Geri Dön

Comparative investigation of the effects of carbon nanotubes of different diameter and length on thermal and mechanical properties in pmma nanocomposite reinforced with mwcnt

Mwcnt takviyesiyle güçlendirilmiş pmma nanokompozitdeki farklı çap ve uzunluklarda karbon nanotüplerin termal ve mekanik özelliklere etkilerinin mukayeseli incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 959466
  2. Yazar: MELTEM UZUNOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Engineering Sciences, 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: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Polimer teknolojileri, otomotiv, havacılık ve tıp dahil olmak üzere çok çeşitli endüstrilerde giderek daha yaygın hale geldi. Eşsiz sentezlenme, şekillendirilme ve değiştirilme yetenekleriyle, polimerler çok çeşitli özellikler sunar ve bu da onları çok sayıda uygulama için oldukça arzu edilir kılar. Polimerler, kimyasal ve fiziksel mimarilerine dayanan geniş bir malzeme sınıflandırması dizisi sergiler. Genel olarak akrilik olarak adlandırılan poli (metil metakrilat) (PMMA), termoplastik bir kaliteye ve amorf bir yapıya sahiptir. Polimetil metakrilat (PMMA), hafif ve yüksek oranda işlenebilir bir maddedir, bu da onu çeşitli endüstriyel uygulamalarda popüler bir seçim haline getirir. Polimetil metakrilat (PMMA), dayanıklılığı ve çizilmelere karşı direnci ve düşük maliyeti nedeniyle çeşitli endüstriyel uygulamalarda cam ve diğer benzer camsı malzemelere tercih edilen bir alternatif haline gelmiştir. Polimetil metakrilat (PMMA), şiddetli hava koşullarına karşı üstün direnci nedeniyle inşaat uygulamalarında yaygın olarak tercih edilen bir polimerdir. Polimetil metakrilat (PMMA) yapısında takviye teknikleri kullanılarak, farklı polimerizasyon yaklaşımları ile deneyler yapılarak ayırt edici özelliklerin elde edilmesi oldukça olasıdır. PMMA nanokompozitlerinin üretimi, polimer matris içinde kesin ve homojen bir dağılımın elde edilmesi yoluyla özelliklerin geliştirilmesi sağlanır. Karbon nanotüplerin (CNT'ler) polimerlerde uygulaması polimerlere üstün nitelikler kazandırmaktadır. Karbon nanotüpler, silindirik nanoyapılara sahip bir karbon allotropları sınıfını ifade eder. Silindirik yapı, grafenin dairesel katlanmasının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Katlanma durumlarına göre iki farklı karbon nanotüp kategorisi oluşturulur. Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT) veya çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT), benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip iki farklı karbon nanotüp şeklidir. Polimer matrisine eklenen CNT'ler, nanokompozit malzemelerin özelliklerini geliştirebilir ve çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilir hale getirebilir. Bu çalışma, PMMA/MWCNT nanokompozitlerinin sentezini ve karakterizasyonunu içeren önemli bir adımdır ve polimer teknolojileri alanında ilerlemeye katkı sağlamaktadır. Manyetik özellikler açısından, CNT'lerin içinde bulunan karbon yapıları, magnetik olmayan bir malzeme olsa da, bazı durumlarda paramagnetik özellikler sergileyebilir. Bu durum, polimer matrisine eklenen CNT'lerin, manyetik alanlarda etkileşime girebilecek ve örneğin manyetik rezonans görüntüleme (MRI) gibi tıbbi görüntüleme uygulamalarında kullanılan malzemelerin geliştirilmesine katkı sağlayabileceği anlamına gelir. Kimyasal özellikler açısından, CNT'lerin yüksek yüzey alanına sahip olması, polimer matrisi ile etkileşim potansiyelini artırır. Bu, CNT'lerin polimer matrisine mükemmel bir şekilde bağlanabilmesi ve mekanik dayanıklılığı artırabilmesi anlamına gelir. Aynı zamanda, CNT'lerin kimyasal reaktivitesi, işlevsel grupların eklenmesi veya CNT'lerin yüzeyine yapılan kimyasal modifikasyonlar aracılığıyla kontrol edilebilir. Bu da polimer matrisine özelleştirilmiş özellikler kazandırabilen kimyasal olarak modifiye edilebilir CNT'lerin sentezlenmesine olanak sağlar. Çok duvarlı karbon nanotüplerdeki çap artışı elektronik, optik, manyetik ve kimyasal reaktivite ve kararlılık dahil olmak üzere özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Parçacık boyutunun küçülmesiyle kuantum fiziği devreye girer ve enerji seviyelerindeki boşluk azalır. Azalan bu boşluk ise elektronların daha kolay bir şekilde son yörüngeden hareket etmesini sağlar. Böylelikle elektronik ve manyetik özellikleri parçacık boyutuna göre değişim gösterir. Kimyasal özellikler ise yine parçacık boyutuyla alakalıdır. Malzeme boyutu azaldıkça artan yüzey alanı kimyasal özellikleri değiştirir. Bu çalışma, polimerizasyon yöntemi olarak Atom Transfer Radikal Polimerizasyonunu (ATRP) kullanmıştır. Kontrollü-canlı radikal polimerizasyon, polimer yapıya spesifik özellikler kazandırmak amacıyla kullanılan bilimsel bir yöntemdir ve Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) olarak isimlendirilen bir tekniktir. Reaktiflerin kolay bulunabilirliği ve maliyet etkinliği, bahsedilen uygulamaları sanayide daha tercih edilerek uygulanabilir hale getirmektedir. Mevcut yaklaşım, polimer zincirlerinin düzenlenmiş ve hızlı genişlemesi, makromoleküler seviyede gelişmiş işlevsellik ve katalitik mekanizmanın hem aktif hem de deaktive edici bileşenlerinin entegrasyonu dahil olmak üzere çeşitli avantajlara sahiptir. Ayrıca, deneysel koşulları özel gereksinimlere göre optimize etmek mümkündür. Atom transfer radikal polimerizasyonu (ATRP) tekniği havanın etkilerine duyarlı olduğundan, oksijen alımını azaltan bir mekanizma kullanmak, istenmeyen radikallerin oluşumunu önlemek için çok önemlidir. Hava ile kimyasallar arasındaki reaksiyonu önlemek için argon gazı kullanılarak soy gaz ortamı elde edilir. İnert atmosfer elde etmek için iki çeşit argon gazı kullanılır. Bunlardan biri %99,9999 ile yüksek saflıkta, diğeri ise %99,999 saflıkta endüstriyel argon gazıdır. Bu çalışma, Atom Transfer Radikal Polimerizasyon (ATRP) tekniğinin uygulanması yoluyla PMMA/Nanofiller nanokompozitlerinin ve PMMA kompozitlerinin başarılı üretimini bildirmektedir. Üretilen nanokompozitlerin kalitesini değerlendirmek için deney düzeneği kullanılır. Bu çalışma, PMMA/MWCNT kompozitlerindeki çap değişimlerine göre değişimlerin incelenmesini içermektedir. Çap arttıkça sentez sırasında gereken zaman artmıştır. Ayrıca sentez zamanını etkileyen bir diğer faktör ise argon gazlarının saflık oranı olmuştur. MWCNT'lerin boyutu, PMMA/MWCNT kompozitlerinin fiziksel ve mekanik özelliklerini etkileyebileceğinden, daha uzun MWCNT'ler polimer matrisinde daha iyi dağılım sağlayarak sentezlenen kompozitin homojenliğini arttırmıştır. Bu nedenle MWCNT boyutunun artması sentezde salınan oksijen miktarını doğrudan etkilememiş, kompozitin homojenliği ve sentez sürecinin optimizasyonu üzerinde dolaylı bir etkisinin olabileceği düşünülmüştür. Bu tez çalışmasında, nanokompozit yapıyı karakterize etmek için, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), X-Ray Kırınımı (XRD), Termogravimetrik Analiz (TGA), Raman Spektroskopisi, X-Ray Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Ultrasonik Test , Statik Temas Ölçüm analizi, Shore D sertlik ölçümü ve Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) Analizi yapılmıştır. SEM analizinde MWCNT'lerin yüzeydeki dağılımı incelenmiştir. Kristal yapılar ve çap farkının malzemede yarattığı kristal yapı özellikleri XRD ile incelenir. X-Ray kırınımı sonuçlarına bakıldığı zaman çap artışı yapıdaki kristalliği arttırdığı gözlemlenmiştir. Ancak safsızlık etkisi ise yapının daha amorf olmasına sebep olmuştur. FT-IR ve Raman Spektroskopisi bulguları, PMMA-nanoparçacık etkileşiminin tipik tekdüzelik spektrumlarını ve spesifik tepe noktalarını etkili bir şekilde karşıladığını göstermektedir. SEM analizinde katkı malzemesindeki çap artışı yüzeyde pürüzlülüğü arttırdığı ve daha karışık bir yapı elde edildiğini göstermiştir. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizinden elde edilen bulgular, nanokompozit kütle yüzdesi ile karbon ve oksijen elementlerinin amplifikasyonu arasında pozitif bir korelasyon ortaya koymaktadır. Frekans hakkında bilgi almak için ultrasonik test uygulandı. MWCNT ilavesi sertliği arttırmıştır. Üç farklı takviye çapına sahip kompozit malzemeler değerlendirildiğinde, çapın arttırılmasının temas açısında artışa neden olduğu gözlenmiştir. Sesin malzeme içindeki hızı, Grindo Sonic MK5'ten elde edilen frekans ile incelenmiştir. En düşük çapa sahip kompozit, en yüksek frekans değerine sahip olmuştur. Öte yandan, daha yumuşak kompozitler daha düşük frekansa sahip oldular. Raman spektrum analizi, temel PMMA ile uyumlu sonuçlandı. FTIR analizinde, çap arttıkça daha güçlü bağlar kurulduğu gözlemlendi. Termal kararlılık, termogravimetrik analiz ile incelenmiş ve çap artışının termal kararlılığı iyileştirdiğini göstermiştir. Bu tez çalışmasında sentezlenen daha yumuşak yapıdaki kompozitlerin daha düşük termal kararlılığa sahip olduğu tespit edilmiştir. Yapılan PALS analizlerinde sıcaklık artışıyla yapıdaki boşluk artışının olduğu tespit edilmiştir. Sıcaklık artışıyla serbest hacim oranı artmıştır. Serbest hacim oranının yoğunluk ve sertlik ile doğrudan ilişkisi olduğu görülmüştür. Literatürdeki farklı çalışmalarla temas açısı değerleri ve termal kararlılık özelliği karşılaştırıldığında yüksek çapta MWCNT katkı malzemesi eklenen yapının daha hidrofilik ve daha termal kararlı bir yapıya sahip olduğu görülmüştür.

Özet (Çeviri)

Polymer technologies have become increasingly prevalent in a wide range of industries, including automotive, aerospace, and medical. With their unique ability to be synthesized, shaped, and modified, polymers offer a diverse range of properties making them highly desirable for numerous applications. Polymers exhibit an extensive array of material classifications predicated upon their chemical and physical architectures. Poly (methyl methacrylate) (PMMA), referred to as acrylic, possesses a thermoplastic quality and an amorphous structure. Polymethyl methacrylate (PMMA) is a lightweight and highly malleable substance, rendering it a popular choice in various industrial applications. Due to its durability and resistance to scratches, as well as its comparatively lower cost, polymethyl methacrylate (PMMA) has become a preferred alternative to glass and other similar vitreous materials in various industrial applications. Polymethyl methacrylate (PMMA) is a polymer that has garnered widespread preference in construction applications owing to its superior resistance to severe weather conditions. By utilizing reinforcement techniques in the structure of polymethyl methacrylate (PMMA), it is highly likely that distinctive characteristics can be achieved through experimentation with different polymerization approaches. The production of PMMA nanocomposites elicits exceptional characteristics through the attainment of a precise and homogeneous dispersion within the polymer matrix. The application of carbon nanotubes (CNTs), a prominent nanomaterial, is prevalent. Carbon nanotubes refer to a class of allotropes of carbon that have cylindrical nanostructures. The cylindrical structure arises as a consequence of the circular folding of graphene. Two distinct categories of carbon nanotubes are formed based on their folding state. Single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) are two distinct forms of carbon nanotubes that possess unique physical and chemical properties. The present study employed the Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) as the method of polymerization. Controlled-living radical polymerization is a scientific method that enjoys widespread usage, wherein Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) is a suitable technique. The facile availability and cost-effectiveness of reagents render the mentioned applications highly accessible and approachable. The present approach boasts several benefits, including the regulated and swift expansion of polymer chains, advanced functionality at the macromolecular level, and integration of both the active and deactivating components of the catalytic mechanism. Moreover, it is feasible to optimize the experimental conditions according to specific requirements. As the atom transfer radical polymerization (ATRP) technique is susceptible to the effects of air, employing a mechanism that mitigates oxygen uptake is crucial to prevent the creation of undesirable radicals. In order to prevent the reaction between air and chemicals argon gas is used and noble gas environment is obtained. Two kind of argon gas is used to obtain inert atmosphere. One of them has high purity with 99.9999% the other is industrial argon gas with 99.999% purity. The present study reports the successful production of PMMA/Nanofiller nanocomposites and PMMA composites through the implementation of the Atom Transfer Radical Polymerization (ATRP) technique. In order to assess the quality of the nanocomposites produced, the experimental setup is employed. This study involves examining changes in the PMMA/MWCNT composites according to their diameter change and exposure of air. With low purity argon gas, the composite structures exposed to air and structure became soft due to oxidation of MMA. For characterizing the nanocomposite, Scanning Electron Microscope (SEM), Fourier Transformation Infrared Spectroscopy (FT-IR), X-Ray Diffraction (XRD), Thermogravimetric Analysis (TGA), Raman Spectroscopy, X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Ultrasonic Test, Static Contact Measurement analysis, Shore D hardness measurement and Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS) Analysis have been carried out. In the SEM analysis, distribution of MWCNTs on the surface is examined. Crystal structures are examined by XRD. The FT-IR and Raman Spectroscopy findings demonstrate that the PMMA-nanoparticle interaction has effectively met the typical spectra of uniformity and specific peaks. The findings from X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis reveal a positive correlation between the percentage of nanocomposite mass and amplification of carbon and oxygen elements. Ultrasonic test was applied to get information about frequency. The addition of MWCNT increased the hardness. However, oxidation of MMA decreased. When evaluating composite materials featuring three distinct reinforcement diameters, it was observed that enhancing the diameter resulted in an increase in the contact angle. Speed of sound in the material is examined through frequency which is obtained from Grindo Sonic MK5. Composite with the lowest diameter had the highest frequency value. On the other hand, softer composites had lower frequencies. Raman spectra analysis resulted compatible with the base PMMA. In the FTIR analysis, stronger bonds with the diameter increase. Thermal stability is examined by thermogravimetric analysis and showed that diameter increasement improved the thermal stability. On the other hand, softer composites had lower thermal stability.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    942963

    MWCNT ve manyetik nanopartikül takviyeli PMMA'nınradyasyon zayıflatma katsayısının karşılaştırmalı olarak incelenmesi

    Comparative investigation of radiation attenuation coefficient of MWCNT and magnetic nanoparticle reinforced PMMA

    DENİZ HANDE AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  2. Tez No

    964647

    Yüksek manganlı çeliklerde kaynak sonrası uygulanan ısıl işlem rejiminin kaynak özelliklerine olan etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of post-weld heat treatment regime on weld properties of high manganese steels

    SELİM TOPCU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Metalurji MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET UYSAL

    DOÇ. DR. UĞUR GÜROL

  3. Tez No

    893329

    Soğutma sistemlerinde kullanılan nanoyağlayıcıların termal özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of thermal properties of nanolubricants used in refrigeration systems

    AYBÜKE ÖZKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYSEL KANTÜRK FİGEN

  4. Tez No

    958793

    Şarj edilebilir lityum-selenyum (li-SE) pillerin incelenmesi ve elektrokimyasal performansının geliştirilmesi

    Investigation of rechargeable lithium-selenium (li-SE) batteries and improvement of electrochemical performance

    TUTKU MUTLU ÇETİNKAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Kimya MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN

  5. Tez No

    601170

    Lignoselülozik biyokütleden ön arıtımla kombine biyoetanol ve metan üretim proseslerinin geliştirilmesi

    Development of Bioethanol and Methane Production Processes Combined with Pretreatment from Lignocellulosic Biomass

    ELÇİN KÖKDEMİR ÜNŞAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Çevre MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ

Geri Dön