The effect of production parameters on the properties of continuous graphene oxide fibers
Üretim parametrelerinin sürekli grafen lif özellikleri üzerine etkisi
- Tez No: 517231
- Danışmanlar: PROF. DR. HACER AYŞEN ÖNEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- 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: 83
Özet
Lifler, çapının veya genişliğinin en az 100 katı uzunluğa sahip olan ve doğal bazlı veya üretilmiş olabilen bir malzemedir. Lifler, doğal ve sentetik elyaf olarak iki genel kategoriye ayrılır. Doğal lifler kökenine göre bitki, hayvan veya mineral bazlı olarak sınıflandırılabilir. Bitki bazlı lifler doğada kaybolabilme özelliğinden dolayı çevre dostudur. Hayvansal liflerden en çok kullanılanları ipek ve yündür. Bu sınıfa giren lifler tekstil sektöründe oldukça yoğun kullanılabilmektedir. Mineral liflere de asbest örnek verilebilir. Sentetik lifler, organik ve inorganik hammaddelerden kimyasal işlemlerle üretilir. Ayrıca bu lifler selüloz gibi doğal liflerin işlenmesi ile de üretilebilir. En çok kullanılan sentetik liflere örnek olarak polietilen, polipropilen, naylon verilebilir. Lifler fiziksel, mekanik ve kimyasal özellikleri ile karakterize edilebilir. Fiziksel özellikleri açısından değerlendirildiğinde liflerin L/D oranları önem taşımaktadır. Özelliklerine göre lifler farklı eğirme teknikleri ile üretilebilir. Eriyik eğirme yöntemi, ıslak eğirme yöntemi, kuru çekim yöntemi, kuru-jet çekim yöntemi, jel çekim yöntemi, faz ayrımı yöntemi, reaksiyon eğirme yöntemi, electrospinning yöntemi ayrı ayrı açıklanmış, avantaj ve dezavantajlarına değinilmiştir. En çok kullanulan yöntemler çalışmada listelenmiştir. Bu çalışmada ıslak eğirme yöntemi esas alınmıştır. Karbon ve karbon bazlı malzemeler doğada önemli bir rol oynamaktadır. Elektriksel özellikleri, kimyasal yapıları ve ısıl özellikleri bakımından karbon bazlı ürünler araştırmacılar tarafndan oldukça detaylı incelenmiştir. Grafen de karbon bazlı malzemeler ailesinin bir üyesidir. Günümüzde grafen çoğu araştırmacı tarafından ele alınan, oldukça geniş kullanım alanına sahip bir materyaldir. Araştırmalarda bu denli yoğun kullanılmasının başlıca nedenleri arasında; kolay işlenebilirliği ve düşük maliyeti ile birlikte yüksek verime sahip olması yer almaktadır. Grafen bu üstün özellikleri sayesinde pillerde, süperkapasitörlerde, yakıt hücreleri gibi enerji uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamaların yanı sıra; biyolojik uygulamalarda, kompozitlerde, optik uygulamalarda da kullanımı mevcuttur. Grafenin kolay işlenebilme özelliğinden yararlanılarak lif üretimi gerçekleştirilmiştir. Grafen ilk olarak 2004 yılında elde edilmiştir. Elde edilmesi sırasında özel ekipmana ihtiyaç duyulmamıştır. Yapışkan bantın grafit yüzeyinden çekilmesi işlemi ile tek tabaka grafen elde edilebilmiştir. Çok tabakalı grafen eldesi için ise işlem tekrarlanmıştır. Bu işlemin kesikli ve küçük ölçekli olması sebebiyle grafen elde etmek için farklı yöntemler denenmiştir. Bunlar arasında en önemlileri sıvı faz eksfoliasyonu yöntemi ve grafen oksitin indirgenmesi yöntemidir. Geliştirilen bu yöntemlerle büyük ölçekli üretimlere olanak sağlanmıştır. Grafen, grafitin tek tabakalı hali olarak tanımlanabilir. 2 boyutlu (2D) bir petek yapısının görünüşüne sahiptir ve yapısında sp2-bağlı karbon atomlarını ihtiva eder. Grafitten direkt olarak veya grafen oksidin indirgenmesi yolu ile elde edilebilir. Grafen oksit, grafitin Brodie, Hummers veya Staudenmaier gibi farklı yöntemlerle oksitlenmesiyle elde edilir. Bu yöntemler arasında en yaygı yöntemlerden biri Hummers yöntemidir ve bu çalışmada da Hummers yöntemi esas alınmıştır. Eksfoliye olmuş grafen oksit tabakaları, yüksek oranda oksitlenir ve yapısında bulunan epoksi, hidroksi ve karboksilik gruplar sayesinde karakterize edilebilir. Tez konusu olan çalışma temelde üç aşamadan oluşmaktadır. Öncelikle termal olarak ekfoliasyon işlemi uygulanmaktadır. Isıl işlem uygulamasının sonrasında Hummers yöntemi esas alınarak kimyasal işlem yapılmıştır. En son da ıslak eğirme yöntemi kullanılarak lif eldesi sağlanmıştır. Islak eğirme sırasında farklı banyolar kullanılmuştır. Üç temel işlem sırasında değiştirilen süreç değişkenlerinin grafen oksit liflerinin son özellikleri üzerine etkileri incelenip yorumlanmıştır. Eksfoliasyon süresi, sıcaklığı, ultrasonifikasyon uygulaması eklenmesi ve aktif karbon katkılanması gibi yöntemlerle parametreler değiştirilmiştir. Elde edilen liflerin yüzey özellikleri, mukavemetleri, kristal yapıları ayrı ayrı kıyaslanarak yorumlanmıştır. Öncelikle SEM görüntüleri alınan numunelerin yüzey özellikleri hakkına fikir sahibi olunmuştur. Yüzey özellikleri ayrıca AFM analizi ile de yorumlanmış ve iki analizin sonuçları kıyaslanarak değerlendirirlmiştir. Mekanik özelliklerin belirlenmesi ve kıyaslanması için mukavemet değerleri listelenmiştir. Analizler sonucunad en mukavim referanslı ürün belirlenip aktif karbon ilavesi bu numuneye yapılmuştır. Üretim parametrelerinden homojenizasyon aşaması sırasında farklı homojenizasyon teknikleri kullanılmıştır. Mekanik homojenizasyon ve ultrasonik homojenizasyon teknikleri ayrı ayrı numunelere uygulanmıştır. Ultrasonik homojenizasyon işleminin son ürün üzerine etkilerinin incelenmesinde ultrasonikasyon süresi de hesaba katılmıştır ve farklı sürelerde işlem tekrarlanmıştır. Eksfoliasyon süresinin artması, lifin Tex sayısında bir artışa neden olurken, daha uzun sürede ultrasonikasyon uygulaması, daha kısa ultrason süresi ve mekanik homojenizasyona kıyasla daha düşük bir Tex değeri elde edilmesine neden olmuştur. Daha kısa süreli ultrasonikasyon uygulamasının ve daha kısa eksfoliasyon süresinin, mekanik homojenizasyona kıyasla daha yüksek elektrik iletkenliğine yol açtığı gözlemlenmiştir. Ayrıca aktif karbon ilavesinin de lif üzerine etkileri incelenmiş ve aktif karbonun grafen lifi yüzey görünümünü pürüzlü ve gözenekli hale getirdiği gözlemlenmiştir. Aktif karbon katkınlanması elektrik iletkenliği üzerine etki etmezken, mekanik özellikleri oldukça olumsuz ektilediği görülmektedir. Mekanik özelliklerin yanısıra liflerin karbon ve oksijen yüzdeleri analiz yöntemleri ile belirlenmiştir. Bu analize göre ultrasonikasyon işleminin uzun süreli yapıldığı zaman bazı zayıf bağları kırdığı ve kırılan bu zayıf bağların yarattığı boşluklara serbest oksijenin bağlandığı ve C/O oranında düşme yaşandığı gözlemlenmektedir. XRD analizi kullanılarak liflerin kristal yapıları incelenmiştir. Kristal yapılarındaki değişiklikler diğer analiz yöntemleri ile kıyaslanarak yorumlanmıştır. Tüm analiz yöntemleri ve numune özellikleri bir arada düşünülerek ileriki çalışmalarda izlenecek yol bu sonuçlara göre belirlenmiştir. Bu çalışmanın ışığında, ileriki çalışmalarda lif mukavemetinin arttırılması adına en uygun parametreler seçilecek ve uygulama alanına bağlı olarak kullanıma sunulacaktır. Uygulama alanına göre son ürün özellikleri incelenecek vee n uygun özelliklere sahip olan numune referansı belirlenerek çalışmalara ışık tutulacaktır. Yapılan tüm çalışmalar sonucunda üretimi yapılan grafen oksit lifleri yüzey adsorpsiyon çalışmaları, iletken lif çalışmaları, sensor ve enerji uygulamaları gibi bir çok uygulamada kullanılabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Graphene is carbon-based material that has promising properties for different applications in energy, catalysts, radar absorber, sensor, etc. Due to its fascinating facilities, this material has been studied by many researchers. By these knowledges, continuous graphene fibres have been fabricated by wet-spinning method and co-coagulants processes have been employed respectively. Because of the excellent properties such as mechanical, thermal, chemical, electrical and economical properties it can be used for low cost production, easy processing with high yield. Graphene (G) is the material which is type of graphite with single layer. Visual properties of G is different from other carbon based materials. It has a 2-dimensional (2D) honeycomb structure and has sp2- bonded carbon atoms in its structure. There are several methods to obtain graphene. It can be directly obtained from graphite or may be obtained from reduction of graphene oxide (GO). Graphene oxide is obtained by the oxidation of graphite by different methods such as Brodie, Hummers or Staudenmaier. Among these, the most common method is Hummers method. The exfoliated GO sheets are highly oxidized and featured with the residual epoxides, hydroxides and carboxylic acid groups on their surfaces. This study reports the effect of processing parameters such as time, temperature of the exfoliation together with dispersion preparation methods of graphene oxide on the properties of continuous graphene oxide fibers produced by coagulation bath. Relationship between changing parameters and structural properties of graphene oxide fiber, fiber morphology, roughness, crystalline structure have been discussed. Higher exfoliation time leads to an increase in Tex count of fiber, while longer ultrasonic times resulted in lower tex count compared to both shorter ultrasound time and mechanical homogenization. Shorter ultrasonication period and shorter exfoliation time leads to higher electrical conductivity compared to mechanical homogenization. Shorter ultrasonication period results in slight tendency of an increase in breaking strength. Besides, the effect of exfoliation time and presence of activated carbon particle (AC) on graphene oxide fiber's properties has been analyzed. It has been seen that cross-sectional appearance of sample with AC is grating and rough because of AC. The addition of AC did not change the electrical conductivity. However, AC results in an enormous decrease in the mechanical properties. In the light of this study, optimal conditions for producing continuous graphene oxide fibers can be determined. This study can take an important role for further researches.
Benzer Tezler
- Petrol ve jeotermal sahalarında kalsiyum karbonat çökelmesinin modellenmesi
Başlık çevirisi yok
ZÜLEYHA UĞUR
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Petrol ve Doğal Gaz Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. ABDURRAHMAN SATMAN
- Elektrokimyasal yöntemle titanyum ve titanyum alaşımlarının borlanması ve karakterizasyonu
Electrochemical boronizing and characterization of titanium and titanium alloys
AYŞE AYPAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
PROF. DR. İ. SERVET TİMUR
- Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi ile tufalden demir esaslı kompozit (Mo2FeB2-Fe) üretimi
Production of iron based composite (Mo2FeB2-Fe) from scale by self propagating high temperature synthesis
BUSE YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
- Parçacık takviyeli karma malzemelerdeki artık gerilmelerin sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
The finite elements analysis of the thermal residual stresses in the particulate reinforced metal matrix composites
ALİ CANSUN
- Hava-jetli tekstüre işleminde hacimlilik (bulk) incelemesi
Bulkiness of air-jet textured yarns
ARZU GÖNENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR