Bending actuators based on ionic electroactive polymers
İyonik elektroaktif polimer esaslı bükülme eyleyicileri
- Tez No: 501859
- Danışmanlar: PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Seramik Mühendisliği, Metallurgical Engineering, Ceramic Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Bu doktora tezinde, iki farklı iletken polimer esaslı iki çeşit eyleyici sistemi tasarlanmış, hazırlanmış ve karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. İlk kısımda, polianilin nanofiberleri esas eyleyici bileşeni olarak kullanılmıştır. Polianilin nanofiberleri çok iyi elektriksel ve elektrokimyasal özellikler gösterdiklerinden, özellikle sensor ve eyleyici gibi akıllı sistemlerde kullanılmaa potansiyeli göstermektedirler. Bu çalışmada, polianilin nanofiberlerin elektrokimyasal eyleyici olarak kullanımları gösterilmektedir. Bu amaç için üç tabakadan oluşan polianilin esaslı kompozit eyleyiciler tasarlanmış ve üretilmiştir. Çapraz bağlanmış poli (vinil alkol) iyon içeren elektrolit olarak kullanılmış ve polianilin esaslı iki nanofiber elektrotlar arasına sandviç şeklinde sıkıştırılmıştır. İlk olarak, tekli elektrotun elektrokimyasal davranışı çevrimsel voltametri yöntemi ile incelenmiş ve 1 M HCl içinde tersinir redoks çifti gösterdiği saptanmıştır. Üretilen polianilin nanofiberleri, yüksek en-boy oranına sahip olduğundan ve gözenekli bir yapı oluşturduklarından, iyon difüzyonunu kolaylaştırmakta ve böylelikle redox tepkimelerin hızlı bir biçimde gerçekleşmesi sağlanmaktadır. Ardıından, üretilen bu üç tabakalı eyleyicilerin bükülme deplasmanları AC potansiyeli altında 0.5 V gibi düşük potansiyellerde ve 50-1000 mHz aralığında, hem 1 M HCl içinde hem de havada incelenmiştir. Ayrıca, kompozit yapılı bu eyleyicilerin havadaki bozulma performansları incelenmiş ve seçilen frekans aralığında 1000 s boyunca kararlı ve tekrarlanabilir olduğu da görülmüştür. Tezin ikinci bölümünde ise, poli(stiren sülfonik asit) esaslı yüksek performanslı iyonik metal polimer kompozit (IPMC) eyleyiciler oldukça kolay ve yenilikçi bir yöntemle üretilmiştir. Bu amaç için, oldukça iyi bilinen hidrofilik proton iletken poli(stiren sülfonik asit (PSSA) fonksiyonel grupları radyasyonla aşılama yöntemiyle poli(vinilidin florür üzerine çeşitli aşılama derecelerinde aşılanmıştır. Bu şekilde radyasyonla aşılanmış sistemler, yakıt pilleri için proton değişim membranları olarak yaygın olarak kullanılmalaarına rağmen, bu tür proton ileten yapıların IPMC uygulamaları için kullanılmaları oldkça yenilikçi bir yaklaşımdır. Esnek, yumuşak ve gözenekli membranlar çözeltiden dökme yöntemiyle kolaylıkla üretlmiştir. Üretilen membranlaarın fiziksel, mekanik, ısıl özellikleri ve eyleyici performansları incelenmiş ve benzer yapıdaki ticari Nafion® membranlarıyla kıyaslamaları yapılmıştır. Üretilen radyasyonla aşılanmış membranlardan yüksek aşılama derecesine sahip olan membran, ticari Nafion membranlarıyla kıyaslanabilir bir iyon değişim kapasitesi ve proton ilekenliğe sahip oldukları ve yaklaşık olarak üç kat daha fazla su alımına sahip oldukları görülmüştür. PVDF-g-PSSA esaslı IPMC eyleyiciler, radyasyonla aşılanmış üstün özellikli bu membranların iki tarafına, elektrokaplama yöntemiyle Pt nanoparçacıklarının kaplanmasıyla üretilmişlerdir. Bu IPMC eyleyicilerinin, performansları farklı AC potansiyellerinde ve çeşitli frekanslarda incelenmişlerdir. En yüksek aşılama derecesine sahip membran ile hazırlanan IPMC'nin, 0.1 Hz ve 4 V'de en yüksek bükülme gerilimi gösterdiği bulunmuştur. IPMC'lerin gözenekli yapısı ve yüksek miktarda su alımı sayesinde, radyasyonla aşılanmış membran içeren eyleyicilerde üstün bükülme performansı elde edilmiştir. Bu tez kapsamında geliştirilen eyleyiciler, geleneksel Nafion-esaslı IPMC'lerle kıyaslandıklarında, ucuz olmakla kalmayıp, oldukça kolay üretim yöntemi gibi bir diğer avantaja sahiptir. Bu sebeplerle, bu tez kapsamında geliştirilen IPMC'ler yumuşak eylecilerde Nafion'un yerini alabilecek umut vadeden yepyeni yapılardır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, two actuation systems based on two different conductive polymers were designed, prepared and characterized. In the first part, polyaniline nanofibers were used as main actuation component. Polyaniline nanofibers have shown promising electrical and electrochemical properties which make them prominent candidates in the development of smart systems employing sensors and actuators. Their electrochemical actuation potential is demonstrated in this study. A trilayer composite actuator based on polyaniline nanofibers was designed and fabricated. Cross-linked polyvinyl alcohol was sandwiched between two polyaniline nanofibrous electrodes as ion-containing electrolyte gel. First, electrochemical behavior of a single electrode was studied, showing reversible redox peak pairs in 1 M HCl using a cyclic voltammetry technique. High aspect ratio polyaniline nanofibers create a porous network which facilitates ion diffusion and thus accelerates redox reactions. Bending displacement of the prepared trilayer actuator was then tested and reported under an AC potential stimulation as low as 0.5 V in a variety of frequencies from 50 to 1000 mHz, both inside 1 M HCl solution and in the air. The decay of performance of the composite actuator in the air is investigated and it is reported that tip displacement in a solution was stable and repeatable for 1000 s in all selected frequencies. In the second part of the thesis, a high performance ionic polymer-metal composite actuator (IPMC) based on proton conductivity of poly(styrene sulfonic acid) was fabricated using a simple and novel method. Poly(styrene sulfonic acid) (PSSA) as a well-known hydrophilic proton conductive functional group was radiation grafted on polyvinylidene fluoride (PVDF) at different graft levels. The material system is well known for the proton exchange membranes of fuel cells, however, its IPMC application is novel. Flexible, soft and porous membranes were prepared by simple solution casting technique. Physical, mechanical, thermal and actuation properties of prepared membranes were characterized and compared with Nafion®. The membrane with highest graft level showed comparable ion exchange capacity and proton conductivity with that of Nafion whereas its water uptake is near three-fold greater than Nafion. To make PVDF-g-PSSA based IPMC actuators, Pt particles were deposited on both sides of the membranes using electroless plating method. Actuation performance of the IPMC actuators under various AC potentials and different frequencies were investigated. The results revealed that the PVDF-g-PSSA membrane with highest graft level showed highest average bending strain at 0.1 Hz and 4 V. The enhanced bending actuation behavior was attributed to porous morphology and large water uptake of graft polymerized actuators. Compared with traditional Nafion-based IPMC, our bending actuator is cheaper, and its preparation is fast and simple. So, it can be a viable replacement candidate for the traditional Nafion in soft actuator systems.
Benzer Tezler
- Synthesis of some functional conducting polymers, characterization, Mott-Schottky analysis and sensor applications
Bazı fonksiyonel iletken polimerlerin sentezi, karakterizasyonu, Mott-Schottky analizi ve sensor uygulamaları
TOLGA KARAZEHİR
Doktora
İngilizce
2017
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. MURAT ATEŞ
- Synthesis and characterization of graphene oxide-based self-healable nanocomposite hydrogels
Grafen oksit esaslı kendini onaran nanokompozit hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu
EZGİ BERFİN ÇEPER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN GÜNEY
- Development of supramolecular hydrogels with adjustable viscoelastic, mechanical and self-recovering properties
Ayarlanabilir viskoelastik, mekanik ve kendi-kendini onarma özelliklerine sahip supramoleküler hidrojellerin geliştirilmesi
ESRA SU
- Ferrosen aktif birimi içeren yeni azin türevlerinin DNA bağlanma, dna kesim ve antioksidan aktivitelerinin incelenmesi
Investigation of dna binding, DNA cleavage, and antioxidant activities of new azine derivatives with active ferrocene unit
NİHAN GÜRCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
BiyokimyaKaradeniz Teknik ÜniversitesiEczacılık Biyokimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ARZU ÖZEL
YRD. DOÇ. DR. MELEK ÇOL AYVAZ
- Static and dynamic analysis of non-circular helical bars based on exact geometry
Kesin geometri tanımı ile dairesel olmayan helislerin statik ve dinamik analizi
MERVE ERMİŞ
Doktora
İngilizce
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HAKKI OMURTAG