Fabrication and characterization of ultra high performance cnts/pei nanocomposite filaments for additive manufacturing
Eklemeli imalat için ultra yüksek performanslı iletken nanokompozit filamanların üretimi ve karakterizasyonu
- Tez No: 512798
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF ÖZDEN YENİGÜN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Polymer Science and Technology, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Eklemeli imalat diğer bir isimle üç boyutlu (3D) yazıcılar kesme ve düzenleme gibi işlem sonrası ekstra çalışmaları ortadan kaldırırken, katman üzerine katman biriktirmesi yöntemi ile çok çeşitli geometrik şekiller üretir. Eriyik yığma modelleme 3D yazıcı teknolojinin en çok kullanılan yöntemlerinden biridir. Bu metot termoplastik filamanı hammadesi olarak kullanır ve eriğik termoplastiği katman katman biriktirme prensibine dayanarak çalışır. şimdiye kadar eriğik yığma metodu ile sahip oldukları uygun fiyat ve kolay üretilebilirlik sebebiyle Akrilonitril Bütadiyen Stiren (ABS), polilaktik asit (PLA), poliamid (PA) en çok kullanılan polimerlerdir. Fakat bu polimerler yeterince sağlam ve dayanıklı olmadıkları için yapısal parça olarak yük taşımaya uygun değildirler. Ayrıca, bu polimerler kullanılarak üretilen yapılar da mekanik olarak kısıtlı olmaktadır. Bu sebeple yüksek performans polimerleri kullanıralarak üretilen 3D yapılara ciddi bir şekilde ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla, polieter imid (PEİ) ve polietereterketon (PEEK) gibi yüksek performans termoplastik malzemeleri güçlü iletken fakat yoğukça fazla metal ve metal alaşımlarının havacılık alınındaki kullanımda yerlerini alması için gelecek vaadeden polimerler olarak görülmektedir. Bu polimerlerin yüksek işlem sıcaklığı ve iyi çevre koşul gerekçeleri gibi zorlukları olmasına rağmen 3D baskı polimer bazlı 3D yapısal parçaların üretilmesinde yüksek hassasiyet, maliyet etkinliği ve özelleştirilmiş karmaşık 3D geometrilerde parça üretim imkanını içeren avantajlar sağlamaktadır. Başka bir kazanç ise polimer filamanlara nanomalzemelerin katılıp mikro yapılarını ayarlanmasıyla 3D yazıcılarda güçlü ama hafif polimer filamanları kullanma imkanı sağlanmaktadır. Birçok nanomalzeme arasında sahip oldukları yüksek en boy oranı, düşük kütle yoğuklukları ve üstün elektrik, mekanik ve termal özellikleri sayesinde karbon nanotüpler (KNTler) geçtiğimiz yıllarda araştırma odağı olmuştur. KNTlerin amorf yüksek performans PEİ polimerleri ile karıştırılması ile yeni kapasiteleri ve yenetekleri olan ve havacılık alanında uygulanabilir özgün geliştirilmiş malzemeler üretilmesi sağlamaktadır. Mühendislik malzemeleri ile 3D yazıcı teknolojisinin birleşimi kimyasal ve termal kararlı ve kompleks geometride iletken prototiplerin oluşumuna imkan sağlamaktadır. Daha da önemlisi, iletken katkı malzemeleriyle katkılandırılmış filamanlardan üretilen 3D objeler elektronları iletebilme özelliğine sahiptirler. Nanokompozit filamanlar üzerinde yapılan tüm bu yenilikçi yaklaşımlar özellikle havacılık gibi yüksek performans gerektiren alanlarda metal ve metal alaşımı yerine kullanımına olanak sağlaması amacıyla yapılmaktadır. Düşük yoğunluklu olan polimerlerin metallerin yerine geçmesiyle örneğin uçaklarda ağırlık azalması ve dolayısıyla harcanan yakıtın azalmasına olanak sağlamaktadır. Bu tez 3D yazıcılarda kullanılmak üzere KNT katkılı PEİ nanocompozit filamanların eriyik işlemi ile üretilmesini araştırmaktadır. İlk olarak isteğe göre uyarlanmış çift burgu ve tek burgu ekstruderler PEİ ve PEEK gibi termoplastikleri içeren yüksek performans polimerlerini işleme amacıyla tasarlanmıştır. Sonrasında, saf ve kütlece % 5 ve 7 KNT katkılı filamanlar çift ve tek burgu ekstruderleri kullanılarak üretilmiştir. Saf PEİ filamanı üretmek için kimyasal veya akışkanlandırıcı kullanılmadan sadece tek burgu ektruderi kullanılarak üretilmiştir. KNT katkılı polimerler ise hem çift hem de tek burgu vidalı ekstruderler kullanılarak hiç bir katkı maddesi kullanılmadan üretilmiştir. Tek burgu öncesinde, KNTler yan beslemeden ve PEİ granülleri ana beslemeden olmak üzere çift burgu ektrudere beslenmiş ve nanokompozitlerin granülatör aracılığıla kesilmesiyle KNT/PEİ nanokompozit granülleri elde edilmiştir. Kompozitin hem elektrik iletkenliğini hem de mekanik performansını etkileyeceği için KNTlerin PEİ içerisinde homojen olarak karışmasını sağlamak amacıyla çift burgu karışımı beş kere tekrarlandıktan sonra nanokompozitler granülatör ile kesilerek tek burgu ekstruderde işlem için hazırlanmıştır. 3D yazıcıya uygun olacak şekilde, KNT/PEİ granülleri sonrasında tek burgu ekstrüderine beslenerek 1.70 mm filamanlar üretilmiştir. Hem saf PEİ hem de KNT katkılı PEİ için diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) aracılığı ile termal karakterizasyon yapılmıştır. DSC sonuçlarına bakıldığında KNT katkısının PEİ'nin termal geçişini değiştirmediği görülmüştür. Bunun sebebinin eriyik işlem sırasında uygulanan yüksek kayma stresinden dolayı KNTlerin boylarında oluşan kısalma olduğu düşünülmektedir. TGA sonuçlarında KNT etkisinin PEİ'nin ayrışma sıcaklığında kaymaya sebep olduğu görülmektedir. 3D yazıcı ektrüzyonu için de önemli olarak, KNTlerin PEİ'nin termal geçişlerini ve termal bozulmasına önemli bir etkisi olmadıgı rapor edilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) aracılığı ile morfolojik analiz yapılmıştır. SEM görüntülerinde KNTlerin PEİ matrisi içinde homojen olarak dağıldığı görülmektedir. Odaklanmış yükün demetli (FIB) mikroskobu ile 100 nm kalınlığında hazırlanan aüırlıkça % 0.1 ve 7 KNT/PEİ filamanlarına TEM analizi yapılmıştır. TEM görüntülerinde açıkça görüldüğü üzere KNTler PEİ matrisinde aglomere olmamasının yanı sıre hem homojen olarak dağılmış hem de dağıtılmiştir. Fakat aynı zamanda KNTlerin boylarında ciddi bir düşüş gözlemlenmiştir. Ekstrüzyon işlemi sonrası KNTlerin boyları 305 nm aralığında olduğu saptanıştır. Bu düşüşün temel sebebinin tekrarlı şekilde uygulanan çift burgu ekstrüzyonu olduğu düşünülmektedir. Ayrıca TEM görüntülerinden açıkça görüldüğü üzere KNTler ekstrüzyon ekseninde yönlenmiştir. Bu durum nanokompozit filamanların çekme mukavemetine ve elektrik iletkenlik özelliklerine sızıntı eşiğini düşürerek pozitif katkı yaptığı düşünülmektedir. KNT katkılı PEİ filamanlarının elektrik iletkenliği KNT miktarı arttıkça artış göstermiştir. Saf PEİ'nin yüzey iletkenliği 10^{-15} S/cm iken ağırlıkça % 7 KNT/PEİ filamanının yüzey iletkenliği 2.57x10^{-1} S/cm olarak saptanmıştır. KNT/PEİ nanokompozit sisteminin sızıntı eşiği kütlece % 0.1 ile 0.25 arasında olduğu sonucuna varılmıştır. Bu sonuç diğer polimer sistemleriyle karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. Bunun sebebi hem KNTlerin homojen olarak dağılması hem de PEİ matriksinin sahip olduğu yüksek viscozite olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, KNT eklenmesi hem özgül esnemezlik hem de özgül mukavemette atrtış gösterdiği görülmektedir. Kütlece % 7 KNT katkısı saf PEİ filamana göre özgül esnemezliği % 20 ve özgül mukavemeti % 10 arttırdığı gözlemlenmiştir. Sonuç olarak bu tezde KNT eklemenin PEİ filamanı üzerinde elektrik ve mekanik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Ek olarak, 3D yazıcıda üretilebilir yapısal polimerler için işlem ve malzeme gerekçeleri üzerinde durulmuştur. KNT katkisinin 3D yazıcılar için tasarlanan filamanda hem elektrik iletkenlik hem de mekanik performans olarak katkı sağladığı sonucuna varılmıştır. Morfolojik analizlerle gözlemlenen homojen KNT dağılımının hem elektriksel hem de mekanik özelliklere pozitif katkıda bulunduğu düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Additive manufacturing (AM) or three-dimensional (3D) printing by another name produces a diverse range of geometrical shapes by layer by layer deposition while eliminating post-processes such as cutting and trimming. Fused deposition method (FDM) has been most widely used 3D printing technology that works with the principle of layer by layer deposition of guiding melted thermoplastic filaments. So far, due to their low cost and easy processability acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactic acid (PLA) and polyamide (PA) have been most used thermoplastic polymers. However, they are not strong and durable enough to tolerate high loads particularly in structural components. Besides, due to the intrinsically restricted mechanical response of these printed polymer structures, there is significant demand to fabricate high performance structures by using 3D printers. Thus, high performance thermoplastic materials such as polyetherimide (PEI) and polyether ether ketone (PEEK) have been found promising as competitors to strong and conductive but relatively dense metals and metal alloys in aerospace applications. Even though, there are still processing challenges such as high melting temperatures and the need of good control on ambient temperature, 3D printing technique offers many advantages in the fabrication of structural polymer based components, including high precision, cost effectiveness and customized complex 3D geometries. Another asset to utilize strong but light weight polymer filaments in 3D printers is their ability to tune their micro structures by incorporating nanomaterials. Among many nanomaterials, carbon nanotubes (CNTs) have been a substantial area of research over last two decades due to nanotubes' high aspect ratio, low mass density and superior electrical, mechanical and thermal properties. Novel advanced materials produced from CNTs blended with amorphous high performance PEI polymers, provide new capabilities and new skills in aerospace applications. Not only engineered materials but also the use of 3D printing technology facilitates chemically and thermally resistant and conductive prototype production with complex geometries. More importantly, 3D printed objects fabricated by using conductive filler reinforced filaments have ability to conduct electrons. All these efforts on nanocomposite filaments addresses the possibilities to replace metals and metal alloys. This thesis attempts to explore CNTs reinforced PEI nanocomposite conductive filament fabrication by melt processing and their later use in AM process. First, customized twin-screw and single-screw extruders were designed to process high performance polymers including PEI and PEEK % CNTs/PEI nanocomposite filaments were fabricated by using consecutive single and twin-screw extrusion processes. Prior to single-screw extrusion, CNTs and PEI granules were directly fed through twin-screw extruder to produce CNTs/PEI blended pellets. To ensure homogeneous CNTs dispersion in PEI matrix that dictates the electrical conductivity and mechanical performance of nanocomposite, twin-screw extrusion was repeated for five times and then nanocomposite strands were granulized to be later fed into the single extruder to produce CNTs/PEI nanocomposite filaments. CNTs reinforced nanocomposite filaments were fabricated with diameter of 1.70 mm, which was specifically aimed for additive manufacturing. Thermal characterization of both neat PEI and CNTs/PEI samples was performed by Differential Scanning Calorimeter (DSC) which pointed out that the introduction of CNTs did not change thermal transition of PEI. Thermogravimetric analysis (TGA) revealed that CNTs caused slight shift in decomposition temperature compared to neat PEI. Morphological studies of both scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) revealed that CNTs were homogeneously dispersed and distributed in PEI matrix. TEM micrographs clearly pointed out that CNTs were also oriented along extrusion direction without having any curly conformation or agglomerated CNTs clusters due to flow induced orientation. This effect positively contributed both to tensile properties and, conductivity by reducing percolation threshold of CNTs/PEI filaments. Volume conductivity measurements by four point probe method showed that CNTs presence in the PEI matrix significantly increased the conductivity. For 7 wt % CNTs/PEI filaments, surface conductivity was achieved up to 2.57x10^{-1} S/cm. Percolation threshold of CNTs/PEI nanocomposite system was estimated between 0.1 and 0.25 wt %, which was remarkably lower than reference studies in literature. Moreover, specific stiffness showed gradual increase up to 20 % with CNTs addition where specific tensile strength of nanocomposite filaments with 7 wt % CNTs reinforced improved about 10 % compared to neat PEI specimen. Overall, this thesis traces the effect of CNTs on electrical and mechanical properties of CNTs/PEI 3D printer filaments and also highlights the process and material requirements to work with structural polymers in melt processes.
Benzer Tezler
- Investigation of thermal and mechanical behavior of carbon nanotube reinforced ultra-high molecular weight polyethylene composites under cryogenic conditions
Karbon nanotüp takviyeli ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen kompozitlerin termal ve mekanik davranışlarının kriyojenik koşullar altında incelenmesi
GÜLŞAH BAHÇELİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Fabrication and characterization of novel membranes for battery separator applications
Pil seperatör uygulamaları için yenilikçi membran yapıların üretimi ve karakterizasyonu
UBEY AHMETOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Design, fabrication and characterization of subwavelength-scale distance sensors based on optical directional coupling
Optik yönlü bağlaşım temelli dalgaboyu-altı mesafe ölçüm sensörlerinin tasarımı, imalatı ve karakterizasyonu
SHAHAB BAKHTIARI GORAJOOBI
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERDAL BULĞAN
- Ga2O3/p-Si P-N hetero eklemli UV fotodedektörlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of Ga2O3/p-Si P-N hetero junction UV photodetectors
UĞUR HARMANCI
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHarran ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET TAHİR GÜLLÜOĞLU
PROF. DR. ABDULLAH YILDIZ