Synthesis and characterization of one-side polypyrrole coated conductive and flexible polyurethane films
Tek yüzeyi polipirol kaplı iletken ve esnek poliüretan filmlerin sentez ve karakterizasyonu
- Tez No: 485266
- Danışmanlar: PROF. DR. BELKIZ USTAMEHMETOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Son yıllarda iletken polimerler bio ve kimyasal sensör, antistatik kaplama, doku mühendisliği, yakıt hücreleri, şarj edilebilen bataryalar, güç çeviriciler vb. geniş kullanım alanlarına sahip olduklarından bilimsel araştırmaların odak noktası haline gelmiştir. Diğer yandan prepolimer izosiyanat, poliol ve katalizör varlığında sentezlenen yalıtkan bir polimer olan poliüretan (PU) birçok alanda tercih edilen önemli bir malzemedir. PU katı veya elastik yapıda, köpük, elastomer veya yapıştırıcı formunda olabilir. PU malzemenin özelliği kullanılan reaktan çeşidine, ortam şartlarına, proses tipine ve reaktan oranlarına göre değiştirilebilmektedir. PU'lar otomotiv, mobilya, paketleme, yapıştırıcı, medikal uygulamalar, kimyasal dirençli mekanik dayanımı yüksek mühendislik malzemeleri gibi çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. Heterosiklik yapısından dolayı polipiroller (PPy) en önemli iletken polimerlerden biridir. Konjuge zincir yapısından dolayı çok iyi elektriksel iletkenliğe, kolay sentez yöntemlerine ve diğer iletken polimerlerle karşılaştırıldığında yüksek kimyasal stabiliteye sahiptir. Bio ve gaz sensör uygulamalarında, kapasitör ve şarj edilebilen bataryalarda ve antikorozif malzemelerde kullanılabilirler. Antistatik ajanlar polimerlerde oluşabilecek statik elektriksel yükleri minimize etmek için plastik malzemelere katılan katkılardır. Plastik yüzeyinde statik yük birikmesi proses prosedürlerine engel olabileceği gibi hijyen sorunlarına da yol açar. Antistatik ajanlar iç ve dış olarak ikiye ayrılır. Dış antistatik ajan kullanımında plastik, spreyleme veya batırma yöntemi ile kaplanır. İç antistatik ajanların kullanımında ise, ajan polimer matriks'e katılır ve daha sonra yüzeye transfer olur. Bazı iletken dolgu maddeleri (örn. yağlı asit esterleri, aminler) ve polimerler antistatik ajan olarak kullanılabilmektedir. PPy'nin bir diğer uygulama alanı ise antistatik katkılardır. PPy elektrokimyasal yöntemle veya pirol'ün (Py) çeşitli solventlerde/sulu ortamda oksidasyonu ile kimyasal yöntemle sentezlenebilir. Ancak PPy, zincirleri arası yüksek etkileşimden dolayı sert, işlenmesi zor bir yapıya sahiptir ve birçok solventte çözünmez. Homopolimer yapıdaki PPy'nin uygulama alanındaki zorluklarının üstesinden gelebilmek için çözünebilen ve iletken özellikli kopolimerler üzerine çalışmalar yapılmıştır. İki malzemenin kombinasyonu sonucu iletken formda da hazırlanabilen gelişmiş polimerik sistemler olan kopolimerler iyileştirilmiş mekanik ve termal özellikler, yüksek korozyon direnci gibi kullanışlı özelliklere sahiptir. Bu amaçla demir (III) klorür (FeCl3) varlığında PPy/polidimetilsiloksan (PDMS) kopolimerleri, seryum amonyum nitrat (CAN) varlığında PPy/ metal etil keton/formaldehit reçine(MEKF-R) kopolimerleri, PPy/ketonik reçine kopolimerleri, kolloidal çözelti olarak hazırlanan PPy/poliakrilik asit (PAA), polivinil pirolidon (PVP) kopolimerleri, FeCl3 ve CAN varlığında 1-(hidroksimetil)/PPy, 1-(3-hidroksipropil)/PPy kopolimerleri kimyasal oksidasyon ile sert formda sentezlenmiştir. PPy/PDMS blok kopolimerleri film formunda elektrokimyasal yöntem ile de sentezlenebilir. Ayrıca çözünmeyen PPy/MEKF-R ve PPy/PAA filmler, elektriksel iletkenliklerinin incelenmesi için elektrokimyasal yöntem ile hazırlamıştır. Kompozitler, kimyasal veya fiziksel olarak en az iki veya daha çok fazın bir araya getirilmesiyle hazırlanır. Kompozit malzeme üretiminin amacı fazların bireysel halde sahip oldukları özelliklerinin bir araya getirilmesi ile daha yüksek özellikli ürün eldesidir. Kompozitler bir malzemenin diğer bir malzeme ile kaplanmasıyla, katkı malzemelerinin (fiberler, partiküller vb.) ana faz içinde dağıtılmasıyla, kalıplama, presleme veya elektroliz vb. yöntemleriyle üretilebilirler. Günümüzde kompozit malzemeler kimyasal/fiziksel yüksek dirençleri, düşük ağırlıkları, yüksek yıpranma dayanımları ve hızlı hazırlanma yöntemlerinden dolayı endüstride önemli bir yere sahiptir. PPy'nin mekanik özelliklerini geliştirmenin bir diğer yolu ise, iletken malzemeler ile yalıtkan malzemelerin kombinasyonu sonucu çeşitli kompozitlerin hazırlanmasıdır. Kompozit hazırlama yönteminde PPy'nin çözünürlük probleminin giderilmesi yerine mekanik özelliklerinin geliştirilmesi daha ön plandadır. İletken kompozitler büyüyen bir öneme sahip olmuştur ve düşük ağırlıklı, üretimi kolay ve yüksek dayanıma sahip yapılar elde edilmiştir. Yalıtkan ve iletken malzemenin kombinasyonu sonucu oluşan bu kompozitlerin elektriksel iletkenliği ve mekanik özellikleri faz konsantrasyonlarına, dağılımlarına, etkileşimlerine ve proses yöntemine bağlı olarak değişmektedir. Bu kompozitler, iletkenin yalıtkan polimer üzerine kaplanmasıyla veya iletken partiküllerin yalıtkan polimer matrikse dağıtılmasıyla elde edilebilir. İletken kompozit sentezinde en çok kullanılan polimerlerden biri gelişmiş özelliklerinden dolayı PPy'dir. Sentezlenen kompozitlerin özellikleri kullanılan PPy miktarına ve sentez yöntemine göre değişiklik göstermektedir. PPy kompozitlerine örnek olarak elektrokimyasal yöntemle sentezlenen PPy/politetrahidrofuran (PTHF) kompoziti, kimyasal yöntemle sentezlenen PPy/polimetilmetakrilat (PMMA), PPy/polivinilklorür (PVC) ve PPy/poliester (PES) fiber kompozitleri verilebilir. PU'lar gelişmiş mekanik özelliklerinden dolayı kompozit sentezinde kullanılan bir diğer önemli bir polimerdir. PU kompozitler, iyi elektriksel, elektrokimyasal ve optik özelliklerinden faydalanmak için iletken polimerlerle de hazırlanabilir. Literatürde yer alan PU kompozitlerinin hazırlanmasında kullanılan iletken malzemelerden bazıları grafit, gümüş kaplı fiberler, karbon siyahı (CB), çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNTs), demirli bileşikler, grafen ve polianilindir (PANI). Ayrıca PU kompozitler, PPy'nin gelişmiş özelliklerini kullanırken diğer yandan dezavantajlarını ortadan kaldırmak için PPy ile de hazırlanabilir. PU/PPy kompozitleri, demir bileşiklerinin oksidant olarak kullanılmasıyla film, çözelti ortamında dağılmış partiküller, fiber veya köpük formlarında hazırlanabilir. PU/PPy kompozitler halojenler varlığında örneğin iyot (I) içeren PU köpüğe Py buharının teması sonucu hazırlanabilir. Film ve köpük formundaki PU/PPy kompozitleri amonyum persülfatın (APS) oksidant olarak kullanılmasıyla ve ayrıca elektrokimyasal polimerizasyon ve elektrospinning yöntemleri ile film formunda da hazırlanabilmektedir. Sentezlenen kompozitlerin karakterizasyonları için farklı yöntemler mevcuttur. Bunlardan bazıları, yüzey morfolojisinin incelenmesi için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntülerinin alınması, termal davranışların incelenmesi için Diferansiyal Taramalı Kalorimetri (DSC) analizi, yapıdaki bileşenlerin analizi için Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) ve mekanik özelliklerin incelenmesi için yapılan uzama-kopma test metodudur. Esnek polimer matrikslere sert yapıların katılması ile malzemenin modül artışı mekanik testte gözlemlenen genel bir durumdur. Polimer malzemelere CB, grafen, MWCNT ve Py gibi iletken malzemelerin katılmasıyla elde edilen farklı kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelendiği farklı çalışmalar literatürde bulunmaktadır ve bu çalışmalarda da malzeme modülünde eklenen sert fazın miktarına bağlı olarak artışlar gözlenmiştir. Örneğin bir çalışmada, PES tekstile polikarbazol (PCz) kaplaması yapıldığında malzeme modülü 431 MPa'dan 467 MPa'a bir miktar artış göstermektedir. Bir diğer çalışmada, polietilenterafitalat (PET) filamentleri PANI ile kaplandığında kaplı filamentlerin modülü PANI kaplanmamış olan filamentlere göre 10% artış göstermiştir. Bu durum PANI sert fazın, PET fiber yapısındaki boşlukları doldurmasıyla malzemeyi güçlendirici etkisinden kaynaklanmaktadır ve buna bağlı olarak modül artmıştır. Bir diğer yandan bu çalışmada PET filamentleri bir süre ksilen çözeltisine maruz bırakılmıştır. Solvent, moleküler seviyede PET malzemenin polimer zincirlerindeki amorf bölgelerini etkilemiş ve modülde düşüş gözlenmiştir. Şimdiye kadar PU/PPy kompozit çalışmalarında, PPy ya PU filmin iki yüzeyine de kaplanmıştır ya da PU köpüğe difüzlenmiştir. Filmin tek yüzeyine kaplama olarak bilgimiz dahilinde literatürde bulunan bir çalışmada, tek yüzeyi PPy kaplı polietilen (PE)/PPy kompozitler FeCl3 varlığında Py buharı ile sentezlenmiştir. Bu çalışmada, literatürde yer alan iki tarafı kaplı PU filmlere alternatif olarak, tek yüzeyi PPy kaplı iletken, esnek PU/PPy kompozit filmler, asetonitril (ACN)/H2O arayüzeyinde kimyasal oksidatif polimerizasyon metodu ile sentezlenmiştir. Esnek PU filmler, triol ve katalizörün mekanik karıştırıcı ile karıştırılması, ardından izosiyanat fazlası içeren prepolimerin hazırlanmış olan karışıma eklenip ısınma başlayana kadar karıştırılıp son karışımın film çekme cihazında silikonlu kağıda dökülüp, kağıdın aralarındaki mesafenin ayarladığı miller arasından geçirilmesi ile hazırlanır. Kürlenme tamamlandıktan sonra PU film kağıt üzerinden ayırılır. PU filmler serbest reaktif -NCO grupları içermektedir. Sonrasında bir reaksiyon kabına CAN/ACN çözeltisi doldurulup sentezlenen esnek PU film kap üzerine çözeltiyle temas edecek şekilde yerleştirilir. Film üzerine ikinci bir kap yerleştirilir. Üst kaba Py'nin sulu çözeltisi enjekte edilir, böylece filmin bir yüzeyi CAN/ACN çözeltisiyle diğer yüzeyi Py/H2O çözeltisiyle temas ettirilmiş olur. Çözeltilerin etkileşimi ile film yüzeyinde PPy sentezi gerçekleşir. ACN, PU filmi yumuşatarak, Py'nin film içine difüzlenmesini kolaylaştırmıştır ve PPy kaplanması sadece filmin ACN ile temas eden yüzeyinde gerçekleşmiştir. PU/PPy kompozitlerinin sentezinde, Py ve CAN'ın farklı konsantrasyonlarının, farklı oksidantların, farklı solvent temas yüzeylerinin, reaksiyon kaplarının farklı yönde tutulmasının, Py ve CAN'ın farklı solventlerde çözünmesinin ve reaksiyon süresinin kompozitlerin iletkenliği üzerinde etkileri incelenmiştir. Kompozitler, FTIR, DSC, SEM metodlarıyla karakterize edilmiş, iletkenlikleri disc probe cihazıyla ölçülmüştür. Mekanik özellikler Zwick Roell gerinim-uzama test cihazıyla ve PPy kaplama kalınlıkları, kompozitlerin kesit alanlarından alınan polarize mikroskop görüntüleri ile belirlenmiş olup optimum kompozitte 0.015 μm olarak bulunmuştur. Optimum PU/PPy kompozitte Py/H2O çözeltisiyle temas eden yüzey yalıtkan iken CAN/ACN çözeltisiyle temas edip PPy kaplanan tarafında bulunan en yüksek iletkenlik 3.5x10-4 Scm-1, camsı geçiş sıcaklığı (Tg) -60.38 °C'dir.
Özet (Çeviri)
Recently, conductive polymers have been the focus for scientists cause of wide application areas such as bio and chemical sensors, antistatic coatings, tissue engineering, rechargeable batteries, corrosion-inhibiting films and so on. Polypyrrole (PPy) is one of the most important conductive polymer cause of its advantages like, good electrical conductivity by its conjugated structure, relative ease to synthesis and oxidative stability compared with other conductive polymers. PPy can be synthesized by electrochemical or chemical oxidation polymerization of pyrrole (Py) in different kind of organic solvents and in aqueous media. On the other hand, polyurethane (PU) is one of the most multipurpose and useful engineering insulator polymer cause of its good mechanical properties. It is synthesized with using a prepolymer isocyanate, a polyol and a catalyst. That reactants have many different types to give to final PU product varied physical and chemical properties. In last decades, to improve individual materials' mechanical properties, to achieve products with high properties like resistance to environment, chemicals or flame or to obtain them in light weight with low costs, composite materials have been studied. There are also composite studies about PU and PPy combination. In this study, one-side PPy coated conductive and flexible PU/PPy composite films were synthesized in the acetonitrile (ACN)/H2O interface as a new alternative to two side coated PU films which have already reported in literature. Composite films were prepared by chemical oxidative polymerization method. First, PU flexible films were synthesized by the reaction of triol with the excess of isocyanate based prepolymer by using a catalyst and resulting PU has free reactive -NCO groups. Then, PPy was coated onto PU film by the reaction of aqueous solution of Py contacted to one side of the film, with cerium ammonium nitrate (CAN) in ACN contacted to the other side. Since, PU film had softened with ACN, the diffusion of Py into PU matrix become easier and PPy formation occured on the only ACN side of the film (PU/PPy). This PU/PPy composites were characterized by four-probe electrical conductivity, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Scanning Electron Microscope (SEM) measurements. Mechanical properties of the composite films were obtained by Zwick Roell tensile tester. The thickness of PPy coating was determined as 0.015 μm by using polarized microscope imagines of cross section of composite. The glass transition temperature (Tg) was obtained as -60.38 °C and the highest conductivity of PPy side of PU/PPy composites was obtained as 3.5x10-4 S.cm-1, while the water side of PU film was still insulator.
Benzer Tezler
- Electrochemical composite formation of thiophene and N-methylpyrolle onto carbon fiber microelectrodes and their characterizations
Tiyofen ve N-metilpirolün karbonfiber mikroelektrot üzerine elektrokimyasal kompozit oluşturulması ve karakterizasyonu
HÜLYA GEYİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF.DR. SEZAİ SARAÇ
- Metalosen katkılı metal oksit tabanlı termoelektrik nanokompozit malzemelerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of metalocene doped metal oxide based thermoelectric nanocomposite materials
SERHAT KOÇYİĞİT
- Kanserin teşhis ve tedavisine yönelik yeni tip silisyum ftalosiyaninlerin sentezi ve özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and characterization of new type silicon phthalocyanines for diagnosis and treatment of cancer
ASUMAN DAKOĞLU GÜLMEZ
- siRNA taşınımında kullanılmak üzere yıldız tipi polimerlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of star shaped polymers to be used in siRNA delivery
SERHAT ÖZTÜRK
- Miseller polimerizasyonu tekniği ile şekil hafızalı hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of shape memory hydrogels containing crystalline domains via micellar polymerization technique
ÇİĞDEM BİLİCİ
