Geri Dön

Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide

Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler

PDF İndir

  1. Tez No: 835382
  2. Yazar: İLKNUR BOZKAYA GERGİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 131

Özet

Nobel Kimya Ödülü'nün 2000 yılında iletken polimerler (poliasetielen) konusunda kazanılmasıyla bu polimerlerle yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. İletken polimerler, elektriği ileten organik yapıdaki polimerlerdir. İletken polimerler, organik metal olarak da adlandırılırlar. Yapılarında bulunan ardışık tek ve çift bağlardan oluşan konjuge zincir yapısı sayesinde elektriği iletirler. Nötral halde yalıtkan olan bu polimerler, doplama (katkılama) yapılmak suretiyle iletkenlik özelliği kazanırlar. Poliasetilen, polipirol, politiyofen, poli (3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) üzerinde çok çalışılan bazı iletken polimerlerdendir. Bu polimerler; güneş pilleri, süper kapasitörler, kimyasal ve biyosensör uygulama alanlarında kullanılabilmektedir. Poliindol (PIN) iletken bir polimer olup polipirol ve polianiline göre daha zayıf elektriksel ve elektrokimyasal iletkenlik göstermektedir. Bu sebeple, enerji depolama uygulamalarında diğerlerine göre daha az çalışılmaktadır. PIN; termal stabilitesi oldukça iyi, redox özelliği yüksek, degradasyonu yavaş ve hava stabilitesi iyi olan elektrokromik özellik gösterebilen iletken bir polimerdir. Bu yüzden, poliindol içeren çalışmalar son yıllarda artmakta olup poliindolün; farmasotik alanda, antikorozyon kaplamalarda, fotovoltaik pillerde, süper kapasitör uygulamalarda ya da bataryalarda anod malzemesi olarak kullanımı mümkün olabilmektedir. Öte yandan nanoteknolojinin ilerlemesiyle nano ölçekte malzemelerin külçe haline göre fiziksel ve kimyasal özelliklerinde farklılıklar gösterdiği bulunmuştur. Nano ölçek genellikle 1-100 nm aralığını kapsamaktadır. Malzeme içerisindeki parçacığın boyutu çok küçüldüğünde, malzemenin elektronik yapısı değişebilmektedir. Örneğin; altın normalde reaksiyona girmez ama nano seviyesinde aktiflik gösterebilmektedir. Nanofiberler ise ortalama çapları nanometreler mertebesinde olan yüksek uzunluk/hacim oranına sahip liflerdir. Nanofiberler; kimyasal özelliklerinin yanında morfoloji ve topografi gibi yüzey özelliklerine bağlı olarak da malzemelerin kullanım alanlarını iyileştirebilmekte ve genişletebilmektedirler. Nanofiberlerin;düşük yoğunlukları, geniş yüzey alanları ve gözenekli yapılarından dolayı filtrasyon, doku mühendisliği, ilaç salınım sistemleri, biyomedikal, tekstil, enerji depolama, sensör gibi çok geniş yelpazede araştırma ve uygulama alanı bulunmaktadır. Özellikle son yıllarda, elektroçekim yöntemi ile malzemelerden nanofiber elde edilmesi, bu yöntemin son derece basit, ucuz ve kullanışlı olmasından dolayı ilgi çekmektedir. Bilim adamlarının birkaç atom kalınlığındaki malzemeleri keşiflerinden itibaren malzemelerle ilgili büyük beklentileri oluşmuştur. Grafen oksit (GO) yüksek yüzey alanına sahip iki boyutlu bir malzemedir. GO; oksidasyon derecesine, tabaka boyutuna, mikro yapıya ve diğer birçok faktöre bağlı olarak yarı iletkenlik veya yalıtkanlık özelliği gösterebilmektedir. Ayrıca, grafen oksit yapısında bulunan oksijen içeren fonksiyonel grupların (epoksi, hidroksil, karbonil vb.) varlığı nedeniyle çözücü içerisinde dağılma özelliğine sahiptir ve bu nedenle GO bazlı kompozitlerin geliştirilmesine olanak sağlanmaktadır. Ne yazık ki, iletken polimerlerden ve grafen oksit gibi malzemelerden elektro çekim metodu ile nanofiber eldesi; düşük molekül ağırlıkları, çözücü içerisindeki çözünürlüklerinin zayıf olması ve sert zincir yapıları sebebiyle kısıtlı olabilmektedir ya da mümkün değildir. Bu sebeple iletken polimerlerin ve grafen oksit vb. yapıların elektro çekim yöntemi ile elde edilen nanofiberleri taşıyıcı (nanofiberi kolay elde edilen) görevi gören farklı bir polimerle blend ya da kompoziti yapılarak üretilmektedir. Çalışmanın ilk bölümünde; poliindolün poliakrilonitril (PAN) taşıyıcı polimeri ile N,N-Dimetilformamid (DMF) çözücüsü içerisinde farklı ağırlık/hacim oranlarında karışımları yapılarak nanofiberleri üretilmiştir. PAN, özellikle tekstil endüstrisinde sıkça kullanılan uygulama alanı geniş bir polimerdir. Ayrıca, karbon nanofiber prekürsoru olarak da kullanılmaktadır. Poliindolün oksidatif kimyasal reaksiyonu FeCl3 varlığında gerçekleştirilerek poliakrilonitril ile farklı oranlarda blendleri elde edilmiştir. Elde edilen çözeltilerden elektro çekim yöntemiyle fiberler üretilmiştir. Bu fiberlerin morfolojisi, termal özellikleri, spektral analizleri incelenmiştir. Fiberlerin elektrokimyasal karakterizasyonu, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile çalışılmıştır. Ayrıca, çözeltilerin çözelti iletkenliği, yüzey gerilimi değerleri bulunarak PIN içeren fiberlerin yük transfer direnci, çözelti direnci ve çift tabaka kapasitansı gibi elektrokimyasal özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Demir; endüstriyel, çevresel, medikal uygulamalarda, biyolojik çalışmalarda ve insan sağlığında önemli olan bir elementtir. Fe(II) tayininde elektron spin rezonansı, UV-vis spektrofotometri, florometrik analiz, kontrollü potansiyel kulometri ve iyon seçici elektrotlar gibi farklı yöntemler kullanılmaktadır. Farklı olarak bu çalışmada, Fe(II) konsantrasyonunu belirlemek için elektrokimyasal empedans spektroskopisi alternatif bir teknik olarak sunulmuştur. Döngülü voltametri (CV) ile fiber elektrodun elektroaktif davranışı incelenmiştir. Nanofiberlerin empedans ve morfolojik özelliklerine bağlı olarak seçilen nanofiberin elektroaktivitesi K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 elektroliti yardımıyla ölçülmüştür. Seçilen elektrot için en düşük Fe(II) iyon analit konsantrasyonu algılama sınırı 1x10-4 mol.l-1 olarak hesaplanmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde ise; poliakrilonitril/grafen oksit (GO) nanofiberleri birinci bölümden farklı olarak elektro çekim cihazında sabit kollektör yerine döner kollektör kullanılarak üretilmiştir. Böylelikle, Young modülü daha yüksek olan ince, yönlendirilmiş nanofiberler elde edilmiştir. Grafen, yoğunluğu çelikten düşük olmasına rağmen çeliğe göre çok daha güçlü, ısı ve elektriği çok iyi ileten, karbonun yüksek yüzey alanına sahip bir allotropudur. Grafenin; alan etkili transistörler, transparan elektrotlar, organik fotovoltaik cihazlar, nanokompozitler olmak üzere uygulama alanları bulunmaktadır. Bu çalışmada, grafenin üstün özellikleri yanında çözücü içerisindeki dispersiyonundaki zorluklar sebebiyle, grafene göre yalıtkan bir malzeme olan ama yapısındaki oksijen içeren fonksiyonel grupların (epoksi, hidroksil,karbonil vb.) varlığı sayesinde çözücü içerisinde dispersiyonu çok daha kolay olan grafen oksit (GO) tercih edilmiştir. Karbon nanofiber üretiminde oksidasyon ve karbonizasyon olmak üzere çok önemli iki aşama vardır. Özellikle, oksidasyon sırasında nanofibere uygulanan germe, oluşacak son ürün karbon nanofiberin mekanik dayanımını ve yapısını belirler. Oksidasyonda malzemeye uygulanan stres, sıcaklık, uygulama süresi karbon nanofiberin yapısını etkiler. Dolayısıyla, oksidasyon prosesinin mekanizmasını da anlamak karbon nanofiber üretiminde büyük önem taşımaktadır. Oksidasyon, halkalaşma ve dehidrojenasyon aşamalarını içermektedir. Oksidasyon uygulanan nanofiberlerin morfolojik, spektral ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Yapıda GO varken bu nanofiberlerdeki gözeneklerin ortalama çapının yaklaşık 38,5 nm civarında olduğu ImageJ programı ile ölçülmüştür. Çözelti içindeki iyonlar gözeneklerin içine nüfuz edebildiğinden GO içeren PAN nanofiberlerinin çift tabaka kapasitans (Cdl ) değerinin arttığı bulunmuştur. Grafen oksit varlığında oluşan karbon nanofiberin kapasitif özelliğinin arttığı gözlenmiştir. PAN/GO karbon nanofiberleri kapasitif uygulamalar için potansiyel teşkil etmektedir. Çalışmanın üçüncü bölümünde ise oksidasyon sürecini anlamak için FTIR ve XPS analiz yöntemleri kullanılmıştır. Grafen oksit (GO) içeren poliakrilonitril (PAN) kompozit nanofiberler üretilmiştir. Ayrıca, PAN/GO nanoliflerinin oksidasyon sürecini araştırmak için PAN/GO kompozit nanofiberlerinin termal oksidasyonu farklı sıcaklıklarda (250 0C, 280 0C ve 300 0C) ve farklı zaman aralıklarında (1 ve 3 saat) gerçekleştirilmiştir. Nanolifler, uzun süre boyunca yüksek sıcaklıktan önemli ölçüde etkilenmiştir. Poliakrilonitrilin termal oksidasyon süreci, halkalanma ve dehidrojenasyon aşamaları yoluyla karmaşık bir mekanizmaya sahiptir. Tüm oksitlenmiş numuneler için, GO ilavesinin nanofiberler üzerindeki etkisini araştırmak için X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi-Azaltılmış toplam yansıma (FTIR-ATR) spektroskopik sonuçları, karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Isıl işlemden sonra, saf poliakrilonitrilden oksitlenmiş forma C1s spektrumlarındaki değişim ve sp2 karbon gelişimi tespit edilmiştir. Grafen oksitin varlığı, nihai yapının oksidasyonunu ve gelişimini hızlandırmıştır.

Özet (Çeviri)

Studies on the conductive polymers has gained great interests when the Nobel Prize in Chemistry was awarded by discovery and development of the conductivity of polyacetylene in 2000. Conductive polymers are also called organic metals. They conduct electricity thanks to the conjugated chain structure consisting of consecutive single and double bonds in their structures. Conductive polymers, which are insulating in neutral state, gain conductivity by doping. Polyacetylene, polypyrrole, polythiophene, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) are some of the conductive polymers that have been studied extensively. These polymers can be used in solar cells, super capacitors, chemical and biosensor application areas. Polyindole (PIN) is one of the conductive polymers which can show electrochromic properties with high redox activity, good thermal stability, slow degradation rate and good air stability. Polyindole containing studies have been increasing in recent years and this polymer can be used in the pharmaceutical field, anticorrosion coatings, photovoltaic batteries, supercapacitor applications or anode material in batteries. On the other hand, with the advancement of nanotechnology, it has been found that materials in nano scale show physical and chemical property differences compare to the bulk form. Nanoscale generally includes the range of 1-100 nm. When the size of the particle in the material becomes too small, the electronic structure of the material can change. For example; gold normally does not react, but can be active at the nano level. Nanofibers are fibers with a high length/volume ratio with average diameters in the order of nanometers. In addition to their chemical properties also depending on the surface properties such as morphology and topography, materials can improve and can be used various areas. Due to their low densities, large surface areas with porous structures, it has a wide range of research and application areas of nanofibers such as filtration, tissue engineering, drug release systems, biomedical, textile, energy storage and sensor. Especially in recent years, electrospinning technique has attracted interests by scientists to generate nanofibers because of it is extremely simple, cheap and practical usage. On the other hand, scientists have great expectations since discovering a few atoms thick materials. Graphene oxide (GO) is a two dimensional material with high surface area. It can be semiconductor or insulating material which depends on the degree of oxidation, sheet size, microstructure and among many other factors. Moreover, graphene oxide contains some functional groups (epoxy, hydroxyl, carbonyl, etc.) on the structure which makes the dispersive ability in the solvent. These oxygen containing functional groups enable the development of GO-based composites, especially due to their ability to disperse in the solvent. Unfortunately, nanofiber production from conductive polymers and GO like materials can be limited or not possible by electrospinning method. For this reason, nanofibers of conductive polymers and GO are produced by making blend or composite with a different polymer called as carrier polymer, whose nanofibers can be easily obtained by electrospinning. Polyacrylonitrile (PAN) is one of the carrier polymer which is a very common usage area especially in the textile manufactory and carbon fiber production. Also, PAN fibers are the precursor of high quality of carbon fibers. PAN is choosen as a carrier polymer and PAN based composites are studied in this thesis. In the first part of the study; the oxidative chemical reaction of polyindole has taken place in the presence of FeCl3. Nanofibers were produced by mixing polyindole with polyacrylonitrile in N, N-Dimethylformamide (DMF) solvent at different weight / volume ratios. Polyacrylonitrile and polyindole blends were generated in different proportions of polyindole. Composite fibers were produced from the solutions by adjusting the optimum conditions using electrospinning method. Morphological, thermal properties, spectral analysis of these fibers were investigated by Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Electron Microscopy (SEM), Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR-ATR) and Differential Scanning Calorimetry (DSC). Electrochemical characterization of fibers has been studied by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The experimantal data was used to fit the equivalent circuit with Zsimpwin Software. In addition, it was found that the electrochemical properties (such as double layer capacitance, solution resistance and charge transfer resistance) of composite fibers were effected by surface tension and conductivity of solution. Iron, is an important element in the industry, environment, medical applications areas, biological studies and human health. Different methods such as electron spin coulometry and ion selective electrodes are used in the determination of Fe(II). Differently, in this study, Electrochemical Impedance Spectroscopy is presented as an alternative technique to determine Fe(II) concentration. Electroactive behavior of the fiber electrode was investigated by Cyclic Voltammetry (CV). Electroactivity of the nanofiber selected depending on the impedance and morphological properties of the nanofibers was measured with the help of K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 electrolyte. It was discussed that the presence of Polyindole (PIN) content showed an electrocatalytic activity against K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6. The lowest Fe(II) ion analyte concentration detection limit for the selected electrode was calculated as 1x10-4 mol.l-1. In the second part of the study which is different from the first part, graphene oxide (GO) is choosen as a material to improve the capacitive property of Polyacrylonitrile. Polyacrylonitrile / Graphene oxide (GO) nanofibers were produced by using a rotary collector instead of a fixed collector in the electrospinning device. Thus, thinner, more aligned nanofibers with higher young modulus were acquired. Oxidative stabilization and carbonization applied to composite nanofibers through the thermal process. In particular, the stretching applied to the nanofiber during oxidation determines the mechanical strength and structure of the final product carbon nanofiber to be formed. Therefore, understanding of the oxidation mechanism is an essential part of the production of carbon nanofibers (CNFs). The stress, temperature and application time utilized to the material in oxidation affect the structure of the carbon nanofiber. Oxidation step of electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers was studied and morphological, spectral and electrochemical properties of composite nanofibers were investigated. Morphological and spectral characterizations of composite nanofibers were performed by FTIR-ATR and Raman Spectroscopy, SEM, AFM and Transmission Electron Microscopy (TEM). Mechanical tests were performed with Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Thermal behaviours of composite nanofibers were investigated by Thermal Gravimetric Analysis (TGA). Capacitive behavior of nanofibers were performed by EIS and CV. When there is GO in the structure, the ions in the solution can penetrate into the pores which cause the double layer capacitance (Cdl) value increasement. Average pore diameters have been measured with the ImageJ program to be around 38.5 nm and it has been found that the double layer capacitance (Cdl) of PAN nanofibers containing GO is 0.600 µF which is the highest value. Also, it was observed that the capacitive behaviour of carbon nanofiber formed in the presence of graphene oxide improved. PAN/GO carbon nanofibers exhibit potential for capacitive applications in the light of these results. In the third part of the study, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and FTIR analysis methods were used to understand the oxidative stabilization deeply. The thermal oxidative stabilization of polyacrylonitrile has a complex mechanism with the cyclization and dehydrogenation steps. Polyacrylonitrile (PAN) composite nanofibers with GO were fabricated, and thermal oxidation were performed to these nanofibers. The oxidation process were applied at various temperatures (250 0C, 280 0C, and 300 0C) during 1h and 3h. Nanofibers were significantly effected by high temperature with during long duration time. The effect of GO addition into the nanofibers were analyzed by XPS, FTIR-ATR and, EIS. After heat treatment, change in C1s spectra and development of sp2 carbon was detected by XPS. It was concluded that the presence of GO accelerated the oxidation mechanism and developed the final structure.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    675456

    Electrospun composite nanofibers with metal/metal oxidenanoparticles

    Metal/metal oksit nanopartikül içerikli elektroeğrilmiş nanolif üretimi

    HAVVA BAŞKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALE KARAKAŞ

  2. Tez No

    597463

    Elektrospun PAN nanofiber ve grafen oksit ile takviye edilmiş polimer kompozit tabakaların mekanik performansının belirlenmesi

    Determination of mechanical performance of electrospun PAN nanofiber and graphen oxide reinforced polymer composite plates

    MUSTAFA SEVBAN AKKAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik BilimleriÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Biyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ VOLKAN ESKİZEYBEK

  3. 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

  4. Tez No

    636966

    İç ortamdaki inorganik ve organik kirleticilerin yeni teknolojiler ile giderilmesi

    Removal of inorganic and organic pollutants in the indoor air by new technologies

    BİLGE BETÜL ÖZÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN

  5. Tez No

    513524

    Elektrospin metodu ile hazırlanan polimer/MWCNT nanofiberlerin özelliklerine MWCNT çapının ve uzunluğunun etkisinin araştırılması

    Investigation of the effect of MWCNT diameter and length on properties of polymer/MWCNT nanofiber prepared by electrospinning method

    AYLİN ARICI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    KimyaNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SABRİ ALPAYDIN

Geri Dön