Synergistic effect of nanoparticles in three-dimensional network of carbon-based quantum dots on mechanical properties of polyurethane hybrid nanocomposite foams
Üç boyutlu karbon kaynaklı kuantum nokta ağında nanoparçacıkların poliüretan hibrit nanokompozitlerin mekanik özellikleri üzerinde sinerjik etkisi
- Tez No: 694028
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Sürdürülebilirliğe dair farkındalığın artmasıyla malzeme biliminde enerjinin ve kaynakların verimli kullanımına verilen önem gittikçe artmaktadır. Enerji tasarrufundaki en önemli etkenlerden biri malzeme hafifliği olduğundan motorlu araçların gövde takviyeleri gibi uygulama alanlarında polimerler tercih edilmektedir. Ancak polimerler mekanik ve termal dayanım açısından yetersiz olduğundan uygulama alanını genişletmek ya da ihtiyaca hitap eden gelişmeler sağlamak için polimer nanokompozitlere olan ihtiyaç artmıştır. Karbon nanotüpler (KNT) ve grafen nanoplakalar (GNP) gibi nanoparçacıkların yüksek en-boy oranına sahip olması moleküller arasında van der Waals etkileşimlerinin artmasına sebep olmaktadır. Van der Waals etkileşimlerinin bir türü olan π-π etkileşimleri özellikle nanoparçacıklar arasında sık rastlanılan bir etkileşim türüdür. Bu etkileşimler parçacıkların eş parçacıklarla etkileşime girerek yığılmaların oluşmasına sebep olabilmektedir. Bu durum, polimer matrisin nanotakviyelerle desteklenmesi amacıyla üretilen nanokompozitlerin tasarımında önemli bir etken yaratmaktadır. Belirli bir kütlesel yüzdeye ulaşana kadar malzemeye olumlu etki yapan nanotakviyeler limit miktara ulaştıklarında çatlak niteliğindeki yığılmalar meydana gelmektedir. Polimer hibrit nanokompozitler nano-takviyelerin birikmesinin önüne geçerek bu yığıntıların yarattığı limitleri kaldırıp, yüksek oranlarda geliştirilmiş malzemelerin üretilmesini mümkün kıldığından umut vaat eden bir polimer nanokompozit türüdür. Nanoparçacıkların hibrit kullanımıyla polimer matris içerisinde daha homojen bir dağılım sağlayarak hem matris içinde gerilim dağılımı sağlanması hem de yüzey alanlarının arttırılmasıyla nanoparçacık-matris etkileşimlerinin arttırılması amaçlanmaktadır. Karbon kuantum noktaların (KKN) optik özelliklerinin yanında sıfır boyutlu olmaları nanokompozitler üzerine etkilerinin incelenmesini motive etmektedir. Özellikle hibrit nanokompozitlerde çapraz bağların gerçekleşmesi için uygun noktalar niteliğinde olduklarından yığılma gibi sorunları azaltabilecekleri fark edilmiştir. Bu çalışmada iki boyutlu (2B) GNPler ve bir boyutlu (1B) çok duvarlı karbon nanotüpler (ÇDKN) arasındaki çapraz bağ noktalarında artışa sebep olan sıfır boyutlu (0D) KKNler yardımıyla üç boyutlu (3B) nano-yapılar oluşturulması amaçlanmıştır. KKNlerin ÇDKNler ve GNPler arasındaki çapraz bağ noktalarını arttırarak nanoparçacık ağını desteklemesine ek olarak bu parçacıkların yüzeylerine yerleşerek poliüretan (PU) matris ile etkileşim alanlarını arttırması amaçlanmıştır. Hedeflenen geometrilerin ve beklenen sonuçların açıklanmasından sonra ikinci bölümde yapılan kapsamlı araştırma raporlanmıştır. Hibrit nanokompozit tasarımı nanoparçacıkların geometrik ve kimyasal yapısına dayalı olup hala gelişmekte olduğundan literatür bilgisi yorumlama ve güncel duruma uygunluk için önem arz etmekledir. Üçüncü bölüm deney tasarımına ve kullanılan malzemelerin özelliklerine giriş ile başlar. Daha sonra, Navidfar ve Trabzon (2019) tarafından önerilen PUların tek aşamalı üretimine dayalı olan basit üretim prosedürü açıklanır ve süregelen çalışmada yapılan geliştirmelerden bahsedilir. Araştırmada kullanılan rijit PU yüksek yoğunluklu ve yalıtkan bir malzeme olduğundan sık kullanılan bir yapı ve yalıtım malzemesidir. Tek adımlı üretim yöntemi malzeme özelliklerinin geliştirilmesine olanak sağladığından rijit PU köpükler ses ve darbe sönümleme uygulamalarında da sıklıkla tercih edilen bir malzemedir. Dolayısıyla mekanik ve termal özellikleri geliştirilmiş hibrit PU nanokompozit köpük araba iskeleti gibi hafiflik, dayanım ve sönümleme gerektiren uygulama alanlarında fayda sağlayacaktır. Kullanılan nanoparçacıkların kolay üretilebilir ve ucuz olması kullanılabilirliği desteklemektedir. Diğer yandan, PU üretiminde kullanılması gereken izosiyanat aşırı toksik bir malzeme olduğundan biyolojik alternatiflere yönelmek gelecek çalışmalar için uygun bir tercih olabilir. Bu çalışmada kapalı kalıpta üretim yapılıp, tornalama işlemi çıkarıldığından hem malzemeden tasarruf edilmiş, hem üretim hızlanmış, hem de toksik madde soluma riski azaltılmıştır. Önceki çalışmada elde edilen en yüksek dayanımın sağlandığı nanoparçacık konsantrasyonu sabit alınarak dört farklı nanoparçacığa dayalı hibrit PU nanokompozit köpükler sentezlenmiştir. Bu işlem poliol içerisine nanoparçacıkların mikser ve ultrason banyosu ile toplamda 15 dakika karıştırılmasını takip eden izosiyanatın eklenip 20 saniye karıştırılması ve kapalı kalıpta köpüklenme işleminin 15 dakika sağlanmasından oluşmaktadır. Daha sonra kalıplanmış malzemeler CNC kesme tezgahında çekme deneyine uygun hale getirilmiştir. Araştırmayı sonlandırmak için çekme deneyi, Shore 0 sertlik ölçümü ve karakterizasyon sonuçları dördüncü bölümde açıklanmıştır. Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve X-ışını fotoelektron spektrokopisi (XPS); geçirimli electron mikroskopu (TEM) ve termogravimetrik analiz (TGA) yapılarak üretilen malzemelerin sırasıyla kimyasal yapı, morfoloji ve termal karakterleri incelenmiştir. Elde edilen mekanik özellikler nanokompozitlerin düşük konsantrasyonlarda bile yüksek geliştirmelere imkan tanıdığını gösterirken KNT-KKN hibritlerinin yüksek dayanımı bu parçacıklar arasındaki sinerjiye işaret etmektedir. Diğer yandan KNT-GNP-KKN hibritleri de tatmin edici gelişmeler göstermelerine rağmen ikili hibritten daha düşük kalmıştır. Karakterizasyon sonuçlarına göre bu durum üçlü hibritin dağılımının ikili hibrite göre daha yetersiz olduğunu göstermektedir. Ek olarak, alınan sonuçlar bu malzemelerin termal dayanımı arttırdığını gösterdiğinden termal ve akustik incelemelerin gelecek çalışmalarda faydalı olacağı sonucuna varılmıştır. Bu çalışma, Navidfar ve Trabzon'un (2019) çalışmasına devam niteliğinde olduğundan her iki araştırmada elde edilen çekme özellikleri kıyaslanmıştır. KKNlerin KNT-GNP ağını güçlendirerek ve PU matris ile elde edilen nanoparçacık ağı arasındaki yüzey alanını arttırarak daha iyi dağılıma ve dolayısıyla geliştirilmiş çekme özelliklerine sebep olduğu gözlemlenmiştir. KNT-KKN-GNP hibritlerine ait mukavemet değerlerinin saf PU köpüğün mukavemetine göre gelişimi %47 olarak hesaplanmıştır. Diğer yandan KNT-KKN hibritlerinin daha mukavim olması KKNlerin yüzey alanını arttırmaktaki etkinliğini kanıtlamaktadır ve bu hibritler çekme dayanımında %54 artışa sebep olmuştur. Sonuçlar Navidfar ve Trabzon'un çalışmasına ait en iyi sonuçlarla kıyaslandığında elde edilen geliştirmelerin KNT-KKN-GNP ve KNT-KKN hibritlerinde sırasıyla %10 ve %25 daha yüksek olduğu anlaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Polymer hybrid nanocomposites are an aspiring kind of polymer nanocomposites that enable eliminating the constraints imposed by agglomerations of nanofillers to achieve highly enhanced materials. Nanofiller inclusion allows manipulating the properties of polymers but is limited by the clusters, as mentioned earlier of nanofillers that behave analogous to cracks and devastatingly decrease the material strength. Since agglomerations occur due to the bonding between the same nanofillers, and hybridization aids in forming more complex structures of nanofillers, the desired mechanism blocks the same kind of bonding and increases the interaction surface between the fillers and matrix. This study is focused on creating three-dimensional (3D) nanostructures of two-dimensional graphene nanoplatelets (GNPs) and one-dimensional(1D) multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) with the increased number of cross-link points accompanied by zero-dimensional (0D) carbon quantum dots (CQDs). Being highly prone to forming bindings with other nano-particles, CQDs block the 2D GNP stackings and 1D MWCNT bundles and lead to increased strength. After an adequate representation of the desired geometries and expected results, extensive research is reported in the second chapter. Knowledge of literature is essential since hybrid nanocomposite design is a novel field requiring updates about advances in materials. The third chapter starts with the design of the experiment and the expression of materials used. Then, the synthesis method proposed by Navidfar and Trabzon (2019) that exploits the two-step fabrication of polyurethane foams is explained, and further improvements are mentioned. Chapter four explains the tensile testing, Shore 0 hardness measurement, and characterization results to finalize the study. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), and thermogravimetric analysis (TGA) are done to understand the chemical structure, morphology and thermal behaviour of synthesized materials. Since it is a consequent study of the study by Navidfar and Trabzon (2019), the tensile properties of synthesized materials in both studies are compared. It is observed that CQDs have empowered the CNT-GNP network to result in better dispersion and, thus, enhanced tensile behaviour. On the other hand, ternary PU hybrid nanocomposites reinforced with CNT and CQD have shown the strongest behaviour and improved 54% compared to pristine PU foam, while the result for quaternary PU hybrid nanocomposites has an increase of 47%. The characterization results go along with the tensile behaviour of these materials as it is finalized with the result of improved dispersion with CNT-CQD hybridization.
Benzer Tezler
- Fabrication and characterization of hybrid nanofiller reinforced polyurethane nanocomposites
Hibrit nanodolgu takviyeli poliüretan nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
AMIR NAVIDFAR
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Nanomaterials in macromolecular synthesis
Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı
AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- TiO2 nanopartiküllerinin yüksek karbondioksit ve sıcaklık koşullarında zebra balığı (Danio rerio, Hamilton, 1822) üzerindeki toksikolojik etkilerinin belirlenmesi
Determination of the toxicological effects of TiO2 nanoparticles on zebrafish (Danio rerio, Hamilton, 1822) under high carbon dioxide and temperature conditions
BANU ÜLKÜ ÇAKIR
- Nanoparçacık takviyeli epoksi malzemelerin teorik ve deneysel incelemesi
Theoretical and experimental investigation of nanoparticle reinforced epoxy materials
CAN DİKİCİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Understanding the mechanics of nanoreinforced polymer foam core sandwich structures with a numerical and experimental analysis
Sandviç kompozit yapılar için nano takviyeli polimer köpük dolgu yapısının deneysel ve model olarak incelenmesi
ELİF DEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ