelerin özellikleri yükseltilebilir. Yüksek sıcaklık değerlerinde optiksel geçirgenlik değerleri yüksek olan polimerler göz önüne alındığında, hem transparanlık hem de elektriksel iletkenlik değerleri yüksek yapılar elde edilebilmektedir. Polistiren (PS) gibi sert latekslerden elde edilen filmler yüksek sıcaklıklarda transparanlaşarak optiksel geçirgenlik değerleri %90'a kadar ulaşabilmektedir. Özellikle son yıllarda, elektriksel iletkenlik özellikleri açısından yaygınca kullanılan çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) ve grafen oksit (GO) gibi malzemeler, yüksek sıcaklık değerlerinde transparan hale dönüşen polimer latekslerin ortamında fonksiyonel kompozit yapıların ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Bu nedenle polistiren lateks matrislerinden oluşan karbon nanotüp ve grafen oksit katkılı kompozitlerin kullanılması optoelektronik uygulamalarında büyük potansiyele sahiptir. Bu tez çalışmasında, çeşitli konsantrasyon değerlerinde (kütle fraksiyonlarında) hazırlanmış olan çok duvarlı karbon nanotüp ve grafen oksit çözeltileri polistiren lateks matrisi içinde katkılama fazı olarak kullanılmış olup, bu malzemelerden elde edilmiş olan PS/MWCNT ve PS/GO nanokompozit filmleri üzerinde film oluşum süreçleri, morfolojik özellikler, optiksel ve elektriksel perkolasyon davranışlar araştırılmıştır. Bu amaca yönelik olarak öncelikle farklı büyüklük değerlerine sahip olan polistiren latekslerin parçacık boyutunun, çok duvarlı karbon nanotüp katkılı nanokompozit filmler üzerindeki davranışları foton geçirgenlik testi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve elektriksel iletkenlik ölçümleri referans alınarak çalışılmıştır. Tez çalışmasının ilk aşaması olarak, 382 nm, 480 nm ve son olarak 560 nm büyüklük değerlerine sahip polistiren latex parçacıklar farklı oranlarda uyumlaştırıcı kullanılarak emülsiyon polimerizasyon tekniği ile sentezlenmiştir. %0 ve %20 değer aralığında pek çok farklı kütle fraksiyonunda hazırlanan sulu çok duvarlı karbon nanotüp çözeltileri, farklı boyutlarda sentezlenmiş olan polistiren latekslerle karıştırılarak hazırlanmıştır. Polistiren lateks ve çok duvarlı karbon nanotüp çözeltilerinden oluşan PS/MWCNT nanokompozit filmleri damlatma yöntemi kullanılarak ısıtma fırını içerisinde 45 C'de cam substratların üzerine eşit şekilde damlatılarak kaplanmıştır. Bu sıcaklık değerinde kurutulan her bir film örneği 100 C'den 250 C'ye farklı sıcaklık aralıklarında 10'ar dakika tavlanmıştır. Film oluşum süreçlerini gözlemlemek amacıyla, hazırlanan tüm numunelere foton geçirgenlik testi uygulanarak optiksel geçirgenlik değerleri her farklı sıcaklık değerinde ölçülmüştür. Ölçüm sırasında, bu malzemelerden oluşan nanokompozit filmler için UV spektrometrenin dalga boyu değeri 500 nm olarak belirlenmiştir. Çünkü 500 nm'de polistiren ve çok duvarlı karbon nanotüpler için spesifik bir absorpsiyon değeri yoktur. Deney sonuçlarına göre, 382 nm polistiren lateks parçacıklarından oluşan nanokompozit filmler film oluşum sürecini %0 ve %7.5 aralığındaki çok duvarlı karbon nanotüp varlığında tamamlarken, 480 nm ve 560 nm lateks parçacıklarından oluşan numuneler bu süreci yalnızca %0 ve %5 aralığındaki çok duvarlı karbon nanotüp ortamında tamamlamaktadır. Film oluşum süreçleri, belirtilen bu konsantrasyon değerlerinin üzerinde gerçekleşmeye devam etmesine karşın, kullanılan katkı fazının yoğunluğu nedeniyle transparanlığı neredeyse %0'a düşürmüştür. Boşlukların kapanması, kaynaşma ve kolloidal lateks parçacıklarının içinde yer alan polimer zincirlerinin inter-difüzyonu sonucu hesaplanmış olan viskoz akış aktivasyon enerjisi ve birbiriyle kaynaşan polimerlerin belkemiği (backbone) hareket aktivasyon enerjisi kullanılan çok duvarlı karbon nanotüplerin kütle fraksiyonuna bağlı olarak çok büyük bir artış göstermemektedir. Bu durum, kullanılan güçlendirme faz miktarının filmleşme sürecini çok fazla etkilemediğini göstermektedir. Bunun yanı sıra, 250 C'de tavlanmış olan her bir nanokompozit numunenin yüzey iletkenlik değerleri ölçülmüş olup, kritik konsantrasyon değeri (perkolasyon eşik değeri) üzerinde elektriksel iletkenlik değerlerinin hızla büyük oranda arttığı gözlemlenmiştir. Deney sonucu olarak, farklı boyutlarda polistiren latekslerden oluşan nanokompozit film setleri aynı tip perkolasyon davranışı göstermiş olup, çok duvarlı karbon nanotüp için perkolasyon eşiği %1.5 konsantrasyon değeri olarak belirlenmiştir. Perkolasyon eşiğinin polistiren parçacık boyutundan etkilenmediği açıkça anlaşılmıştır. Ancak, elektriksel iletkenlik değerleri polistiren latekslerin parçacık boyutunun artmasıyla birlikte artış göstermiştir. Perkolasyon hesabına bağlı olarak bulunan ve boyutu temsil eden kritik üsler, parçacık boyutunun artması ile birlikte 2.64'ten 1.19'a kadar düşmüştür. 480 nm ve 560 nm boyutlarındaki polistiren latekslerden oluşan nanokompozit filmler sırasıyla 2.40 ve 1.19 kritk üs değerlerine sahip olup bu değerler, fiziksel anlamda nanokompozit yapıda 3 boyutlu çok duvarlı karbon nanotüplerin oluşturduğu ağ yapısına karşılık gelmektedir. Daha büyük boyutlardaki polistiren latekslerin, çok duvarlı karbon nanotüplerin varlığında daha iyi dağılım gösterdiği ve daha yüksek elektriksel iletkenlik değerlerine sahip olduğu deneysel olarak gözlemlenmiştir. Kompozit yapının içine katılan çok duvarlı karbon nanotüplerin miktarına bağlı olarak, perkolasyon teorisi saçılan ışık şiddetine uyarlanarak optiksel perkolasyonlar hesaplanmıştır. Elektriksel perkolasyonda olduğu gibi, optiksel perkolasyon hesabında da optiksel perkolasyon eşiği %1.5 olarak hesaplanmıştır. Bulunan kritik üsler neredeyse birbirine çok yakın olup, kullanılan katkı fazından etkilenmediği ortaya çıkmıştır. Hazırlanan filmlerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri, deneysel sonuçları doğrulayacak nitelikte olup, lateks parçacık boyutunun artmasının çok duvarlı karbon nanotüpler için daha iyi dağılım ortamı yarattığını açıkça göstermektedir. Karbon nanotüp miktarının artışına bağlı olarak, optiksel geçirgenlik değerinde deneysel olarak gözlemlenen düşüş, SEM fotoğraflarında gözlenen karbon nanotüp topaklanmalarıyla da doğrulanmıştır. Tezin ikinci aşaması olarak, grafen oksit (GO) moleküllerinin polistiren lateks çözeltisi içerisinde kullanılarak film oluşum süreçlerine ve elektriksel özelliklerine nasıl etki ettiği araştırılmıştır. Bu çalışmada, 540 nm boyutlarında kolloidal polistiren lateks parçacıkları kullanılmış olup, farklı konsantrasyonlarda grafen oksit çözeltisi polistiren latekslerle karıştırılmıştır. Film oluşum süreçleri ve elektriksel özellikleri foton geçirgenlik testi taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ve iletkenlik ölçüm sonuçları ile takip edilmiştir. İlk olarak grafen oksit belli miktarda saf su kullanılarak seyreltilmiş olup, %0 ve %100 değer aralığında 8 farklı konsantrasyon değeri belirlenerek polistiren çözeltileri ile karıştırılmıştır. Ultrasonikasyon yöntemi uygulanarak grafen oksitlerin lateksler içerisinde dispersiyonu sağlanmıştır. Foton geçirgenlik testinde 550 nm dalga boyu uygulanmış olup, bu değerde grafen oksit'in spesifik bir absorbsiyonu bulunmamaktadır. Deneysel olarak farklı konsantrasyon değerlerinde katılan grafen oksitlerin PS/GO nanokompozitlerinin filmleşme sürecini gözle görülür bir şekilde etkilemediği anlaşılmıştır. Filmleşme süreçleri, hesaplanan viskoz akış aktivasyon enerjisi ve belkemiği hareketi aktivasyon enerji değerleri, kullanılan katkılama fazından neredeyse tamamen bağımsız olup, elektriksel iletkenlik değerlerinin düşmesine neden olmuştur. Tavlanan filmlerin optiksel geçirgenlik değerleri (transparanlığı) neredeyse %90'ın üzerinde olmasına rağmen, elektriksel iletkenlik değerleri 10-13 ve 10-14 S aralığında değişmektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis work, multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphene oxide (GO) with various mass fractions were used as nanofillers within polystyrene (PS) latex matrices to investigate their effects on film formation, morphological, optical and electrical percolation behaviors of PS/MWCNT and PS/GO nanocomposites. For this purpose, first of all, polystyrene (PS) latexes with different particle sizes were used to investigate the effect of particle size on the film formation, morphological and electrical properties of nanocomposite films impregnated with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) by using the photon transmission (UVV) technique and electrical conductivity measurements. Three kinds of PS particles which have diameters of 382 nm, 480 nm and 560 nm respectively, were synthesized via emulsion polymerization technique. Three different sets of nanocomposite mixtures, each containing different amounts of MWCNT in the range between 0 and 20 wt.%, were prepared by latex technology which combines PS latex dispersion within aqueous MWCNT solutions. PS/MWCNT nano-composite films were prepared from these mixtures on glass substrates via drop-casting method and they all dried at 40 C in the heating oven. Each dried sample was then annealed at varying temperatures between 100 C and 250 C for 10 min. In order to monitor film formation behavior of these nanocomposites, transmitted light intensity, Itr, was measured after each annealing step. It was found that film formation process for the nanocomposite films containing 382 nm of PS particles observed in the presence of (0-7.5 wt.%) MWCNT content while PS/MWCNT nanocomposite films including 480 nm and 560 nm of PS latex particles accomplished the film formation in the presence of (0-5 wt.%) MWCNT content. Film formation was not observed above these ranges for all nanocomposite films. Energies of voids closure and inter-diffusion were not change much with the increase of MWCNT indicating that film formation process is not affected by MWCNT content in the nanocomposite films. The surface conductivity of each annealed film at 250 C was measured and was found to increase dramatically above a certain mass fraction of MWCNT content which corresponds to the percolation threshold of conductivity. The conductivity of nanocomposite films in all sizes presented a typical percolation behavior and had a similar electrical percolation threshold of Rc=1.5 wt.% as the MWCNT concentration. However, the electrical conductivity of nanocomposite films was found to increase one order of magnitude with the increase in PS latex particle size. Furthermore, the critical exponents for the electrical conductivity of the nanocomposites decreased from 2.64 to 1.19 with the increase in the particle size, indicating that percolation behavior alters depending on PS particle size. The exponents from the percolation power law both for 480 nm and 560 nm of PS/MWCNT nanocomposite systems were found to be 2.40 and 1.19, respectively, showing the formation of a 3-D network of randomly arranged MWCNTs. The nanocomposites prepared with larger PS particles showed that the optimum results provide a good dispersion of MWCNTs in matrix and high electrical conductivity. SEM images also showed that improved MWCNT dispersion with the increase in particle size of polymer latex was found to be consistent with the experimental results. As a second stage of this thesis work, the effect of graphene oxide (GO) nanoparticles on film formation behavior of PS/GO nanocomposite films composed of polystyrene (PS) latex and graphene oxide at various concentrations was investigated by using photon transmission (UVV) and scanning electron microscopy (SEM) techniques. Water-borne PS/GO nanocomposite films were prepared by emulsion mixing of PS latex and GO nanofillers at various weight percents. GO was firstly diluted and mixed with PS latex dispersions at eight different GO contents in the range between 0 and 100 wt%. SEM micrographs and conductivity measurements were also taken to evaluate the effects of GO content on the morphology and electrical properties nanocomposite films. The results showed that the addition of GO to neat PS latex has no influence on the film formation behavior of PS latex. The results of optical experiments and SEM images indicated that film formation stages of PS/GO nanocomposites are independent of weight fraction of GO, whereas its conductivity values decreased about one order of magnitude with the increase in GO content. It was found that the resultant PS/GO nanofilms possess very low amounts of conductivity values such as 10-13 - 10-14 S and their optical transmission values was found over than 90% at a typical wavelength of 500 nm.
Benzer Tezler
- The growth of doped ZnO thin films by the silar method and investigation of structural, optical and electrical properties
Büyütülen katkılı ZnO filmlerin sılar yöntemiyle ve yapısal, optik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
DHEYAALDAIN MOHAMMED HUSSEIN ALHASANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇankırı Karatekin ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKER KARA
- V2O5 ince filmlerin Si alttaş üzerine büyütülmesi ve sıcaklığın film karakterleri üzerine etkisinin incelenmesi
Production of V2O5 thin films on Si substrate and investigation of the effect of temperature on film characteristics
OĞUZ ÖZBAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZÇELİK
- Metal oksit ince filmlerin saçtırma tekniği ile üretimi karakterizasyonu ve gaz sensörü uygulamalarının araştırılması
Production and characterization of metal oxide thin films by sputtering technique and investigation of gas sensor applications
FATİH ŞENASLAN
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN ÇELİK
- Organik yarıiletken tabanlı fotovoltaik aygıtlar için şekilli ince film altlıkların kullanımı ve etkilerinin incelenmesi
The effect of the usage of sculptured thin film substrates for organic semiconductor based photovoltaic devices
DİLEK DEMİROĞLU
Doktora
Türkçe
2019
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ BEYHAN TATAR
- SILAR yöntemi ile farklı bakır tuz kaynakları kullanılarak yarı iletken Cu2O ince filmlerin depolanması ve karakterizasyonu
Deposition and characterization of Cu2O semiconductor thin films by SILAR method using different copper salt resources
GÜLAY ALTINDEMİR
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiÇukurova ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEBRAİL GÜMÜŞ