Geri Dön

Polyacrylonitrile based nanofibers with conductive polymers and their stabilization

İletken polimerler içeren poliakrilonitril tabanlı nanolifler ve stabilizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 546878
  2. Yazar: EZGİ İŞMAR ŞİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Geçmişten günümüze malzemeler toplulukların gelişiminde her zaman çok önemli bir yer edinmiştir. Bunun en iyi göstergelerinden biri tarih öncesi çağların malzeme isimleri ile anılmasıdır. (Taş çağı, Bronz çağı ve Demir çağı gibi) Bu sayede malzemelerin kullanıldıkları dönem için ne kadar büyük bir önem taşıdığını anlamaktayız. Günümüzün teknolojik gelişmelerine baktığımızda kompozit malzemelerin özgün özelliklerinden ötürü çok önemli bir yer kazandığını görmekteyiz. Kompozit malzemeler aynı ürün içinde birleştirilmiş bir çok farklı malzeme özelliğini barındırmaktadır. Tasarlanmış nano malzemelerdeki gelişmelerden dolayı günümüz artık nano çağı olarak anılmaktadır. Bu da beraberinde geliştirilmiş polimerik malzemeler ile nano malzemelerin birlikte kullanılmasına imkan sağlamaktadır. Malzemelerin gelişmesi her zaman için medeniyetlerin gelişmesi ile ilişkili bir gelişme göstermektedir. Endüstri devriminden sonra malzeme tabanlı teknolojiler dikkat çekmeye başlamıştır. Polimerik malzemeler kullanım yerlerine göre günlük hayatımızda çok önemli yer tutmaktadır. Gelişen teknolojiler nanomalzemelerden ayrı olarak düşünülemez. Nano boyuttaki malzemeler makro boyuttaki yapılarından çok daha farklı özellikler göstermektedir. Artan yüzey alanı, yüzey reaktivitesi ve enerji özelliklerinden ötürü malzeme nano boyuta geldiğinde farklı özellikleri oluşmaktadır. Karbon tabanlı nanomalzemeler ve iletken polimerik malzemeler biyosensörlerden havacılık alanına kadar bir çok uygulama alanında kullanılabilmektedir. Polimerler metaller ile karşılaştırıldığında daha hafif ve esnek oldukları için iletkenlik özellik kazanması ile sentetik metal olarak anılmaktadır. Bu özellikleri sentetik polimerlerin birçok alanda tercih edilmesine sebep olmaktadır. Hafifliğin ve esnekliğin önem taşıdığı alanlarda iletkenlik özelliği taşıyan polimerler tercih edilmektedir. Yalıtkan özelliğe sahip polimer malzemelere farklı yöntemler uygulanarak elektrik ve termal iletkenlik özelliği kazandırılabilir. Bu başlıca şu şekilde sınıflandırılabilir. Polimer tabanlı malzemenin (poliakrilontril, polivinilalkol vb.) yüksek sıcaklıkta oksidasyonu sonucunda karbonlaştırılması ve/veya grafitik faza geçilmesi ile sağlanabilir. Böylece karbon tabanlı iletkenlik özelliğe sahip malzemler elde edilmiş olur. Diğer bir yöntem ise metalik özellikte nanometaller veya metal parçalar, karbon nanotüpler, karbon tozları ile yapıyı zenginleştirmektir. Düşük miktardaki iletken parçacığın polimer ile karıştırılması sonucunda iletken polimerik malzemeler elde edilebilir. Bu yöntemde topaklanmanın önlenmesi ve düşük miktarda beslenen iletken malzemenin iyi dağıtılması büyük önem taşımaktadır. Diğer bir yöntem ise kendiliğinden iletken yapıya sahip iletken polimerlerin kullanılmasdır. Band aralığı seviyesi en yüksek dolu moleküler orbital seviyesi en düşük boş moleküler orbital seviyesi metallerde üst üste biniş durumdadır. Yarı iletkenlerde band aralığı mesafesi birbirine yalıtkan malzemelere oranla daha yakındır. Ancak yinede metallerdeki gibi bu bantların üst üste binme durumu söz konusu değildir. En yüksek dolu moleküler orbitalden elektron en düşük boş moleküler orbitale geçerek iletkenliği sağlar. Kendiliğinden iletken yapıya sahip polimerlerde ise iletkenlik polimer zincirinin iskeletindeki devam eden (konjuge) bağlar ile sağlanır. Nano boyutta yaygın uygulama alanına sahip olarak nanolifler bir çok uygulama alanında yer almaktadır. Çok çeşitli polimerler ve/veya bunların inorganik malzemeler ile bileşimlerinde yaygın bir yöntem olan elektroeğirme yöntemi ile mikron boyutun altında ve/veya nanoboyutta lifler yüzey formu(mat) oluşturacak şekilde elde edilebilmektedir. Bu üretim esnasında en belirleyici koşullar çözelti özellikleri viskozitesi, iletkenliği vb., ortam koşulları nem, sıcaklık değerleri ve üretim koşulları uygulanan elektrik potansiyeli, besleme hızı vb. gibi etkenlerdir ve bunlar üretilen nanoliflerin özelliklerine doğrudan etki etmektedir. Elektroeğirme sonucunda elde edilen nanoliflerden oluşan yüzeyler biyolojik uygulamalardan enerji uygulamalarına kadar bir çok alanda verimli bir şekilde kullanılabilir. Bu malzemelerin ortak ve en büyük özelliği çok düşük kütlelerde çok geniş yüzey alanı sağlamasıdır. Artan yüzey alanı kimyasal ve fiziksel adsorbsiyon başta olmak üzere ürünün özelliklerinde çok ciddi farklar yaratmaktadır. Poliakrilonitrilden elde edilen nanolif yüzeyleri karbon nanolif hammaddesi olarak kullanılabilmektedir. Konvansiyonel karbon lif üretimine benzer olarak elde edilen ham madde lif sırası ile oksidasyon ve karbonizasyon adımlarına tabi tutulur. Aynı şekilde poliakrilontiril ve/veya kopolimerlerinden veya kompozit karışımlarından elde edilen nanolif yapısı önce oksidasyon adımına daha sonra karbonizasyon adımına tabi tutularak karbon nanolif eldesi sağlanmış olur. Sıcaklık ile uygulanan oksidasyon ve karbonizasyon adımları çok kritiktir ve kontrol dışında gelişen bir dizi kimyasal reaksiyon meydana gelir. Bu adımlar çok dikkatli ve hassas olarak uygulanmalıdır. Oksidasyon adımında halkalanma ve dehidrojenasyon reaksiyonları başlıca rol almaktadır. Doğrusal poliakrilontril zinciri oksidasyon adımında halkalaşmaya başlayarak karbonizasyon adımının sonlanması ile bal peteği şekline ulaşır veya bazı yan grupların varlığı ile bal peteği şeklinde karbon atomları ağırlıklı olmak üzere meydana gelir. Bu çalışma kapsamında poliakrilontril nanolif yapılarının termal olarak oksitlenmesi detaylı olarak incelenmiştir. Daha sonra karbonizasyona tabi tutulan nanolif yüzeyleri karbonlaştırılarak farklı elektrolit varlığında süperkapasitif özellikleri detaylı şekilde elektrokimyasal olarak incelenmiştir. Genellikle literatürde benzer elektrolitlerin varlığında karbon nanoliflerin özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmada iyonik sıvılardan bazılarını da içeren dört farklı elektrolit varlığında elektrokimyasal ölçümler yapılmıştır. Ayrıca elektrokimyasal stabilite testleri de 500 döngüye kadar yapılmıştır. Stabilite testi sonucunda performans kaybı %2 ile %28 arasında elektrolit tipine bağlı olarak azalmıştır. Elde edilen spesifik kapasitans değerleri F/g cinsinden 400'ü aşkın değerlere ulaşmıştır. Bunun sonucunda üretilen karbon nanolif elektrodun süperkapasitif özelliğe sahip elektrot olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. Yine bu çalışma kapsamında ilk defa iletken polimer türevi olan p-tolilsülfonil pirol monomerinin kimyasal polimerizasyonu poliakrilontril polimeri varlığında gerçekleştirilmiştir. Polimerizasyon çalışmasının poliakrilonitril varlığında gerçekleştirilmesi iletken polimerlerin işlenebilirlik sorununu ortadan kaldırması açısından önemli bir parametredir. Poliakrilonitril elektroeğirme yöntemi ile rahatlıkla işlenebilir ve nanolif yüzeyine dönüştürülebilir. Bu sebeple bu matris varlığında yapılan kimyasal polimerizasyonun çıktısı olan kompozit iletken polimer(poliparatolilsülfonilpirol) ve poliakrilonitrilden oluşan polimer karışımı elektroeğirme yöntemi kullanılarak nanolif üretimi döner ve sabit toplayıcalar üzerinde elde edilmiş ve değişik parametreleri üzerinde çalışılmıştır. Ayrıca aynı polimerizasyon koşulları pirol monomerinin polimerizasyonu için de uygulanmış ve pirol ile p-tolilsülfonilpirol arasındaki farklar,ve yapıya etkileri incelenmiştir. Tez kapsamında ileri karakterizasyon yöntemleri detaylı bir biçimde çalışılmıştır. Morfolojik incelemeler SEM, SEM/EDX, termal özellikler DSC, TGA kullanılarak ve yapısal özellikler Raman spektroskopisi, Uv-Görünür spektroskopisi, XPS, XRD ve Elektrokimyasal empedans spektorskopisi ile karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Çalışmanın devamında kendinden katkılı olan poli(p-tolilsülfonil pirol)/poliakrilontiril kompozit nanofiberi termal oksitleme adımlarına tabi tutulmuştur. Ayrıca kontrol amaçlı, farklılıkları belirtmek için poliakrilonitril nanolifleri içinde bu adımlar takip edilmiştir. Bu çalışma kapsamında sıcaklık sabit tutularak oksidasyon uygulama süre parametresi değişken olarak uygulanmıştır ve elde edilen sonuçlar ışığında kompozit polimer ve homopolimer poliakrilonitrilin oksidasyon adımları sırasında ciddi bir fark yaratmadığı benzer şekilde oksidasyon sürecini izlediği ortaya çıkmştır. Bundan farklı olarak elektrokimyasal ölçümler sonucunda elde edilen veriler kompozit yapıdaki nanolif yüzeylerinin poliakrilonitril nanofiber yapısından çok farklı ve iyileştirilmiş sonuçlar sergilediğini göstermiştir. Poli(p-tolilsülfonil pirol)/poliakrilonitril kompozit nanoliflerinden oluşan kendi başına elektrot olarak kullanılan nanolif yüzeyleri sadece poliakrilonitrilden üretilmiş ve oksitlenmiş nanolif yüzeyler ile elektrokimyasal empedans ölçümleri sonucunda kıyaslandığında üstünlük sergilediği görülmüştür. Elektrokimyasal empedans spektroskopisinin çok hassas ve etkin bir karakterizasyon sağlamasından dolayı üretilen kompozit yapının özellikleri detaylı bir biçimde sergilenmiş ve amorf ve kristalin yapısının değişimi sonucunda ortaya çıkan tane sınırlarında (grain boundary) oluşan dirençler ölçülebilmiştir. Elde edilen çözelti direnç değerleri ve malzemeye ait direnç değerleri karşılaştırıldığında homopolimer PAN'a kıyasla iletken polimer içeren kompozit yapı yaklaşık 4 ve 8 kata kadar sırasıyla üstünlük göstermiştir. Bununla birlikte elde edilen kompozit nanofiberlerin kristalinitesi oksitlenme süresi ile ters orantı sergileyerek değerler %24'den 99'a kadar gerilemiştir. Bunun sonucunda bu süreçte düşük frekanstaki direnç değerleri (R2) artış sergilemiştir. Malzemenin tane sınırlarındaki direnç artışı oksidasyon artışı ile artış göstermiş ayrıca kristal yapısı ile ters orantı sergilemiştir.

Özet (Çeviri)

Materials have always been the building blocks of society and culture. As knowledge expanded the materials available to create the tools for human survival and improvement also expanded. The importance of materials is reflected in how we categorized various periods of early human development, including The Stone Age, The Bronze Age, and The Iron Age. Human knowledge has come a long way since these early time of simplified materials. When we look at today's technological developments, composite materials have had a huge impact due to their unique properties and various special features. The Nano age was born as a result of these incredible human developments in the engineering of nanomaterials. Not only their neat forms but also their cooperation with the previously improved polymeric matrices take attention and have a pivotal role in material science. Development of materials always plays a key role in the advancement of society. After the industrial revolution, material-based technologies received ever greater attention. Nanotechnology now has a revolutionary part in the development of the industry. Developing technologies invariably consider the use of nanomaterials. Nano size materials have different properties than their bulk forms basically because of the increased surface area, surface reactivity, and energy, due to their reduced size. Carbon-based nanomaterials and conductive polymeric materials have a variety of possible applications from biosensors to aviation. High temperature pyrolysis or graphitization causes the conversion of insulating polymers to carbonaceous polymeric-based conductive materials. Moreover, conductive polymers display a semiconducting property due to their inherently conductive nature. Another possible way to improve polymers for conductivity feature is the addition of conductive particles, metal particles, powders, metal or carbon nanoparticles to the polymeric matrix. During the study, PAN-based nanofibers were thermally oxidized and their oxidation route was investigated in detail. Also, carbonization was applied to the oxidized webs to obtain carbon nanofibers. Their capacitive behavior was examined via electrochemical impedance spectroscopy using a different type of electrolytes. Generally, in the literature, the same type of electrolytes were studied in carbon nanofibers so their effect on different electrolytes (included ionic liquids) was also examined. In this study, electrochemical stability of the web was also examined and once the 500 CV cycles capacitance values decrease between 2 to 28% according to the electrolyte. Specific capacitance values of the nanofiber web were reached to 400 F/g. Thus, all results point to fabricated CNFs being a good candidate as a supercapacitor. In this study, different approaches are applied to create electrically conductive polymeric structures. Not only chemical polymerization of the monomer on electroactive polymers is challenging but also their conversion to an end-product has its difficulties. Chemical polymerization of p-(tolylsulfonyl) pyrrole was a recently achieved method used in this study for the first time. From this standpoint, initiator couple was used instead of commonly used well-known initiators such as Ce (IV), Fe (III) or APS. In that case, Ce (IV) - pyrrole redox system was ingeniously used as an initiator system to initiate the polymerization of pTSPy. After successfully synthesized PAN-based composite polymer powder was obtained, they were used for the electrospinning process. DMF was used as an electrospinning solvent and composite polymer powder was dissolved and fed into the electrospinning unit and nanofiber web was produced. Not only pTSPy but also polymerization of pyrrole was achieved and their composite nanofibers with polyacrylonitrile were fabricated. Moreover, produced self-doped composite nanofibers were thermally oxidized and their electrical conductivity feature was examined via electrochemical impedance spectroscopy. On the other hand, PAN-based carbon nanofibers were produced and thanks to their lightweight nature super capacitive behavior were achieved and recorded via electrochemical impedance spectroscopy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    835382

    Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide

    Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler

    İLKNUR BOZKAYA GERGİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

  2. Tez No

    362595

    Elektro döndürme yöntemi ile elde edilen karbon nanolif ve karbon nanotüplerin karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi

    Characterisation and functionalization of electrospun carbon nanofibers and carbon nanotubes

    MERVE YILMAZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. FİLİZ ALTAY

  3. Tez No

    858596

    İletken polimer kompozitlerin üretimi ve iletkenlik özelliklerinin araştırılması

    Production of conductive polymer composites and investigation of conductivity properties

    DİLRUBA ZÜMER CALBAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Polimer Bilim ve TeknolojisiKırıkkale Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞEGÜL ÜLKÜ METİN

    DOÇ. DR. ZÜHTÜ ONUR PEHLİVANLI

  4. Tez No

    879069

    Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi

    Production and analysis of novel carbon structured flexible surfaces for energy storage applications

    ESRA ŞERİFE KILIÇ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  5. Tez No

    400912

    Advanced nanofiber-based lithium-ion battery cathodes

    Başlık çevirisi yok

    OZAN TOPRAKÇI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Polimer Bilim ve TeknolojisiNorth Carolina State University

    PROF. XIANGWU ZHANG

    PROF. PETER S. FEDKIW

Geri Dön