Structural, optical and mechanical properties of polyacrylamide hydrogels doped with multiwalled carbon nanotubes
Çok duvarlı karbon nanotüp katkılı poliakrilamit hidrojellerin yapısal optik ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
- Tez No: 725977
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DEMET AKTAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Karbon nanotüp, Mekanik özellikler, Optik özellikler, Poliakrilamid jelleri, Carbon nanotube, Mechanical properties, Optical properties, Polyacrylamide gels
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hidrojeller, üç boyutlu polimer zincirler ağlarından ve makromoleküller arasındaki boşluğu dolduran sudan oluşan iki veya çok bileşenli sistemlerdir. Kullanılan polimerlerin özelliklerine ve ağ bağlantılarının tipine ve yoğunluğuna bağlı olarak, dengedeki bu tür yapılar değişen miktarlarda su içerebilir; şişmiş durumda, bir hidrojel içindeki suyun kütle fraksiyonu tipik olarak polimerin kütle fraksiyonundan önemli ölçüde daha büyüktür. Öte yandan, karbon nanotüpler (KNT) son otuz yılda ortaya çıkan en ilgi çekici yeni malzemelerden biridir. KNT'ler nanometre boyutlarında içi boş karbon tüplerdir. Konfigürasyon olarak nanometre boyutlarında içi boş bir tüpe sarılmış bir grafit levhaya eşdeğer yeni bir karbon formu oluştururlar. Birkaç mikrondan birkaç nanometreye kadar değişen boyutlarda ve tek duvarlı yapıdan (TDKNT) çok duvarlı yapılara (ÇDKNT) kadar birçok karbon tabakası kalınlığında sentezlenebilir. Bu nanotüplerin benzersiz yapısı onlara elektriksel ve termal iletkenlik, mukavemet, sertlik ve tokluk gibi özellikler kazandırır. Karbon nanotüplerin mekanik özellikleri hem teorik hem de deneysel olarak kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Yapılan farklı ölçümler sonucunda, ÇDKNT'lerin en dış katmanlarının Young modülü 270 ila 950 GPa arasında değişmekte olduğu bulunmuştur. Ayrıca nanotüplerin gerilme mukavemetleri de 11 ila 63 GPa arasında değişen değerler aldığı literatürde bulunmaktadır. Bu nedenle KNT'ler ideal kompozit takviye malzemesi olarak görülmektedir. Kompozit malzeme içerisindeki KNT dispersiyonu, yüksek kaliteli nanokompozitlerin üretimi için kritik bir öneme sahiptir. Çünkü nanotüp dispersiyonunun süspansiyon kalitesi üzerinde çok büyük bir etkisi vardır. KNT'ler kolaylıkla aglomerasyon, demetleme ve dolaşma oluşturarak, kompozitlerde çok sayıda kusur bölgesi yaratırlar ve bu da kompozit malzeme içerisindeki KNT verimliliğinde bir azalma ile sonuçlanır. Mevcut tüm KNT'ler polimer matris içerisinde tutarlı bir şekilde dağıtıldığında iyi bir dispersiyon elde edilmiş olur. Teorik tahminlerden daha düşük çıkan parametreler, çoğunlukla KNT'lerin polimer matris içerisindeki zayıf dağılımından ve KNT'ler ile polimer matris arasındaki sınırlı arayüzey yük iletiminden kaynaklanmaktadır. Nanokompozitlerin mekanik özellikleri özellikle polimer matris içerisinde oluşan arayüzlerden etkilenir. Üç arayüzey yük iletim yöntemi tanımlanmıştır: mekanik kilitleme, kimyasal bağlama ve van der Waals kuvveti. Arayüz dikkatli bir şekilde oluşturulmadıkça, KNT ve polimer zincirleri arasındaki yetersiz yük transferi, arayüzey kaymasına ve düşük mekanik sertlik ve mukavemete neden olabilir. Arayüzey yük aktarımı olmadığında doğrusal olmayan çekme-gerilme davranışı beklenir. Olağanüstü elektriksel iletkenlikleri ve mekanik özellikleri nedeniyle, KNT'lerin polimer takviyesine uygulanmaları geniş çapta araştırılmaktadır. KNT'ler, hidrojellerin mekanik, elektriksel, optik vb. özelliklerini geliştirmek için güçlendirici ajanlar olarak sıklıkla kullanılır. Mükemmel elektriksel, mekanik ve termal yetenekleri nedeniyle, karbon nanomalzemeler son zamanlarda sensörlere, aktüatörlere ve bariyer teknolojilerine yaygın olarak uygulanan çeşitli hidrojellere dahil edilmiştir. KNT'leri hidrojellere entegre ederek, nanokompozit hidrojeller olarak bilinen yeni bir hidrojel sınıfı yaratılarak bu sayede son derece dayanıklı ve elektriksel olarak iletken hidrojeller üretilmiştir. Bununla birlikte, nanokompozit hidrojellerin hazırlanma prosedürü, KNT'lerin hidrofobik doğası nedeniyle son derece karmaşıktır. Bu karmaşık prosesler onların uygulama alanlarını kısıtlayabilir, hatta hidrojelin gerilme mukavemetini azaltabilir. KNT'leri hidrojel matris içerisinde daha iyi dağıtmak için hidrofobik bağlantılar ve π-π etkileşimleri üzerine çalışmalar devam etmektedir. Örneğin, PAAm hidrojeline oksitlenmiş çok duvarlı karbon nanotüpler (oxKNT'ler) eklenerek, iyi hassasiyet, olağanüstü kendini yenileme özelliği, yüksek gerilebilirlik ve mekanik mukavemete sahip iletken bir hidrojel üretildiği literatürde görülmektedir. Hidrojel ağındaki oxKNT agregasyonunu azaltmak için, jelatin zincirindeki oxCNT'ler üzerindeki karboksil grupları ve hidroksil, karboksil grupları arasında hidrojen bağı ile oxKNT'leri işlevselleştirmek için jelatin kullanılmıştır. PAAm-oxKNT hidrojeli daha sonra bir başlatıcı ve bir kimyasal çapraz bağlayıcı varlığında AAm'i serbest radikal olarak polimerize ederek oluşturulmuştur. Hidrojelin omurgası, kimyasal olarak çapraz bağlı PAAm'tir ve oxKNT'lerin, nano-geliştirme etkisiyle mekanik özellikleri başarıyla arttırılmıştır. Ayrıca oxKNT'ler, jelatin ve PAAm arasındaki fiziksel etkileşimler, hidrojelin mekanik özelliklerini geliştirmiştir. Literatürden farklı olarak bu tez çalışmamda ilk defa KNT'lerin saf PAAm hidrojelleri içerisindeki homojen dağılımları gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar yüksek kaliteli, iletken ve mekanik olarak dayanıklı yeni kompozit sistemlerin geliştirilmesi için literatür açısından oldukça önemlidir. Kompozit sistemlerde sürekli faz geçişlerine sahip çok çeşitli sistemler ve modeller, kritik üsleri ve diğer evrensel özellikleri paylaşan evrensellik sınıfında gruplandırılabilir. Sızma teorisinde, monomerlerin periyodik bir latisin köşelerine yerleştiği kabul edilir. Bu köşeleri herhangi bir anda birleştiren uçlar olan kimyasal bağlar, p olasılığı ile verilmiştir. Sonsuz kümenin oluşmaya başladığı termodinamik limitte jel noktası, sızma eşiği p_c ile tanımlanır. Birçok sızma özelliği, sızma eşiği civarında ağ yapısı ve mikroskobik ayrıntılardan bağımsız olarak ölçeklendirme yasasına uyar. Böylece, jel fraksiyonu, G(p) ve ortalama küme boyutu, S(p) için eşik değeri civarında ölçekleme yasaları elde edilir. G(p)≈(p-p_c )^β , p>p_c S(p)≈(p_c-p)^(-γ) , p<p_c Burada kritik üsler β ve γ evrenseldir. Sistemin mikroskobik detaylarından bağımsızdırlar ve sadece sistemin boyutuna bağlıdırlar. p_c değeri değişse de, sınırlı erişim etkileşimleri bile bu evrenselliği değiştiremez. Bu üslerin teorik değerleri klasik teoriye (β=γ=1) ve sızma teorisine (β=0,42 ve γ=1,8) göre farklılık gösterir. Evrenselliğin doğruluğuna ilişkin teorik açıklamalar, 1970'den beri araştırılan renormalizasyon grup yöntemleriyle sağlanmıştır. Kritik noktada, kümelerin veya dalgalanmaların ortalama uzunluğu ξ ıraksamaktadır. Bu, termal faz geçişleri için de geçerlidir. Sonuç olarak, kritik nokta yaklaştıkça, sistemin tek bir molekülden veya etkileşiminden daha uzun bir mesafe boyunca ortalaması alınır. Bunun neticesinde, ortalama uzunluk kritik noktaya yaklaştıkça moleküler özellikler daha az önemli hale gelir. Ortalama uzunluk çok kısa olduğunda, kritik üsler kritik noktadan uzakta hesaplanamaz. Çünkü evrensellik sadece ξ→∞ bölgesinde geçerlidir. Aşırı ölçeklendirmede (hyperscaling) kritik üsler boyuta bağlıdır. Bu nedenle boyutun kritik üsler üzerinde etkisi vardır. Sonuç olarak, evrensellik sınıflarında büyüklük önemli bir ölçüdür. Klasik ve Flory-Stockmayer teorisinde, kritik üsler boyuttan bağımsız olduğunda aşırı ölçeklendirme kullanılmaz. Aynı boyuttaki farklı latis yapıları, son derece küçük hatalarla aynı kritik üsleri verdiğinden, latis yapıları evrensellik sınıflandırmasında etkili bir parametre değildir. Kritik üsler, klasik teoride monomer fonksiyonel grubundan (f) ve boyuttan bağımsızdır ve periyodik latis yoktur. Sonuçta, üsler sistemin mikroskobik özelliklerinden etkilenmez. Bu tez çalışmasında, çok duvarlı karbon nanotüpler (ÇDKNT'ler) ile katkılı homojen iyi dağılmış poliakrilamid (PAAm) hidrojelleri, agregasyon olmadan oda sıcaklığında serbest radikal çapraz bağlama kopolimerizasyonu ile sentezlendi. PAAm hidrojellerindeki ÇDKNT'lerin homojen dağılımları, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak izlendi. Farklı ÇDKNT içerikleri ile katkılı hidrojellerin absorbanslarındaki değişim UV-Vis spektroskopisi kullanılarak gözlemlendi. PAAm hidrojellerindeki ÇDKNT içeriğinin artması dalga boyunda kaymalara neden oldu. ÇDKNT katkılı PAAm hidrojellerinin bant aralığı enerjilerini bulmak için gözlemlenen absorbans spektrumları kullanılarak Tauc grafikleri çizildi. PAAm hidrojellerindeki ÇDKNT içeriğinin artmasının bant aralığı enerjisini azalttığı sonucuna varılmıştır. Değişen miktarlarda ÇDKNT içeren PAAm hidrojellerinin çeşitli yöntemlerle bant aralığı enerjileri hesaplandıktan sonra, numunelerdeki ÇDKNT dağılımlarını tekrar analiz etmek için absorbans spektrumları kullanıldı. Rezonans oranı ve normalize genişlik, tüm numunelerin absorbans spektrumlarından rezonans bant alanları ve rezonans olmayan arka plan alanları, yarı yükseklikteki genişlik ve rezonans bant yükseklikleri bulunarak hesaplandı. Yüksek rezonans oranı ve düşük normalleştirilmiş genişlik oranı kompozit içerisinde iyi dağılmış ÇDKNT'leri kanıtladığı için en iyi dağılımın hacimce %0.5 ÇDKNT içeren PAAm hidrojeline ait olduğu görüldü. Bu sonuç, daha önce elde edilen SEM sonuçlarıyla uyumludur. Son olarak absorbans spektrumu kullanılarak geçirgenlik spektrumu elde edilmiştir. Her iki spektrumdaki tüm numunelerin piklerinin yükseklikleri hesaplandı. PAAm hidrojeline ÇDKNT eklendikten sonra, optimum absorbans ve geçirgenlik değerleri hacimce %0.5 ÇDKNT içeren PAAm hidrojelde bulundu. Bunun nedeni, daha önce belirtildiği gibi, ÇDKNT dağılımının hacimce %0.5 ÇDKNT içeren PAAm hidrojellerinde en iyi olmasıdır. Sol-jel faz geçişi sırasında, hızlı geçici floresans (Fast transient fluorescence) tekniği kullanılarak PAAm-ÇDKNT hidrojelleri için floresans bozunma eğrileri de gözlendi. Faz geçiş işlemi sırasında aromatik prob pirenin (Py) floresans ömürlerindeki değişiklikleri izlemek için zamanla çözülen (time-resolved) bir floresans spektrofotometresi kullanıldı. Sızma sonuçları, jel noktasında ölçülen ve araştırılan tüm PAAm hidrojellerinde yaklaşık 0.48 ± 0.015'tir. Bulunan jel fraksiyonunun evrensel kritik üsleri β ile sızma teorisindeki sonuçlarla tutarlıdır. Daha sonra mekanik testler yapıldı. PAAm hidrojellerindeki ÇDKNT'lerin miktarı arttıkça hidrojel numunelerinin elastik modülünün arttığı gözlemlendi. ÇDKNT'lerle katkılı PAAm hidrojeller, bulgulara göre olağanüstü esneklik ve mekanik nitelikler sergiler. Yapılan tüm deneylerin sonucunda, ÇDKNT'lerle katkılanan hidrojellerin çoğu özelliğinin dramatik biçimde değiştiği ve bu araştırma alanının uzun yıllar boyunca aktif kalmasını sağlayan büyük bir potansiyele sahip olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Hydrogels are two or multi-components systems made up of a three-dimensional network of polymer chains and water fillings the gap between macromolecules. Depending on the characteristics of the polymers utilised, and the type and density of the network joints, such structures in equilibrium can comprise varying quantities of water; in the swollen state, the weight percentage of water in a hydrogel is generally considerably larger than the weight percentage of polymer. On the other hand, carbon nanotubes (CNT) are one of the most intriguing novel materials in the last three decades. CNTs are hollow carbon tubes in nanometer sizes. They create a new form of carbon equivalent in configuration to a graphite sheet wrapped in a nanometer-sized hollow tube. It can be synthesized in sizes ranging from a few microns to several nanometers and in the thickness of many carbon layers from single-walled (SWCNT) to multi-walled (MWCNT) structures. The unique structure of these nanotubes gives them properties such as electrical and thermal conductivity, strength, hardness and toughness. CNT's mechanical properties have been extensively researched, both theoretically and experimentally. Measurements were taken using a 'nanostressing stage' inside a scanning electron microscope (SEM) indicating that the Young's modulus of MWCNT's outermost layers ranged from 270 to 950 GPa. Single nanotube tensile strengths were also determined, with values ranging from 11 to 63 GPa. CNT dispersion is critical for manufacturing high-quality nanocomposites because nanotube dispersion has such a large impact on suspension quality. CNTs readily agglomerate, bundle, and entangle, resulting in a plethora of defect sites in composites and a reduction in CNT efficiency. When all accessible CNTs are evenly dispersed in the host matrix, a good distribution is achieved. Mechanical parameters that fall short of theoretical expectations are mostly due to poor distribution and limited interfacial load transmission among CNTs and the polymer matrices. The mechanical characteristics of nanocomposites are influenced by interfaces in particular. Mechanical interlocking, chemical bonding, and the van der Waals force are three interfacial load transfer techniques that have been identified. Inadequate load transference across CNT and polymer chains may result in interfacial slippage and low mechanical strength and stiffness unless the interface is carefully built. When there is no interfacial load transmission, nonlinear stress–strain behavior is expected. CNTs have been widely explored as a novel nanomaterial because of their remarkable electrical conductivities and mechanical qualities. The inclusion of CNTs in the hydrogel matrix could result in a resilient and electrically conductive hydrogel due to their nano-reinforcement and intrinsic conductivity. The preparation procedure, however, is extremely complex due to the CNTs' inherent hydrophobic nature, restricting their application and even reducing the hydrogel's tensile strength. Studies continue on hydrophobic linkages and π-π interactions to better disperse CNTs in the hydrogel matrix. For example, adding oxidized multi-walled carbon nanotubes (oxCNTs) to the PAAm hydrogel results in a hydrogel with high sensitivity, self-recovery, mechanical strength, and stretchability. Gelatin was employed to functionalize the oxCNTs via hydrogen bonding among carboxyl groups on the oxCNTs and hydroxyl, carboxyl groups in the gelatin chain to minimize oxCNT aggregation in the hydrogel mesh. The PAAm-oxCNTs hydrogel was then created by polymerizing AAm free-radically in the presence of an initiator and a chemical crosslinker. The hydrogel's backbone was chemically cross-linked PAAm, and the oxCNTs successfully increased the mechanical characteristics via the nano-enhancement effect. Furthermore, the hydrogel's mechanical characteristics were improved by physical interplays amongst oxCNTs, gelatin, and PAAm. It has increased stretchability and tensile strength and exhibits rapid self-recovery behavior. Furthermore, the hydrogel's mechanical characteristics were improved by physical interactions between oxCNTs, gelatin, and PAAm. The oxCNTs in the hydrogel also contributed to the strain sensing activity by generating conducting routes in the hydrogel. Unlike the literature, in this thesis study, homogeneous distribution of CNTs in pure PAAm hydrogels was observed for the first time. These results are very important in terms of literature for the development of new high quality, conductive and mechanically durable composite systems. The universality class, which shares critical exponents and other universal properties, encompasses a wide range of systems and models with continuous phase transitions in composite systems. Monomers are thought to locate to the corners of a periodic lattice in percolation theory. The ends connecting these corners at any instant, namely chemical bonds, are given with the probability p. The gel point is defined by the percolation threshold p_c at the thermodynamic limit where the infinite set begins to form. Around the percolation threshold, many percolation properties obey the scaling law regardless of network structure and microscopic details. Thus, the scaling laws for the gel fraction, G(p) and mean cluster size, S(p) around the threshold value are obtained. G(p)≈(p-p_c )^β , p>p_c S(p)≈(p_c-p)^(-γ) , p<p_c Here the critical exponents β, and γ are universal. They are independent of the microscopic details of the system and depend only on the size of the system. Although the value of p_c has changed, even finite access interactions have not changed this universality. The theoretical values of these exponents differ according to the classical theory (β=γ=1), and the percolation theory (β=0,42 and γ=1,8). Theoretical explanations for the truth of universality have been supplied through renormalization group methods, which have been investigated since 1970. At the critical point, the average length of the clusters or fluctuations, ξ diverges, which is also true for thermal phase transitions. As a result, as the critical point approaches, the system is averaged across a longer distance than a single molecule or its interaction. As a result, as the average length approaches the critical point, molecular features become less significant. When the mean length is too short, critical exponents can't be calculated away from the critical point, because universality is only valid in the ξ→∞ region. Critical exponents are size-dependent in hyperscaling, hence size has an impact on critical exponents. As a result, in universality classes, size is an important metric. In classical and Flory-Stockmayer theory, when critical exponents are dimension independent, hyperscaling is not used. Because different lattice structures of the same size yield the same critical exponents with extremely tiny errors, lattice structures are not an effective parameter in the classification of universality. Critical exponents are independent of the monomer functional group, f, and size in classical theory, and there is no periodic lattice. After all, exponents are unaffected by the system's microscopic characteristics. In this thesis study, homogeneous well dispersed polyacrylamide (PAAm) hydrogels doped with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were synthesized by free radical crosslinking copolymerization at room temperature without aggregation. The homogeneous distributions of MWCNTs in PAAm hydrogels were monitored using scanning electron microscopy (SEM). The change in absorbance of hydrogels doped with different MWCNT contents was observed using UV-Vis spectroscopy. The increase of MWCNT content in PAAm hydrogels caused shift in wavelength. Tauc plots were drawn using the observed absorbance spectra to find the bandgap energies of MWCNT-doped PAAm hydrogels. It was concluded that the increase of MWCNT content in PAAm hydrogels decreased the bandgap energy. After calculating the bandgap energies of PAAm hydrogels containing varying amounts of MWCNT using various methods, absorbance spectra were used to analyze the MWCNT dispersions in the samples. The resonance ratio was calculated by calculating the resonant bands and non-resonant backgrounds of all samples from the absorbance spectra. Resonance ratio and normalized width were calculated by calculating resonant bands and non-resonant backgrounds, FWHM and resonant band heights from absorbance spectra of all samples. It was seen that the best dispersion belonged to the PAAm hydrogel containing 0.5 vol% MWCNT, as the high resonance ratio and low normalized width ratio proved well-dispersed composites. This result agrees with the previously obtained SEM results. Finally, the transmittance spectrum was obtained by means of the absorbance spectrum. The heights of the peaks of all samples in both spectra were calculated. After adding MWCNT to the PAAm hydrogel, the optimum absorbance and transmittance values were found at 0.5 vol% MWCNT. This is because, as previously stated, MWCNT dispersion is best in PAAm hydrogels containing 0.5 vol% MWCNT. During the sol-gel phase transition, the fluorescence decay curves for PAAm-MWCNTs hydrogels were also observed using the fast transient fluorescence (FTRF) technique. A time-resolved fluorescence spectrophotometer was used to monitor changes in the fluorescence lifetimes of aromatic probe pyrene (Py) during the phase transition process. The percolation results are consistent with the universal critical exponents of gel fraction, β which were measured at the gel point and found to be about 0.48 ± 0.015 in all PAAm hydrogels investigated. Mechanic deformation measurements were also performed, which demonstrated that the elastic modulus of the hydrogel samples increased as the amount of MWCNTs in the PAAm hydrogels increased.
Benzer Tezler
- Silk fibroin-based smart organohydrogels
İpek fibroin esaslı akıllı organohidrojeller
ÇİĞDEM BUSE ORAL
- Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications
Development of Microwave/Droplet-Microfluidics Integrated Heating and Sensing Platforms for Biomedical and Pharmaceutical Lab-on-a-Chip Applications
GÜRKAN YEŞİLÖZ
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiUnıversıty Of WaterlooMühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAROLYN L. REN
- Çeşitli adsorbanlar ile hümik bileşiklerinin adsorbsiyonu üzerine bir çalışma
Başlık çevirisi yok
SELMA KAYA
- Chemical and electrochemical polymerisation of substituted carbozoles in the presence of acrylamide
Sübstitüye karbozollerin akrilamid varlığında kimyasal ve elektrokimyasal polimerizasyonu
ÖZLEM YAVUZ
- Killerden üretilen spinel yapıların farklı boyar maddelerin gideriminde değerlendirilmesi
Evaluation of spinels synthesized from clays in the removal of different dyes
ELİF SENCAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMEK DERUN
DOÇ. DR. FATMA TUĞÇE DUMANLI