Geri Dön

Özgün yöntemlerle polikarbazol ve iletken polidimetilsiloksan/polikarbazol kompozitinin sentezi ve karakterizasyonu

Synthesis and characterisation of polycarbazole and conductive polydimethylsiloxane/polycarbazole composite by novel methods

PDF İndir

  1. Tez No: 937948
  2. Yazar: IŞIK İPEK AVCI YAYLA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BELKIS USTAMEHMETOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 170

Özet

İletken polimerlerin (İP) metale benzeyen özellikleri sayesinde, günümüz gelişen teknolojisinde sağlıktan endüstriye, savunmadan uzaya birçok alanda kullanımı bulunmaktadır. İP'lerin mekanik, optik, ısıl ve elektriksel iletkenlik özelliklerinin geliştirilme çalışmalarıyla, bu alanlarda kullanımlarının artması amaçlanmıştır. polipirol (PPy), polikarbazol (PCz), polianilin (PANi), politiyofen (PTh) yaygın İP olarak incelenmektedir. Bu tez çalışmasında, ultrason, basınç ve lazer destekli yöntemler kullanılarak katı hal polimerizasyonu ile PCz, polietilkarbazol (PECz) ve poli(N-vinil) karbazol (PNVCz) elde edilmiştir. Bu yenilikçi yöntemlere ek olarak çözünür halde PECz kolloidal halde sentezlenmiştir. Ultrason destekli yöntem (U) için öncelikle optimum karbazol (Cz) ve seryum amonyum nitrat (CAN) miktarları, polimerizasyon süresi, ultrason uygulama koşulları belirlenmiş ve daha sonra“PCz-U”olarak adlandırılan polimerler, fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı x-ışını spektroskopisi (EDS), X-ışını kırınımı (XRD), termal gravimetrik (TG) analiz, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve dört noktalı prop iletkenlik ölçümleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Peletin hazırlanması sırasında uygulanan presleme süresinin PCz-U'nun iletkenliği üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. Basınç destekli polimerizasyon da PCz-U ile aynı optimum koşullarda gerçekleştirilmiş ve elde edilen polimere“PCz-P”adı verilmiş ve SEM, FT-IR, TGA, TEM, XRD ve dört noktalı prop iletkenlik ölçümleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Ultrason ve basınç destekli yöntemlerin avantajını anlamak amacıyla, Cz ve CAN'ın optimum konsantrasyonlarında çözelti içinde geleneksel polimerizasyon da gerçekleştirilmiş elde edilen PCz-M'in, PCz-U ve PCz-P'nin özellikleri karşılaştırılmıştır. Ultrason ve basınç destekli yöntemlerle bir dakika gibi çok kısa bir sürede elde edilen PCz'lerin iletkenliklerinin, sırasıyla 16 ve 35,6 kat daha yüksek Cz ve CAN miktarlarının kullanıldığı, çözelti yöntemiyle 20 dakikada elde edilen polimerin iletkenliği (∼10-4 S/cm) ile aynı seviyede olduğu saptanmıştır. Ultrason ve basınç destekli katı hal metodu ile aynı koşullarda katı hal lazer polimerizasyonu gerçekleştirilmiş ve benzer iletken değerlerine sahip PCz ve türevleri elde edilmiştir. Lazer olarak kırmızı ve yeşil renkli lazer kaynakları kullanılmış olup, kırmızı renkli lazer kullanımında daha yüksek iletkenliğe sahip PCz elde edilmiştir. Elde edilen optimum koşuldaki PCz, SEM, FT-IR, TGA, TEM, XRD and dört-nokta iletkenlik ölçümü ile karakterize edilmiştir. Sübstitüsyon etkisinin anlaşılması amacıyla aynı koşullarda etil karbazol (ECz) ve N-vinil karbazol (NVCz) polimerizasyonu da gerçekleştirilmiştir. Lazer rengi fark etmeksizin ECz ve NVCz'nin, Cz'den daha hızlı polimerleşmeye başladığı tespit edilmiştir. Bu üç yeni çalışma ile PCz sentezi sırasında solvent kullanılmaması nedeniyle VOC sınırlamasına uygun ve daha az kimyasal kullanılması nedeniyle çevre dostu olan üç yeni yöntem önerilmiştir. İletken PECz'nin kolloidal çözeltisi (Col-PECz), tek adımda bir etil karbazolün N,N-dimetilformamid (DMF) ortamında CAN oksidasyonu ile sentezlenmiştir. Aynı koşullarda iletken PCz'nin kolloidal çözeltisi (Col-PCz) eldesinde PCz olarak çökerken, aynı koşullarda NVCz'ün oksidasyonu oligomer seviyesinde kalmıştır. Kolloidal PECz çözeltisi, santrifuj, ultraviole (UV)-görünür spektrofotometre, FTIR, doğrusal taramalı voltametri (LSV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopi (EIS) yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Elektrokimyasal reaksiyonların verimliliğini ve dönüşüm oranını arttırmak üzere kullanılan sonoelektrokimya (ultrases varlığında elektrokimya) metodu ile Cz'ün polimerizasyonu gerçekleştirilmiş ve sonuçlar geleneksel elektrokimyasal polimerizasyon ile karşılaştırılmıştır. Sonoelektrokimyasal metot ile Cz'ün daha düşük voltajda oksitlendiği ve çevrim sayısı arttıkça aşırı oksitlenip kararlılığını kaybettiği tespit edilmiştir. Cz'ün PDMS matrisinde in-sitü polimerizasyonu yöntemi ile esnek ve iletken polidimetilsiloksan/polikarbazol (Is-PDMS/@PCz) kompozit filmler elde etmek amacıyla polidimetilsiloksan (PDMS)'in kürlenmesı ile eş zamanlı olarak PDMS'e Cz ve CAN ilavesi ile PCz sentezi yapılmıştır. Öncelikle optimum PDMS, çapraz bağlayıcı, Cz ve CAN miktarları, polimerizasyon süresi belirlenmiştir. Diğer yandan PCz-U, PCz-P ve PCz-M, ayrı ayrı PDMS karışımına eklenerek kompozitler (Is-PDMS+ (X-PCz)) elde edilmiştir. Ayrıca PDMS ile Cz, CAN varlığında kopolimer olup olmadığını anlamak için aynı koşullarda karıştırılmış ve kopolimer oluşmadığı tespit edilmiştir.Tüm sonuçlar karşılaştırıldığında in-sitü yöntemin avantajlı olduğu görülmüştür. Is-PDMS+ (X-PCz) kompozitleri iletken olmasına rağmen, Is-PDMS/@PCz'nin iletkenliği PCz'ün PDMS filmin içinde Cz'den başlayarak sentezlenmiş olması ve bunun sonucu olarak daha homojen dağılması sayesinde 1,1 x10-4 S/cm'ye kadar artırılmıştır. İletken PDMS/PCz kompozitlerinin karakteristik pikleri FTIR spektrumlarında başarıyla tespit edilmiştir. FTIR spektrumlarında Is-PDMS/@PCz ile Is-PDMS+ (X-PCz) arasında hiçbir fark görülmediğinden Is-PDMS/@PCz'in kompozit olduğunu göstermektedir. Ayrıca PDMS, Cz ve CAN karıştırıldığı çalışma ile Is-PDMS/@PCz arasında sadece pik şiddetlerinde farklar saptanmasının sebebi oluşan film yapısıdır. SEM ve EDS sonuçlarına göre PCz'nin en homojen dağılımının Is-PDMS/@PCz kompozitinde olduğu görülmüştür. TG analizlerine göre yerinde polimerizasyonla hazırlanan Is-PDMS/@PCz'in bozunmasının, saf PDMS ve X-PCz katkısıyla hazırlanan Is-PDMS+ (X-PCz) kompozitlerine göre daha düşük olduğu görülmüştür. Is-PDMS/@PCz'nin, mekanik test bulgularına göre diğer Is-PDMS+ (X-PCz) 'lerden daha esnek olduğu bulunmuştur. XRD analizine göre, Is-PDMS/@PCz kompozitinin PDMS'e göre amorf özelliğinin azaldığı tespit edilmiştir. Aynı zamanda iletken kompozitlerin, esnek ve iletken yapılarından dolayı elektrot olarak kullanılmak üzere elektrokimyasal özellikleri CV, EIS, galvanostatik şarj-deşarj (GCD) yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Tüm kompozitler karşılaştırıldığında in-sitü yöntemin avantajlı olduğu görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Due to the metal-like properties exhibited by conductive polymers (CPs), their use has expanded significantly in a variety of fields, ranging from healthcare to industrial applications, defense, and even space exploration in today's rapidly advancing technological landscape. The ongoing development efforts aimed at enhancing the mechanical, optical, thermal, and electrical conductivity characteristics of CPs are primarily focused on increasing their applications in these diverse sectors. Among the most widely studied CPs are polypyrrole (PPy), polycarbazole (PCz), polyaniline (PANi), and polythiophene (PTh), which are recognized for their potential in a range of technological innovations. In this thesis, polycarbazole (PCz), poly(ethylcarbazole) (PECz), and poly(N-vinylcarbazole) (PNVCz) have been synthesized through solid-state polymerization techniques that applied ultrasound, pressure, and laser-assisted methods. These innovative synthesis techniques were complemented by the synthesis of PECz in colloidal form, expanding the range of properties and potential applications for these materials. By utilizing ultrasound-assisted polymerization, pressure-assisted polymerization, and laser-assisted polymerization, this research aims to explore the possibilities of creating CPs with improved conductivity and structural integrity for a variety of advanced applications. In the case of the ultrasound-assisted method (U), a comprehensive investigation was carried out to determine the optimal concentrations of carbazole (Cz) and cerium ammonium nitrate (CAN), the polymerization duration, and the specific ultrasound application conditions. Following these optimizations, the resulting polymers, referred to as“PCz-U,”were characterized in detail using a variety of advanced characterization techniques, including scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and four-point probe conductivity measurements. Additionally, the impact of the pressing time applied during the preparation of the pellet on the conductivity of PCz-U was systematically examined to determine its influence on the final material properties. In parallel, pressure-assisted polymerization was conducted under the same optimal conditions as those used for the ultrasound-assisted method. The resulting polymer was designated as“PCz-P,”and it was characterized using the same array of techniques (SEM, FT-IR, TGA, TEM, XRD, and four-point probe conductivity measurements) to ensure a thorough comparison with the ultrasound-synthesized samples. To further understand the advantages of ultrasound and pressure-assisted methods, traditional solution polymerization was also performed using the optimal concentrations of Cz and CAN, resulting in a polymer referred to as PCz-M. The properties of PCz-M were then compared with those of the PCz-U and PCz-P samples. The results demonstrated that the conductivity of PCz synthesized via the ultrasound and pressure-assisted methods was significantly enhanced—16 and 35.6 times greater, respectively—when compared to the conductivity of the polymer obtained via the solution method, which required 20 minutes to synthesize. To explore additional synthesis techniques, solid-state laser polymerization was carried out under the same conditions as the ultrasound and pressure-assisted methods. The resulting PCz and its derivatives exhibited similar conductivity values to those produced by ultrasound and pressure-assisted methods. Red and green laser sources were employed in this process, and it was found that PCz synthesized using the red laser exhibited a higher conductivity than that synthesized with the green laser. The PCz samples synthesized under optimal conditions were subsequently characterized using SEM, FT-IR, TGA, TEM, XRD, and four-point probe conductivity measurements. Furthermore, to investigate the effects of substitution on the polymerization process, ethylcarbazole (ECz) and N-vinylcarbazole (NVCz) were also polymerized under identical conditions. It was found that ECz and NVCz polymerized faster than Cz, regardless of the laser color used in the polymerization process. This indicates that substitutional modifications can significantly affect the polymerization rate, although the solid-state methods used in this study are considered time-consuming, given that polymerization times were in the range of hours rather than minutes. These three novel methods, which eliminate the need for solvents during synthesis, offer environmentally friendly alternatives that are in compliance with volatile organic compound (VOC) limitations. Additionally, the reduced use of chemicals makes these methods more sustainable, contributing to the development of greener technologies. The synthesis of the conductive PECz colloidal solution (Col-PECz) was achieved in a single step by oxidation of the ethylcarbazole monomer in an N, N'-dimethylformamide (DMF) solution using CAN. Under the same experimental conditions, the conductive PCz colloidal solution (Col-PCz) was obtained by precipitating PCz from the solution, while the oxidation of NVCz resulted in an oligomeric form of the polymer (Col-PNVCz). The colloidal PECz solution was characterized using several techniques, including centrifugation, FTIR, ultraviolet (UV)-visible spectroscopy, linear sweep voltammetry (LSV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In order to enhance the efficiency and conversion rates of electrochemical reactions, sono-electrochemistry (a method combining ultrasound with electrochemical processes) was employed for the polymerization of Cz. The results from sono-electrochemical polymerization were compared with those from traditional electrochemical polymerization techniques. It was found that Cz polymerized at a lower voltage in the sono-electrochemical process, but the polymer lost stability after excessive oxidation as the number of cycles increased, demonstrating a trade-off between efficiency and stability. Furthermore, flexible and conductive polydimethylsiloxane/polycarbazole (Is-PDMS/@PCz) composite films were prepared by integrating the synthesis of PCz into the curing process of PDMS. The optimal amounts of PDMS, catalyst, Cz, and CAN, as well as the polymerization time, were carefully determined to ensure the successful incorporation of PCz into the PDMS matrix. Additionally, PCz-U, PCz-P, and PCz-M were separately added to PDMS to form the corresponding composites (Is-PDMS + (X-PCz)). In order to examine whether copolymerization occurred between PDMS, Cz, and CAN, a mixture was prepared under the same conditions, and it was concluded that no copolymerization occurred. Upon comparing all the results, the in-situ method demonstrated several advantages over the other methods. Despite the fact that the Is-PDMS + (X-PCz) composites were conductive, the conductivity of Is-PDMS/@PCz was significantly enhanced up to 1.1 x 10⁻⁴ S/cm, likely due to the more uniform distribution of PCz, which was synthesized within the PDMS film from Cz. The characteristic peaks of the conductive PDMS/PCz composites were successfully detected in the FTIR spectra, and no differences were observed between the Is-PDMS/@PCz and Is-PDMS + (X-PCz) composites, indicating that Is-PDMS/@PCz is indeed a composite. The differences observed in the peak intensities between PDMS, Cz, and CAN mixtures and Is-PDMS/@PCz can be attributed to the structural differences in the films. SEM and EDS results revealed that the most homogeneous distribution of PCz occurred in the Is-PDMS/@PCz composite. TGA analysis showed that Is-PDMS/@PCz, prepared via in-situ polymerization, exhibited lower degradation temperatures compared to both pure PDMS and the X-PCz modified Is-PDMS composites. Mechanical testing demonstrated that Is-PDMS/@PCz was more flexible than other Is-PDMS + (X-PCz) composites. XRD analysis indicated that the amorphous nature of the Is-PDMS/@PCz composite was reduced compared to pure PDMS. Moreover, due to the combination of their flexible and conductive properties, the electrochemical characteristics of the conductive composites were investigated using cycling voltammetry (CV), EIS, and galvanostatic charge-discharge (GCD) techniques, proving their potential applications as electrodes. After a thorough comparison of all the composite materials, the in-situ method was found to be the most advantageous, offering superior performance in terms of both environmental sustainability and material properties.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    856527

    Derin sinir ağları başarı performanslarının özgün yöntemlerle geliştirilmesi

    Improving of deep neural networks success performances with novel methods

    MUSTAFA KAYTAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİnönü Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CELALEDDİN YEROĞLU

    DOÇ. DR. İBRAHİM BERKAN AYDİLEK

  2. Tez No

    378356

    Windows fonksiyonları kullanılarak özgün bir casus yazılım tasarımı ve alınabilecek önlemler

    An original Spyware design by using windows functions and preventive measures

    MEHMET DAMA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi Üniversitesi

    Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÜNYAMİN CİYLAN

  3. Tez No

    636274

    İşe alım sürecinde sosyal ağ siteleri ve işveren markası

    Social network websites in recruitment & selection processes and employer branding

    UMUT DENİZLİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Çalışma Ekonomisi ve Endüstri İlişkileriDokuz Eylül Üniversitesi

    Çalışma Ekonomisi ve Endüstri İlişkileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BARIŞ SEÇER

  4. Tez No

    625373

    Tıbbi sakız yapımı

    Medical gum production

    ŞEYDA KÜNDÜK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    BiyolojiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ÖZÇELİK

  5. Tez No

    544663

    Seramik üretim sürecinde üç boyutlu yazıcıların kullanımı ve sanatsal öneriler

    Seramik üretim sürecinde üç boyutlu yazicilarin kullanimi ve sanatsal öneriler

    EMRE CAN

    Sanatta Yeterlik

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Güzel SanatlarAnadolu Üniversitesi

    Seramik Ana Sanat Dalı

    DOÇ. EZGİ HAKAN VERDU MARTINEZ

Geri Dön