Geri Dön

Synthesis and characterization of graphene oxide with enhanced mechanical properties

Geliştirilmiş mekanik özelliklere sahip grafen oksit sentezi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 831647
  2. Yazar: ZINEB BENZAIT
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 148

Özet

Her geçen gün artan çoklu tehditler ve çatışmalara karşı, Kevlar, Dyneema ve Zylon gibi polimerik liflerden yapılmış el yapımı patlayıcı ve öldürücü mühimmatlara karşı fiili koruma sistemleri yetersiz kalmakta ve bu sebeple kişisel koruma sistemlerinde mekanik özelliklerin geliştirilmesi bu son on yılda büyük ilgi görmektedir. Kişisel koruyucu zırh sistemleri pazarının 2024 yılına kadar 5,3 milyar dolara yükseleceği tahmin edildiğinden bu ilgi artmaya devam edecektir. Nanoteknoloji, günümüz dünyasına çözümler ve evrimler sunabildiği gibi, savunma teknolojisinin son derece ihtiyaç duyduğu çığır açan teknolojiyi de şüphesiz sağlama fırsatına sahiptir. Egzotik özelliklere sahip nanomalzemelerin ortaya çıkması, onları balistik zırh malzemeleri için mükemmel bir seçim haline getiriyor, en idealleri arasında grafen var: grafen, teorik modülü TPa'dan daha fazla olan dünyanın en güçlü malzemesi olarak biliniyor. Ayrıca, grafen düşük bir yoğunluğa sahiptir ve bu, hafif özelliği ve yorgunluğu azaltmasıylaaskerlerin hareket kabiliyetini arttırdığı için vücut zırhı uygulamasında çok ideal bir malzeme sayılmaktır. Ayrıca son araştırmalara göre, grafen ani darbe enerjisini emme ve yüksek enerjilerini dağıtma konusunda kendine has bir yeteneğe sahiptir. Bu noktada esas olan, hammaddeyi (grafit) etkili bir şekilde eksfoliye edip büyük miktarlarda yüksek kaliteli grafene dönüştürmektir. Saf grafenin oksidatif türevi olan grafen oksit (GO), ekonomik büyük ölçekli üretime duyarlı, yukarıdan aşağıya doğru üretim süreci olan çözelti bazlı bir kimyasal eksfoliyasyon yöntemi ile üretilebilir. GO'nun oksijen grupları, Kevlar lifleri gibi farklı polimerik liflerin fonksiyonel gruplarıyla veya sedef benzeri koruyucu sistemin“tuğla”bölümünü oluşturan polimer ile etkileşimini de artırabilir. GO, kimyasal veya termal indirgeme yoluyla grafene de dönüştürülebilir, bu da grafen bazlı vücut zırhı üretme potansiyelini çok yakın zamanda gösterecektir. Bununla birlikte, GO kalitesi GO'nun vücut zırh sistemlerine entegrasyonunda belirleyici faktör ve üstesinden gelinmesi gereken büyük zorluk olmaya devam etmektedir. Bu tezin temel amacı, GO kalitesini artırmak ve kimyasal sentezini büyük ölçekli üretim için daha uygun hale getirmektir. Doğal grafit yerine bir başlangıç malzemesi olarak genişletilmiş grafit kullanarak, ara katman aralığını genişlettikten sonra grafen galerilerine etkili oksidan difüzyonu sayesinde büyük tabakalar (ortalama ~ 37 μm) ve düşük kusur derecesi ile GO sentezini destekledik. Genişletilmiş grafit, zorlu koşullar gerektiren, yüksek maliyet ve ciddi çevre kirliliğine neden olan geleneksel yöntemlerin aksine, herhangi bir yıkama veya kurutma aşaması olmadan ve herhangi bir ısıl işlem içermeden veya gelişmiş ekipman gerektirmeden grafitin soğutulmuş piranha çözeltisi ile işlenmesiyle kolayca elde edildi. 430 ml/g'lik bir genleşme hacmi, oda sıcaklığında +100 meş grafit-sülfürik asit kütle oranları 1:100 ve hidrojen peroksit-sülfürik asit 1:10 ile elde edildi. Bu genişleme sayesinde oksidasyon sıcaklığı 50 °C'den 35 °C'ye düşürülebilmiş ve oksidasyon süresi yarıya indirilebilmiştir. XRD, XPS ve NMR, bildiğimiz kadarıyla ilk kez rapor edilen“geliştirilmiş yöntem”olarak adlandırdığımız bu yolla sentezlenen GO'nun yüksek bir oksidasyon derecesine sahip olduğunu gösterirken, UV, XPS ve Raman, Tour grubunun yöntemine kıyasla daha fazla aromatik halkanın korunduğunu, yani düşük kusurların üretilebilmesini ortaya koymuştur. Ayrıca, endüstriyel olarak uygun sıyırma bıçağı tekniği ve hidroiyodik asit (HI) indirgemesi kullanıldıktan sonra, bu geliştirilmiş yöntemle elde edilen rGO filmi 190 MPa gerilme mukavemetine ve 5.7 MJ m-3 tokluğa ulaşmıştır ki bu da yöntemin basitliği, düşük maliyeti ve düşük çevresel etkisi nedeniyle genişletilmiş grafit (EG) ve GO'nun seri üretimi için umut vericidir. Geliştirilmiş sentez yöntemi, başlangıçta büyük grafit pullarından büyük grafen oksit üretme kapsamında boyut genişlemesi ve GO özellikleri üzerindeki etkilerini incelemek için dört farklı grafit boyutu ile daha fazla kullanılmıştır. Toplam maliyeti düşürmek ve sentezi daha çevre dostu hale getirmek için asit miktarını azaltmak, oda sıcaklığında (20 °C) sentezlemek ve indirgeme yoluyla zorlukla giderilen daha fazla kusura yol açabilecek herhangi bir aşırı oksidasyonu kısıtlamak için oksidan miktarını en aza indirmek gibi diğer iyileştirmeler yapılmıştır. Mukavemet ve tokluğun, beklenmedik bir şekilde GO200 mesh'den daha düşük olan GO+100 mesh hariç, başlangıç grafit malzeme boyutunun artmasıyla arttığı bulunmuştur. Bu çalışmada, GO+50 mesh sırasıyla 232 MPa ve 11.3 MJ m-3 ile en yüksek mukavemeti ve tokluğu sergilemiştir, ancak başlangıç malzemesi GO200 mesh'den çok daha büyük bir boyuta sahip olmasına rağmen, gerilme eğrileri arasındaki fark o kadar belirgin değildi. Bu araştırma çalışması, başlangıç grafit boyutunun önemli bir rol oynayabileceği, ancak daha büyük grafit pullarının boyutunun, bu eğilim normalde doğru olmasına rağmen her zaman daha iyi GO'ya yol açmadığı sonucuna varmaktadır. XPS, tabakaların kenarlarında bulunan organosülfat safsızlıkları ve karboksilik gruplar gibi, büyük grafit pullarından elde edilse bile nihai GO'nun özelliklerini azaltabileceğini göstermektedir. Raman ve morfoloji çalışmaları, daha büyük grafit pulları daha yüksek oksidan miktarına ihtiyaç duyduğundan, pul merkezlerine ulaşana kadar difüzyon kontrollü oksidasyon yollarının üstesinden gelmek için daha sert oksidasyonun var olabileceğini, bu da tabakaları daha küçük olanlara kesip daha fazla çatlak ve kusur oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Dolayısıyla, ihtiyaç duyulan büyük tabakalar ile ortaya çıkan kusurlar arasında bir denge vardır. Bu çalışmada, halihazırda geliştirilmiş yöntemde yapılan iyileştirmelerle +50 mesh grafit kullanımının elde edilen GO mekanik özelliklerini nasıl geliştirebileceğine dair kanıtlar sunulmuştur. Bununla birlikte, GO özellikleri üzerindeki grafit boyutu etkisini doğrulamak için, +50 mesh'den daha büyük bir grafit boyutunun kullanılması ve nihai GO boyutunun yanı sıra indirgeme öncesi ve sonrası mekanik özelliklerinin belirlenmesi daha iyi olacaktır. Grafit pulları ve elde edilen GO için element analizi, XRD ve AFM gibi diğer karakterizasyonların yapılması önemlidir. Çekme testlerinden daha fazlası, GO ve rGO ince filmlere nanoindentasyon testi, ve yüksek gerinim hızı davranışını test etmek ve dinamik koşullar altında arıza stresini ve emilen spesifik enerjiyi belirlemek için Bölünmüş Hopkinson Çubuğu ve gaz tabancası ölçüm sistemi gibi gelişmiş mekanik karakterizasyon yapılabilir. GO'nun mevcut vücut zırhı sistemlerinde hemen kullanılabilmesi için Kevlar lifleri bu tez kapsamında sentezlenen ve geliştirilen GO ile kaplanabilir, ardından mekanik özelliklerini daha da iyileştirmek için GO indirgenebilir. GO'nun uygun maliyetli kitlesel ölçekte üretimine duyarlı önerilen geliştirilmiş yöntemimiz, yakın gelecekte böyle bir vücut zırhının imalatını mümkün kılmaktadır.

Özet (Çeviri)

With the ever-increasing multiple threats and conflicts, and with the insufficiency of the actual protection systems made of polymeric fibers such as Kevlar, Dyneema, and Zylon against improvised explosive devices (IEDs) and lethal ammunition, the development of personal protection systems with heightened mechanical proprieties has received great interest in this decade, and this interest will continue to increase as the market of personal protective armor systems is predicted to rise to $5.3 billion by 2024. As it can offer solutions and evolutions for today's world, nanotechnology holds -undoubtedly- the opportunity to provide the breakthroughs that defense technology so desperately needs. The emergence of nanomaterials with exotic proprieties makes them an excellent choice for ballistic armor materials, among the most ideal ones is graphene: graphene is already known as the world's strongest material with a theoretical modulus of more than TPa. Moreover, graphene has a low density, which is a very interesting propriety for body armor application since it provides better mobility for the soldier due to its lightweight attribute and fatigue reduction. According to recent studies, graphene has also an intrinsic ability to absorb sudden impacts and dissipate their high energy. what is essential at this point is to effectively exfoliate the raw material: graphite into large quantities of high-quality graphene. Graphene oxide (GO), the oxidative derivative of pristine graphene can be produced via a solution-based chemical exfoliation method which is a top-down process susceptible to economical large-scale production. The oxygen groups of GO can increase also its interaction with different functional groups of polymeric fibers such as Kevlar fibers, or with the polymer constituting the“brick”part of the nacre-like protective system. GO can be further converted to graphene through chemical or thermal reduction, which makes the potential of fabricating graphene-based body armors very high soon. However, GO quality remains the determinant factor and the big challenge to overcome in order to integrate GO into body armor systems. The main objective of this thesis is to enhance GO quality and to make its chemical synthesis more suitable for large-scale production. By using expanded graphite as a starting material instead of natural graphite flakes, we promoted the synthesis of GO with large sheets (average of ~ 37 μm) and low defects degree thanks to the effective oxidant diffusion into graphene galleries after enlarging the interlayer spacing. The expanded graphite was obtained easily by treating graphite with cooled piranha solution without any washing or drying steps, and without involving any heat treatment nor requiring advanced equipment, unlike the traditional methods which require harsh conditions and result in a high cost and severe environmental pollution. An expansion volume of 430 ml/g was achieved under room temperature with mass ratios of +100 mesh graphite to sulfuric acid of 1:100 and hydrogen peroxide to sulfuric acid of 1:10. Thanks to this expansion, the oxidation temperature could be reduced from 50 °C to 35 °C and the oxidation time could be reduced to half. XRD, XPS, and NMR have shown that GO synthesized via this route that we called the“enhanced method”—reported to the best of our knowledge for the first time— has a high oxidation degree, while UV, XPS, and Raman have manifested the retain of more aromatic rings i.e. low defects compared to Tour group's method. Furthermore, after using the industrially suitable doctor-blade technique and hydroiodic acid (HI) reduction, rGO film obtained through this method has achieved a tensile strength of 190 MPa, a toughness of 5.7 MJ m-3 which is promising for the mass production of expanded graphite (EG) and GO due to the method simplicity, cost-effectiveness, and low environmental impact. The enhanced synthesis method was further used but with four different graphite sizes to study their effect on the volume expansion and GO properties in the scope of producing large graphene oxide from initially large graphite flakes. Other enhancements were done like reducing the acid quantity to reduce the total cost and make the synthesis more environmentally friendly, operating it at room temperature (20 °C), and minimizing the oxidant quantity to restrict any over-oxidation which can lead to more defects hardly removed through reduction. The strength and toughness were found to increase with increasing the starting graphite material size, except GO+100 mesh which was unexpectedly inferior to GO200 mesh. In this study, GO50 mesh exhibited the highest failure strength and toughness at 232 MPa and 11.3 MJ m-3 respectively, but despite that its starting material has a much larger size than that of GO200 mesh, the difference between their tensile curves was not that pronounced. This research work concludes that the starting graphite size can play an important role, but larger graphite flakes' size does not always lead to better GO despite that this trend is ordinarily correct. XPS shows that impurities such as organosulfate, and carboxylic groups located on the sheets' edges can reduce the properties of the final GO even if it is obtained from large graphite flakes. Raman and morphology studies reveal that as larger flakes need higher oxidant quantity, harsher oxidation may exist to overcome the diffusion-controlled oxidation pathways until achieving the flakes centers, which cuts off the sheets into smaller ones and creates more cracks and defects. Thus, there exists a balance between the large building blocks needed and the defects induced. In this study, evidence of how using +50 mesh graphite -with the enhancements made to the already enhanced method- can improve the resulting GO mechanical properties. However, to confirm the graphite size effect on GO properties, it would be better if a graphite size larger than +50 mesh can be used and the final GO size as well as its mechanical properties before and after reduction can be determined. It is important to make other characterizations for the graphite flakes and the resulting GO such as elemental analysis, XRD, and AFM. More than the tensile tests, advanced characterization can be made to GO and rGO free-standing films such as nanoindentation test, split Hopkinson bar, and gas gun measuring system for testing high strain rate behavior, and for determining failure stress and absorbed specific energy under dynamic conditions. For the immediate use of GO in the current body armor systems, Kevlar fibers can be coated with GO synthesized and enhanced through this thesis, then GO can be reduced to further ameliorate its mechanical properties. Our proposed enhanced method susceptible to cost-effective mass-scale production of GO makes the fabrication of such a body armor attainable in the near future.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    683990

    Synthesis and characterization of graphene oxide-based self-healable nanocomposite hydrogels

    Grafen oksit esaslı kendini onaran nanokompozit hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu

    EZGİ BERFİN ÇEPER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN GÜNEY

  2. Tez No

    676903

    Grafen oksit ve bitkisel yağ bazlı poliüretandan elde edilen kompozitlerin kaplama performanslarının incelenmesi

    Investigation of coating performances of composites obtained from graphene oxide and vegetable oil based polyurethanes

    BERİL OĞUZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI

  3. Tez No

    856469

    Implementation of novel carbon-based nanomaterials for high-performance gas sensors

    Yüksek performanslı gaz sensörlerinde yenilikçi karbon bazlı nanomalzemelerin uygulanması

    MOHAMAD ANAS HEJAZI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT TRABZON

  4. Tez No

    877827

    Synthesis, characterization, and determination of mechanical properties of epoxy nanocomposites from reduced grapheneoxide

    İndirgenmiş grafen oksitten epoksi nanokompozitlerin sentezi,karakterizasyonu ve mekanik özelliklerinin belirlenmesi

    HESHW ALI OMER MANGURI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    KimyaFırat Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET YAMAN

  5. Tez No

    855684

    Advanced materials for sustainable green energy: Radiation grafted dual-fiber based anion exchange membranes and Fe-N-C electrocatalysts for fuel cells

    Sürdürülebilir yeşil enerji için ileri malzemeler: Yakıt pilleri için radyasyon ile aşılanmış dual lif esaslı anyon değişim membranları ve Fe-N-C elektrokatalizörler

    AHMET CAN KIRLIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    EnerjiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL

    DR. BEGÜM YARAR KAPLAN

Geri Dön