Shape-memory semicrystalline interconnected IPNs based on various commercial rubbers
Şekil hafızalı, yarı-kristalin iç içe geçmiş ağ yapılı ticari kauçuklar
- Tez No: 710341
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ OKAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Kauçuk, Hevea brasiliensis ağacının sütümsü özsuyundan doğal halde elde edilen ya da petrol ve alkolün bileşimlerinden sentetik olarak üretilen dayanıklı bir polimerdir. Günlük yaşamda kullanımı Charles Goodyear'ın vulkanizasyon işlemini keşfetmesiyle artan kauçuk; günümüzde hammaddeden nihai ürüne kadar, başta otomotiv sektörü olmak üzere endüstriyel ürünlerde, tarım sektöründe, sağlık sektöründe ve daha birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu kadar yaygın olarak kullanılan kauçuğun, hızlı sanayileşmeyle birlikte tüketim oranının artmasına paralel olarak atık kauçuk oranını da artırmaktadır. Büyük miktarlarda tüketimi çevreye ağır bir yük getirmekte olup vulkanizasyondan dolayı sahip oldukları kimyasal bağlar kendiliğinden yok olma sürelerini oldukça uzatmaktadır. Son yıllarda giderek artan kauçuk atık miktarının önüne geçmek amacıyla, kendini onarabilen ve şekil hafıza özelliklerine sahip kauçuk üretimi oldukça popülerlik kazanmıştır. Kendi kendini iyileşme, bir malzemenin kendi başına veya ısı, çözücüler, ışık vb. dış uyaranlar altında hasarını onarabilme yeteneğidir. Bu özellik, malzemelerin kullanım ömürlerini uzatacağı ve ortamdaki mikroplastikler de dahil olmak üzere atık miktarını azaltacağı için oldukça önem taşımaktadır. Doku mühendisliği, biyomateryaller ve ilaç salım sistemlerindeki yapı iskeleleri gibi çeşitli uygulama alanlarındaki polimerler için de önemlidir. Diğer yandan şekil hafıza; geçici bir şekle programlanabilme, sıcaklık gibi dış uyaranın etkisi ile kalıcı bir şekle dönebilme yeteneğidir. Şekil hafızalı polimerler, minimal invaziv cerrahi için aktüatörler, sensörler ve implantlar olarak birincil önemlerinden dolayı büyük ilgi görmektedir. Şekil-hafıza yeteneğinin ortaya çıkması için polimer malzeme içerisinde en az iki farklı yapıda çapraz-bağ bulunmalıdır. Bunlardan biri kimyasal çapraz bağlar olup kalıcı şekli belirlerken, camsı ve kristal alanlar da şekil hafızalı malzemelerin geçici şeklini sabitlemek için anahtar bölümleri olarak hizmet etmektedir. Geçtiğimiz yıl yapılan çalışmalar sonucunda, alkil kristallerinin oluşturduğu tersinir çapraz bağlar yardımıyla mekanik dayanımı yüksek, kendini onarma ve şekil hafıza özelliklerine sahip, iç içe geçmiş ağ yapılı (IPN) bütil kauçuk esaslı malzemeler araştırma grubumuzda elde edilmiştir. Optimum şartlarla kendini-onaran, şekil-hafızalı, mekanik dayanımı yüksek butil kauçuk esaslı IPN eldesinden sonra başlatılan bu çalışma kapsamında aynı yöntemler doğal kauçuk, cis-polibutadien ve stiren-bütadien kauçuklara da uygulanmıştır. Bu tez kapsamında, değişen oranlarda stiren-butadien kauçuk (SBR), cis-bütadien kauçuk (CBR) ve doğal kauçuklar (NR) ile n-oktadesil akrilat (C18A) monomerinin Irgacure 2959 UV başlatıcısı varlığında UV polimerizasyonu sonucunda bir seri iç içe geçmiş ağ yapılı (IPN) kauçuk bazlı malzemeler elde edilmiştir. Tezin amacı, ticari kauçuğun doymamışlık derecesinin IPN'lerin termal ve mekanik özelliklerini ve akıllı işlevlerini nasıl etkilediğini anlamaktır. Elde edilen IPN kauçukların mekanik ve termal ölçümleri sonucunda yüksek mekanik dayanıma ve şekil hafıza özelliğine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Kauçuğun doymamışlık derecesinin arttırılması, ortaya çıkan IPN'lerin kimyasal çapraz bağ yoğunluğunu arttırmış ve mekanik özelliklerini önemli ölçüde iyileştirmiştir. Yüksek mekanik dayanıma sahip IPN'ler, Young modülü ve tokluğu, kauçuğun miktarı ve türü değiştirilerek sırasıyla 8,3-73 MPa ve 1,9-23 MJ·m-3 aralığında değiştirilebilmektedir. IPN'lerin morfolojileri geçirgenlik elektron mikroskopisi (TEM) yardımıyla incelenmiş ve kristalin PC18A segmentlerinden ibaret sürekli bir faz içerisinde dağılmış 64 nm çapında amorf poli(C18A) ve kauçuktan oluşan nanoparçacıklardan oluştuğu saptanmıştır. Kauçukların miktarına ve tipine göre ayarlanabilen erime sıcaklıkları Tm 45-50 °C, kristallenme sıcaklıkları Tcry ise 35-40 °C arasında değişim göstermektedir. Tüm IPN'ler, sıcaklık Tm ve Tcry'nin altında ve üstünde değiştirildiğinde, viskoelastik ve mekanik özelliklerinde önemli bir sıcaklık duyarlılığı sergilemektedir. Ayrıca, düşük sertlikte (kPa seviyesi) Tm'nin üzerindeki IPN'lerin, yüksek sertlikte (MPa seviyesi) Tm'nin altındakilerden daha elastik bir karakter sergilemesiyle ilginç bir davranış gözlemlenmiştir. Diğer yandan mekanik ve viskoelastik özellikleri sıcaklığa bağlı olarak incelendiğinde büyük değişim gözlemlenmiştir. Örneğin, %20 kauçuk içeren bir IPN örneği ısıtma soğutma çevrimine tabi tutulduğunda 25oC'de depolama modülü G' 10 MPa iken 65oC'de 76 kPa'a düşmekte olup bu değişim tamamen tersinirdir. İki sıcaklık arasında yaklaşık 132 kat değişim, sıcaklık artışıyla kristalin bölgelerin erimesi ve depolama modülünün düşmesinin bir sonucudur. Yapıdaki kristalin bölge varlığı, şekil hafıza özelliğinin ortaya çıkmasını sağlamaktadır. Sıcaklık artışıyla geçici şekle programlanabilen malzeme, sıcak düşüşüyle geçici şekle sabitlenmekte ve sıcaklığın yeniden arttırılmasıyla kalıcı şekline kolayca geri dönebilmektedir. Bu tez kapsamında, IPN'lerin kendi kendini iyileştirme kabiliyeti, artan kimyasal çapraz bağ sayısı nedeniyle IIR'nin diğer kauçuklarla değiştirilmesiyle ortadan kalksa da, termo-tepki veren bir yumuşak robotik kavrayıcı olarak kullanım için gösterildiği gibi, hepsi güçlü bir şekil hafızası işlevi sergilemektedir.
Özet (Çeviri)
Rubber is a long-lasting polymer that can be generated naturally from the milky sap of the Hevea brasiliensis tree or synthesized from petroleum and alcohol. Rubber whose application in daily life increased with Charles Goodyear's discovery of the vulcanization process; nowadays, it is widely utilized in industrial products, particularly in the automotive industry, agriculture, health care, and a variety of other fields, from raw materials to finished products. With the growing industrialization, the consumption rate of rubber increases, as does the rate of waste rubber. Their large-scale usage has a negative impact on the environment, and their chemical bonds, which have been vulcanized, significantly extend their self-destruct time. Rubber with self-healing and shape memory properties has gained popularity in recent years to prevent it from becoming waste after use. Self-healing materials can heal and recover their original properties after being damaged by thermal, mechanical, physical, or other methods. On the other hand, shape memory is the ability to be programmed into a temporary shape and afterward return to a permanent shape when external stimuli such as temperature are applied. There should be at least two different cross-links in the polymer matrix for the shape-memory ability to appear. Self-healing and shape-memory polymers are appealing materials for a wide range of applications, including implants, actuators, sensors, superconducting devices, smart medical devices, and flexible electronics, because of their unique properties. Moreover, in recent years, developing similar smart features in commercially accessible and frequently used rubbers has received a lot of attention. Within the scope of this thesis, a series of IPNs have been obtained by UV polymerization of n-octadecyl acrylate (C18A) monomer using Irgacure 2959 UV initiator in the presence of varying proportions of styrene-butadiene rubber (SBR), cis-butadiene rubber (CBR), and two different types of natural rubbers (NR), together with butyl rubber (IIR) as a reference. The aim of this thesis is to understand how the degree of unsaturation of commercial rubber affects the thermal and mechanical properties and intelligent functions of IPNs. After examining the properties of IPNs prepared using IIR rubber, natural rubber, cis-polybutadiene, and styrene-butadiene rubbers were used in the IPN preparation. As a result of the mechanical and thermal measurements of the obtained IPNs, it has been observed that they all have high mechanical strength and exhibit shape memory properties. Increasing the degree of unsaturation of the rubber increased the chemical crosslink density of the generated IPNs and significantly improved their mechanical properties. The melting temperatures Tm, which can be modified depending on the amount and kind of rubbers used, range from 45 to 50 oC, while the crystallization temperatures Tcry range from 35 to 40 oC. All IPNs exhibit significant temperature sensitivity in their viscoelastic and mechanical properties when the temperature is varied above and below Tm and Tcry. The shape memory feature is facilitated by the existence of a crystalline area in the structure. The IPN material presented here can be programmed into a temporary shape with an increase in temperature above Tm followed by a decrease in temperature below Tm to fix the temporary shape, while it can simply return to the permanent shape by increasing the temperature again. In this thesis, although the self-healing ability of IPNs is disappeared by replacing IIR with other rubbers due to the increased number of chemical crosslinks, they all exhibit a strong shape memory function, as demonstrated for use as a thermo-responsive soft robotic gripper.
Benzer Tezler
- Semi-crystalline hydrogels with shape-memory and self- healing functions
Şekil-hafızalı ve kendi-kendini onarabilen semi-kristalin hidrojeller
ÇİĞDEM BİLİCİ
- Design of biocompatible hydrogels with regions of different chemical and mechanical properties
Farklı kimyasal ve mekanik özellikte bölgeler içeren biyouyumlu hidrojel tasarımları
ASLIHAN ARĞUN
- Isı ve elektrikle tetiklenebilen şekil hafızalı SEBs-G-MA/ PCL/ grafen polimer kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of thermally and electrically triggered shape memory SEBs-G-MA/ PCL/ graphene polymer composites
SALİH ASKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE TEKAY
- Farklı ısıl işlem sıcaklıklarının ve deformasyonun NiTi alaşımlarında geçiş sıcaklığına etkilerinin araştırılması
Investigation of the effects of different heat treatment temperatures and deformation on transition temperature in NiTi alloys
SEVGİ BİLGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiGazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT BOSTAN
- Nitinol enjeksiyon iğnesinin yumuşak doku üzerindeki davranışı
Behavior of nitinol injection needle on soft tissue
DEREN AKSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİRGÜL AŞÇIOĞLU TEMİZTAŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERNA BOLAT
