Geri Dön

Production of carbon nanotube reinforced nanoprepregs and their characterization

Karbon nanotüp takviyeli nanoprepreglerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 513360
  2. Yazar: BEYZA BOZALİ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF ÖZDEN YENİGÜN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 95

Özet

Günümüz ileri teknoloji uygulamalarında epoksi reçine esaslı termoset prepreg kullanımı özellikle havacılık ve otomotiv uygulamalarında ön plana çıkmaktadır. Fakat termoset reçinelerin uzun kürlenme reaksiyonları, zayıf kırılma dayanımları, düşük viskoziteleri, kısıtlı raf ömrü ve geri dönüştürülemez olmaları termoplastik reçinelere ilginin artmasına neden olmaktadır. Termoplastik reçinelerin sahip olduğu yeniden kalıplanabilme, yüksek darbe dayanımı ve kürlenme işlemlerinin olmaması tercih edilmelerini sağlamaktadır. Lamine kompozitlerde takviye metotları hem matris geliştirme hem de ara yüzey iyileştirmeyi kapsamaktadır. Matris dayanımını arttırmak için katkı malzeme disperse edilerek ekleme en çok uygulanan yöntemlerden biridir. Bu yöntemin dezavantajlarından biri nanomalzemenin düzgün bir şekilde matris içinde dağılamamasıdır. Dağılmama problemiyle nanomalzemelerin bir araya toplanma eğilimi göstermeleri, dağıtmanın sağlanması için uygulanan yöntemlerle nanomalzemelerin sahip oldukları üstün özelliklerin yitirilmesine neden olmaktadır. Ayrıca polimer viskozitesindeki artış matrisin işlenebilirliğini azaltmaktadır. Katmanlı kompozitte ara yüzey iyileştirmek için ara yüzeye, katmanlar arasında mekanik kitlenmelere, çatlak ilerlemeyi önleyecek ve yük transferini sağlayacak film, parçacık veya nanofiber gibi yapıların eklenmesiyle çeşitli yüklemeler altında performans artışı sağlanmaktadır. Nanomalzemelerin özellikle termoplastik yapılarda kullanımı, nanomalzemelerin sahip olduğu üstün mekanik, elektrik ve termal özelliklerinin yapıya aktarımına olanak sağlamaktadır. Karbon Nanotüp (KNT) grafit tabakalarının silindir halinde yerleştiği içi boş yapılardır. Sahip oldukları üstün performans özellikleri KNT'nin fiziksel özellikleri, kiralliği, duvar sayısıyla ilişkilendirilir. KNT'lerin ara yüzey iyileştirmede kullanımı, bucky paper, fiber üzerinde KNT büyüterek matrise entegrasyonunun sağlanması yöntemlerini kullanarak gerçekleştirilebilmektedir. Pek çok buckypaper uygulamalarında ise uygun çözücü içinde KNT dağıtılır. Çözücü kullanımı düşük oranlarda KNT oluşumuna neden olmakla birlikte, havacılık sektörü içinde uygun olmamaktadır. Bu problemleri ortadan kaldırmak adına yeni yöntemler üzerine çalışmalar yapılarak KNT yapılarının yapıya katkılanması sağlanmıştır. Bu yöntemlerin en önemlilerinden biri KNT yapılarının çeşitli üretim yöntemleriyle fiber üzerinde sentezi gerçekleştirilerek kontrollü olarak kompozit içerisine entegrasyonu sağlanır. Fiber üzerinde büyütme ile yüksek hacim oranlarında KNT'lerin yapıya katılımı sağlanabilmektedir. Bu şekilde KNT yapısının morfolojisi ve yönelimi kontrol edilebilmektedir. KNT ve polimer arasındaki ara yüzey güçlendirmesi mikromekanik kitlenme, kurulan kimyasal bağ veya Van der Waals bağları ile sağlanan efektif yük transferi ile sağlanır. Nano malzeme ve matris arasındaki etkileşim ara yüzey kayma mukavemetini arttırmakla birlikte yapının farklı yüklemeler altında mekanik performansının artmasına sebep olur. Bu çalışmada önerilen yüksek degredasyon sıcaklığına sahip PBI nanoliflerin KNT altyapısı olarak kullanılarak termoplastik reçineye emprenye edilmesidir. PBI nanoliflerin üzerinde KNT büyütülmesi ile iletken, güçlü ve hafif ara elemanların üretimi gerçekleşecektir. Üretilecek olan nanolifler elektro-dokuma yöntemiyle hazırlanarak, KNT üretimi için katalizlenerek KNT üretimi için karbon çözünürlüğünü ve difüzyon kabiliyetini arttıracak geçiş metallerinin nanolif üzerine kaplanması sağlanmıştır. Kataliz derişimi ve polimer molekül ağırlığı değiştirilerek parametrik çalışma yapılmış ve sonuçları listelenmiştir. Katalizleme yöntemleri olarak batırma ve daldırmalı kaplama yöntemleri tercih edilerek katalizin nanolif üzerinde aynı oranda dağılımının sağlanması amaçlanmıştır. Farklı katalizleme yöntemleri geçiş metallerinin nanolif üzerine dağılımına fayda sağlayacaktır. KNT üretim metodu olarak kimyasal buhar biriktirme yöntemi diğer yöntemlere kıyasla KNT kontrolünün sağlanması, yüksek kalitede KNT üretimi gibi avantajlarından dolayı tercih edilmiştir. KNT üretimi sırasında kullanılan etilen, hidrojen ve helyum gazları optimize edilmiştir. KNT yönelimi alt yapı olarak sıralı PBI nanoliflerinin kullanılmasıyla geliştirilebilir. Üretilen PBI/KNT yapıları lamine kompozitlerde ara katman olarak kullanımını sağlamak için termoplastik reçineye sıcak baskı yöntemiyle emprenye edilerek ince filmler halinde üretilmiştir. Filmler halinde üretilen termoplastik nanoprepreglerin lamina kompozit uygulamalarında ara yüzey olarak kullanılarak ara katman mekanik dayanımın artıracağı düşünülmektedir. Nano boyutta PBI nanolif altyapı üzerinde KNT büyütme çalışmalarına paralel olarak ticari olarak temin edilen kumaşlarından çözgü yönündeki iplikler liflerine ayrılarak KNT büyütme çalışmaları yapılmıştır. Dolayısıyla, nanolif üretimi için kullanılan protokol ile m boyutunda PBI esaslı lifler radyal dağılımın elde edilebileceği öne çıkmıştır. KNT morfolojisi, termal dayanımı ve genel özellikleri SEM, TGA ve Raman karakterizasyonlarıyla belirlenecektir. Morfolojik analizde, kataliz metalinin homojen olmayan şekilde gelişigüzel yerleşmiş nanolif üzerinde dağılması dikey yönelimli KNT üretimine engel olmuştur. Raman spektroskopisi ile belirlenen Ig/Id oranı 1 civarında olması yüksek kalitede KNT üretildiğini göstermektedir. G ve D pikleri sırasıyla sp2 atomlarının düzlem içi titreşimlerinin sp3 bağlı atomlarının düzlem dışı hareketlerinin sonucudur. Bu oran grafit karbon yapısının bir ölçüsü olarak kabul edilebilir. PBI/KNT nanohalıların elektrik iletkenlikleri 4 noktadan temas iletkenlik ölçer ile belirlenmiştir. Gelişigüzel yerleşmiş ve sıralı nanoliflerin iletkenlik değerleri sırasıyla 1,56±0,6 S/cm ve 1,2±0,5 S/cm olarak belirlenmiştir. Yönelimli PBI/KNT nanohalının elektrik iletkenlik değerlerinde görülen artışa karbon nanotüpler arasında meydana gelen temas direncinin azalmasının sebep olduğu düşünülebilir. PES filmler arasına emprenye edilen PBI/KNT nanohalı yapılarının mekanik performans etkisi çekme testiyle ASTM D882-12 standartı takip edilerek belirlenmiştir. Çekme testi sonucunda rasgele KNT dağılımına sahip PBI/KNT/PES nanoprepreglerin kopma dayanımının 348±5 MPa olduğu, KNT içermeyen PBI/PES nanoprepreg kopma dayanımının 412±13 MPa olduğunu göstermiştir. KNT katkısının kopma dayanımını yaklaşık olarak %18 oranında arttırdığını ortaya koymuştur. Mekanik olarak bu artışın nedeni olarak, mekanik olarak KNT yapısının PES ile bağlantı oluşturarak etkin yük dağılımına izin vermesi olarak açıklanabilir. Sonraki dönemde, yönelimli KNT'lerin PES matrisin mekanik davranışına olan katkısı da ayrıca incelenecektir.

Özet (Çeviri)

Epoxy based thermoset prepregs has been dominated materials market particularly in the automotive and aerospace applications. However, thermoplastic polymers recently have drawn attention with their potential to overcome challenges such as long cure cycles, poor fracture toughness, low viscosities, limited shelf lives and non-recyclability of thermosets. Thermoplastic resins have offered several advantages including recyclability, high impact resistance, and high thermal stability. Reinforcement strategies in laminated composites included both matrix and interface toughening. For matrix toughening, dispersion of additives into the matrix has been the most preferred method. One of the disadvantages of this method is stemming from non-proper dispersion of nanomaterials in the matrix. Moreover, the increase in polymer viscosity associated to nanomaterials reduced polymer processability. Interface toughening in laminated composites could be in the form of film, particle, and nanofibers to hinder crack propagation and improve better load transfer between each plies. With the use of interface elements in thermoplastic laminated composites, the superior properties could be enhanced and transferred to overall composites. Carbon nanotubes (CNTs) are hollow structures in which graphite layers are placed in cylinder forms. The superior properties of CNTs is dependent on CNTs physical properties, chirality, and the number of walls. In the case of interlaminar toughening CNTs could be placed through different routes such as buckypaper interleaving, CNTs grown on fibers. In most of bucky paper applications, CNTs were dissolved in an appropriate solvent. However, the use of any solvents would significantly form low-volume fraction CNTs structures, and also not are not permitted in aerospace applications. In order to overcome these challenges, new methods have been studied, which embraced the synthesis of CNTs structures on fiber substrates. By direct growth of CNTs onto fiber surface enabled the integration of high volume fraction CNTs into structure. Besides, CNTs morphology and orientation could be precisely controlled. Interfacial interaction between polymer and reinforcing element promoted the effective load transfer mechanisms benefiting either micromechanical interlocking, chemical bonding or Van der Waals bonding. The interaction between CNTs and polymer provided an increase in interfacial shear strength and contributed to the overall structure' performance under different loadings. In this thesis, a novel method to grow CNTs on polymeric nanofibrous substrates and to fabricate their thermoplastic nanoprepregs interleaved by these hierarchical nanocarpets was proposed. The growth of CNTs on polybenzimidazole (PBI) nanofibers were exploited to create conductive, strong and light weight interleaves. Nanofibers produced by electrospinning were optimized and catalysed with iron nitrate solutions containing transition metals providing carbon diffusion and solubility. As coating method to dope catalyst, immersion and dip-coating techniques were preferred. These different coating methods were assessed based on their ability to distribute transition metals onto nanofiber. The chemical vapour deposition (CVD) for the growth of CNTs was preferred due to its advantages such as; CNTs orientation control and high quality of CNTs. With the use of ethylene, helium and hydrogen gases, CNTs growth protocol was optimized. The orientation control of CNTs could be enhanced by aligned nanofibers as substrates. PBI/CNTs nanocarpets were then used as interleaves for the production of thermoplastic nanoprepregs. Thermoplastic nanoprepregs were prepared and characterized as potential interlayer element in laminated composites. The morphology, thermal stability and overall quality of CNTs were determined by SEM, TGA and Raman spectroscopy respectively. From morphological analysis, revealed that randomly oriented PBI nanofibers could not enable vertically aligned CNTs growth due to homogenously accumulated Fe+3 ions over nanofiber surface. Ig/Id ratio interpreted from Raman analysis was determined as 1 which referred as successful production of high quality CNTs grown onto nanofiber. The electrical conductivity of PBI/CNTs nanocarpets was calculated by 4 point probe conductivity instrument. Conductivity values of randomly oriented and aligned PBI/CNTs nanocarpets were 1.56±0.6 S/cm and 1.2±0.5 S/cm, respectively. The difference in the conductivity could be attributed to the reduced contact resistance between carbon nanotubes and well intersected CNTs network. The tensile performance of PBI/CNTs/PES nanoprepregs showed that tensile strength of PBI/CNTs/PES nanoprepregs was 412±13 MPa, where PBI/PES nanoprepregs had a tensile strength of 348±5 MPa. With the addition of CNTs onto nanofiber, tensile strength of nanoprepregs was enhanced by 18%. The reason behind this increase was mechanical interlocking and good load transfer between CNTs and PES resin.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    492655

    Karbon nanotüp takviyeli bakır matrisli kompozitlerin yeni bir karıştırma tekniği ile üretilmesi ve karakterizasyonu

    Production of carbon nanotube reinforced copper matrix composites with a novel mixing technique and characterization

    CANER BULUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine MühendisliğiBingöl Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZGÜN

  2. Tez No

    766455

    Üç boyutlu yazıcılar için karbon nanotüp takviyeli nanokompozit filamentlerin üretilmesi

    Production of carbon nanotube reinforced nanocomposite filaments for 3-D printers

    SERHAT ORAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova Üniversitesi

    Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ATİLLA TAŞDELEN

  3. Tez No

    793181

    Eriyik yığma modellemede kullanılan karbon nanotüp takviyeli polimerlerin üretimi, mekanik ve aşınma davranışlarının karakterizasyonu ve modellenmesi

    Manufacturing of carbon nanotube reinforced polymers used in fused deposition modelling, characterization and modelling of mechanical and wear behaviors

    KAMİL FERATOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İLYAS İSTİF

  4. Tez No

    654479

    Karbon nanotüp takviyeli Fe esaslı nanokompozitlerin yüksek enerjili bilyeli değirmenler ile üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of carbon nanotube reinforced Fe based nanocomposites by high energy ball milling

    İSMAİL EMRE CANBOLAT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Makine MühendisliğiNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HASAN KOTAN

    DOÇ. DR. AYTEKİN UZUNOĞLU

  5. Tez No

    762338

    Karbon nanotüplerle güçlendirilmiş kompozit aluminyum köpük malzeme üretimi, malzeme özelliklerinin analizi, otomotiv ve uçak sanayinde uygulama alanlarının değerlendirilmesi.

    Manufacturing of carbon nanotube reinforced aluminium foam composite materials and analysis of material properties and application possibilities in automotive and aerospace industry

    ONUR OZAN ÇİLSAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA CEMAL ÇAKIR

Geri Dön