1. GİRİŞ
1.5. Aramid
Aramid kelimesi bir çeşit naylon olan aromatik poliamid maddesinden gelmektedir. Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel) olarak bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir. Aramidler -CO-NH- grupları ile aromatik karbon halkaları zincirlerinden oluşur. Polimeri elyaf haline dönüştürmek için kuvvetli mineral asit, oleum yağı veya klor sülfonik ile konsantre olmuş eriyik hazırlanır. Bunlar süzgeçten geçirilir ve nötralize edilmiş banyo içinden iplik olarak çıkar. Hem meme şekli hem de çekme derecesi başarılı elyaf üretimi için önemlidir. Elyaflar çekildikten sonra yıkanır, durulanır ve çekme altında 550°C sıcaklıklarda azot içinde ısıtılır. Önemli özellikleri;
· Genellikle rengi sarıdır.
· Düşük yoğunlukludur.
· Yüksek dayanıklılığa sahiptir.
· Yüksek darbe dayanımı vardır.
· Yüksek aşınma dayanımı vardır.
· Yüksek yorulma dayanımı vardır.
· Yüksek kimyasal dayanımı vardır.
· Kevlar elyaflı kompozitler cam elyaflı kompozitlere göre %35 daha hafiftir.
· Cam türü elyaflara yakın basınç dayanıklılığı bulunmaktadır.
Aramid elyafının bazı dezavantajları;
1. Bazı tür aramid elyafı ultraviyole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir.
2. Elyaflar çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır.
3. Genellikle polimer matrisler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının bazı kullanım alanları;
· Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşun geçirmez yelekler
· Koruyucu giysiler; eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve aksesuarları
· Yelkenliler ve yatlar için yelken direği
· Hava araçları gövde parçaları
· Tekne gövdesi
· Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum
· Fiber optik ve elektromekanik kablolar
· Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında
· Yüksek ıs ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb.
En çok bilinen ve kullanılan aramid elyafı Dupont firmasının tescilli ismi olan Kevlar’dır. Kevlar 29 ve Kevlar 49 olarak iki çeşidi bulunmaktadır. Kevlar 29 üstün darbe dayanımı özelliğine sahiptir ve bu nedenle çoğunlukla kurşun geçirmez yelek gibi uygulamalarda kullanılırlar (Çizelge 1.1).
Çizelge 1.1. Bazı elyaf veya liflerin (pekiştirici/takviye liflerin) özellikleri Malzeme Özgül ağırlık
1.6. Grafen/Grafen Oksit Bazlı Kompozitler
Polimer matrisli kompozitler için takviye olarak kullanılan grafen ve türevleri birçok önemli uygulamada büyük bir atılım göstermiştir. Geçen birkaç yıl içerisinde, araştırmacılar CNT-bazlı polimer kompozitlere benzer olarak grafen oksit ve grafen bazlı polimer kompozitler için başarılı adımlar atmışlardır. 2 boyutlu grafen daha iyi elektriksel, termal ve mekanik özelliklere sahip olmasının yanı sıra diğer CNT karbon fiberleri ve kevlar gibi destek materyallerinden daha geniş bir yüzey alanına sahiptir. Grafenin katkısı kompozitler elektronik alan, uzay, otomotiv ve yeşil enerji uygulamalarına çok iyi özellikler sunabilir. Son zamanlardaki grafen ve indirgenmiş grafen oksitin toplu sentezindeki ilerlemeler çeşitli polimer matrisleri içerisine bu benzersiz materyali karıştırmayı olan ilgiyi artırmıştır. Ancak üstesinden gelinmesinde birçok sorun vardır;
1. Grafen tabakalarının fonksiyonlandırılması
2. En düşük seviyede kümelenme ile materyallerin homojen dağılımı 3. Polimerlerle grafen oksit ve grafenin etkili karışımı
4. Ara ürünlerin yapılarını ve özelliklerini anlama
5. Grafen materyalinin katlanması, buruşması ve eğilmesinin kontrolüdür.
1.6.1. Grafen Katkılı Polimer Kompozitlerinin Sentezi
Polimer matrisli kompozitleri sentezleme yöntemleri arasında çözelti harmanlama (solution blending), eriterek karıştırma (melt mixing) ve polimerizasyon sırasında (in situ polymerization) yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu metotlar alt başlıklarda açıklanmıştır.
1.6.1.1. Çözelti Harmanlama (Solution Blending)
Çözelti harmanlama tekniği polimer bazlı kompozitlerin üretiminde yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Bu teknik polimerin, su ve aseton, dimetilformamid,
kloroform ve toluen gibi organik çözücülerde kolayca çözünmesini sağlar. Teknikte, polimer uygun bir çözücü içerisinde çözülür ve çözelti içerisinde disperse olmuş grafen çözeltisi ile karıştırılır. PMMA, PAA, PAN ve polyesterler gibi polar polimerler bu teknik ile organik çözeltilerde dispersiyonu iyileştirmek için isosiyanat, alkil amin vb. ile fonksiyonlaştırılmış grafen oksit ile başarılı bir şekilde karıştırılmıştır. Örneğin, esterleştirilmiş grafit, PVA-GO kompoziti üretmek için grafen oksit DMSO içerisinde çözülmüş PVA ile karıştırılmıştır (Salavagione ve ark., 2009).
Grafen tabakalarının dağılımını homojenize etmek için ultrasonik kuvvet kullanılabilir. Fakat uzun süre yüksek ultrasonikasyona maruz bırakmanın kompozit özelliklerine zararlı olabilecek grafen tabakalarında defektlere sebep olabileceği unutulmamalıdır. Grafen tabakalarını fonksiyonlaştırma, su ve diğer çözücülerde dispersiyonu sağlamaya yardımcı olabilir. Harmanlama sırasında polimer, tabakaların yüzeyini kaplar ve çözelti uzaklaştırıldıktan sonra her bir tabakayı birleştirir. Dağılım, spin kaplama ya da damla düşürme yönteminin kullanılması ile kontrol edilebilir. Grafen-PVA (Jiang ve ark., 2010), GO-PVA (Liang ve ark., 2009), Grafen–PVC (Vadukumpully ve ark., 2011), GO-PVA tabaka tabaka yükleme (Zhao ve ark., 2010), ve İGO-PVDF (Ansari ve ark., 2009) gibi çeşitli polimer kompozitler bu teknik kullanılarak hazırlanmıştır.
1.6.1.2. Eriterek Karıştırma (Melt Mixing)
Eriterek karıştırma tekniği, yüksek sıcaklık ve matriks polimerinde dağılımı arttırmak amacıyla “shear” kuvveti kullanılır. İşlem sırasında toksik çözücü kullanımdan sakınılmalıdır. Yüksek sıcaklık, polimer fazının sıvılaşmasını ve GO tabakaları arasındaki dağılımı kolaylaştırmaktadır. Eriterek karıştırma yöntemi, grafen tabaklarının yüklenmesi sonucu oluşan yüksek viskoziteden dolayı çözelti harmanlama yöntemine göre daha az verimlidir. İşlem hem polar hem apolar polimerlere uygulanabilir. Ayrıca bu teknik, geniş ölçekli termoplastik üretiminde oldukça pratik bir yöntemdir. Exfoliye Grafit-PMMA (Kalaitzidou ve ark., 2007), Grafen-Polipropilen (PP), GO-polietilen-2,6-naftalat (PEN) (Kim ve Macosko, 2008)
ve Grafen-Polikarbonat (Kim ve Macosko, 2009) gibi grafen katkılı kompozit çeşitleri bu yöntemle hazırlanır. Kimyasal indirgenmiş grafenin düşük verimliliği, grafenin bu teknikte kullanılmasını sınırlandırmaktadır. Ayrıca termal indirgemeyle yapılan grafen üretimi, endüstriyel ölçekte üretime uygun olabilir. Termal indirgemeyle fonksiyonel grupların uzaklaştırılması, polimerik matrikslerde ve özellikle apolar polimerde homojen dağılımı engelleyebilir.
1.6.1.3. Polimerizasyon Sırasında (In-situ polymerization)
Bu üretim tekniği, polimerizasyonun monomerleri içinde GO ve İGO’nun dağıtılması ile başlar. In situ polimerizasyon tekniği, fonksiyonel tabakalar arasındaki kovalent bağlarla polimer matriksinde çeşitli kondensasyon reaksiyonlarına olanak sağlamaktadır. Diğer taraftan, PMMA-GO (Jang ve ark., 2009), PP-GO (Huang ve ark., 2010) ve PE-Grafit (Fim ve ark., 2010) gibi kovalent bağlı olmayan kompozitler de bu teknikle hazırlanabilir.
Son zamanlarda PP’nin polimerizasyonunda, Şekil 1.4’de gösterildiği gibi grafen oksit tabakaları Mg/Ti katalizi eşliğinde Zieger-Natta in situ yöntemi kullanılmıştır. Hazırlanan kompozit, GO’nun iyi exfoliye olduğunu ve PP matriksinde homojen dağıldığını göstermiştir. In situ polimerizasyon yöntemi, genişletilmiş grafit ve grafen oksit gibi grafit-bazlı tabakaların polimer matriksler içinde yüksek düzey dağılımı da araştırılmıştır (Fim ve ark., 2010; Cheng ve ark., 2003).
Şekil 1.4. Zieger-Natta in situ yöntemi ile PP/GO nanokompozitleri üretimi
Yukarıda anlatıldığı gibi oluşturulacak grafen ve kompozitlerinin olası kullanım alanları; Enerji depolamada, süper (ultra) kapasitör, Li-iyon batarya mikrobiyal elektroliz hücreleri olarak ve enerji üretiminde, yakıt pilleri, mikrobiyal yakıt pilleri, enzimatik yakıt pilleri, fotovoltaik enerji üreteçleri (güneş enerjisinden) kullanılabilirler. İdeal grafen yapısına sahip pristen grafenin çeşitli fonksiyonel gruplar içermemesi nedeniyle organik polimerlerle kimyasal bağ oluşturduğundan bağlanmasında zorluklar vardır (Kuila ve ark., 2010). Buna karşılık grafen oksit taşıdığı oksijenli fonksiyonel gruplar ile organik polimerlere bağlanarak kararlı kompozitler oluşturabilmektedir (Dikin ve ark., 2007; Vickery ve ark., 2009;
McAllister ve ark., 2007) . Diğer taraftan, grafen organik çözücüler içinde daha iyi dağılım (dispersion) gösterirken, grafen oksit ise tersine sulu çözeltilerde iyi dağılım göstermektedir. Bu çalışmada grafen ve/veya grafen oksit ile kompozit oluşturması hedeflenen aramidlerin, içerdikleri aromatik yapılar nedeniyle pristen grafenin sp2 yapısıyla kuvvetli van der Waals etkileşimlerine girmesi ve böylece kompozit oluşturma sürecinde pristen grafenin homojen dağılımını sağlaması beklenebilir.
Pristen grafen ve grafen oksit birbirleri ile kuvvetli etkileşimlerle homojen bir birliktelik oluşturabileceği için bu ikisinin karışımının sulu ortamda aramid nanodispersiyonları ile homojen karışarak kompozit oluşturmaları da beklenebilir.
Bu çalışmada bütün bu olasılıklar denenerek değişik özellikte kompozitler elde edilecektir.
Ayrıca bu çalışmada grafitten grafen oksit ve grafen tabakalarının ayrıştırılması için mevcut olan tüm bilgi birikimi değerlendirilerek, hedeflenen amaca yönelik olarak birkaç değişik yöntem kombinasyonu kullanılacak ve grafitin tabakalarının ayrıştırılarak grafen ürünü oluşturulmasında tek tabaka grafenin çoğunluğunu oluşturduğu üstün nitelikli ürün elde edilecektir. Ayrıca grafen ve kompozitleri çok yakın bir zaman içinde, tahminen 5-10 yıl içinde çok sayıda yeni ürünle insan yaşamında yerlerini alacaklar. Tabi bu gelişmeler beraberinde ilgili teknolojileri ve ürünleri geliştirenlerin ekonomik olarak büyük faydalar sağlamalarına yol açacak. Bu çalışmanın amacı ülkemizin de bu konuya ilişkin teknoloji ve ürün geliştirme yarışına katılmasını sağlamak, bu bağlamda bir yandan grafen ve türevlerinin üretim teknolojilerinin geliştirilmesine katkı sağlanırken,
özellikle çeşitli grafen/polimer, grafen/metal, vb kompozitlerinin kullanıldığı ürünlerin, geliştirilen teknolojiler ile üretilmesini sağlayarak önemli bir katma değerin ülkemizde kalmasını sağlamaktır. Söz konusu ürünlerin bir kısmının başkalarından önce ve daha nitelikli üretilmeleri halinde dış pazarlarda da önemli paylara sahip olunabileceği söylenebilir.
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Zhen ve ark., (2010), hekzametilenamin ve adipik asidin polikondensasyonuyla sentezlenen nylon-6 polimerine grafen oksiti in-situ polimerizasyon yöntemi ile ekleyerek kuvvetlendirmişlerdir. Bu çalışma ile saf nylon-6 polimerinin 56Mpa olan gerilme direnci, ağırlıkça %0,01 oranında grafen oksitin eklenmesiyle 84Mpa ve %0,1 oranında eklenmesiyle 123Mpa’ya yükseltmiştir. Geliştirilen kompozit XPS, FTIR, TGA ve AFM ile analiz edilmiştir.
Chen ve ark., (2009), pH’nın grafen oksit üzerindeki etkisini çalışmışlardır.
Grafitin asidik ortamda oksitlenmesi ve ortamdan metal iyonlarını uzaklaştırmak amaçlı kullanılan %5’lik hidroklorik asitten dolayı grafit oksitin asitliğinin nötralleşmesinin gerektiği gözlenmiştir. Ultra saf su ile yıkanan süspansiyonun pH’sının artarak kolloid şekline dönüştüğü ve grafen oksitin zeta potansiyelinin daha yüksek olduğu ve bununla birlikte sentezlenen gafen oksitin stabilizasyonunun sağlanabileceği belirtilmiştir.
Nils ve ark., (2009), grafen sentezleme yöntemlerinin verimliliğini araştırmışlardır. Eksfoliyasyon metodunun, özellikle laboratuvar araştırmalarında kullanılan yüksek kalite ve saflıkta grafen sentezi için en uygun metot olduğunu ve bu metot ile elde edilen grafen tabakalarının boyutları açısından endüstriyel üretim için uygun olmadığı, kimyasal buhar biriktirme metodunun endüstriyel üretim için uygun olduğu gözlenmiştir.
Ishihara ve Drzal., (2010), aramid fiberlerinin epoksi matrisi arasındaki adezyon kuvvetini arttırma amaçlı araştırma yapmışlardır. Para tipli aramid fiberlerinin gerilme direncinin ve elastisite modülünün yüksek olmasına karşın yüzeyleri oldukça inerttir. Ve kompozit uygulamalarında fiber ve matris arasındaki adezyon kuvvetinin arttırılması gerekir. Araba lastiği uygulamalarında kullanılan aramid fiberleri epoksi ile kompoziti oluşturulmuş ve önceden 240ºC yüksek sıcaklık ile şartlandırılmış araba lastiğine katkılanmıştır. Bu çalışma, yüksek sıcaklık ile şartlandırma sonucu aramid fiberleri ile epoksi matrisi arasındaki adezyon kuvvetinin arttığını göstermiştir. Ayrıca yüksek sıcaklık aramid fiberlerinin gerilme direncini düşürmediği gözlenmiştir.
(Hearle, 2001), yaptığı çalışmada, metaaramid, paraaramid, karbon, cam, seramik gibi yüksek performanslı lifleri çeşitli kimyasal ve fiziksel özellikleri açısından detaylı olarak incelemiştir. Liflerin termal özellikler, mukavemetleri, elastikiyetleri, kesit yapıları gibi farklı bilgileri karşılaştırmalı olarak ele almış ve kullanım alanlarıyla ilgili sonuçlara ulaşmıştır. Nomex® ve Kevlar® liflerinin karışımlarında Nomex®’in termal izolasyon özelliği ile Kevlar®’ın yüksek mukavemet özelliklerinin karışımlarda birbirini tamamlayıcı etki göstereceği belirtilmiştir.
Das ve Prusty (2013), tarafından farklı uygulamalarda kullanılan yüksek esnekliğe sahip, transparan, iletken polimer olan PEDOT:PSS ile grafen kompoziti yerinde polimerizasyon ile hazırlanmış ve mükemmel transparanlık, iletkenlik ve daha iyi esneklik gösterdiğini belirtmişlerdir. PEDOT:PSS/Grafen kompozit filmi ile kaplanmış PMMA’nın PEDOT:PSS/Grafen ile kaplanmış kuvarsa göre daha yüksek iletkenliğe sahip olduğunu ve termal olarak daha stabil olduğunu ifade etmişlerdir.
Zhang ve ark. (2010), eriyik birleştirme yöntemi ile PET/grafen nanokompoziti hazırlamışlardır. Kompozitteki grafen oranı arttıkça PET/grafen nanokompozitinin iletkenliğinin hızla arttığını gözlemişlerdir.
Liu ve ark. (2008), DMF çözücü ortamında (solution blend) yöntemiyle PS/grafen kompoziti hazırlamışlardır. Hazırlanan kompozit yüksek hacimli metanol üzerine DMF damlatılarak koagüle edilmiştir. Daha sonra polistirenin hacminin
%2,4’ü oranında grafen çözeltisi eklenerek polistirenin yüzeyinin tamamının kaplandığını belirtmişlerdir. Ayrıca hazırlanan PS/grafen kompozitinin iletkenliği eklenen grafen oranıyla aynı oranda arttığını ifade etmişlerdir.
Potts ve ark. (2011), PMMA ve kimyasal olarak modifiye edilmiş grafen (CMG) dolgu malzemelerinin morfolojik ve termomekanik özelliklerini araştırmışlardır. İn situ polimerizasyon ile elde edilen %0,05’lik gibi çok düşük oranlarda kimyasal olarak indirgenmiş grafen oksit (İG-O) ve grafen oksit (G-O) dolgu malzemeri ile yüklenmiş kompozitlerin camsı geçiş sıcaklıklarda özellikleri gözlemlenmiştir. Oluşturulan kompozitlerin elastisite modülü %1’lik yükleme ile
%28 arttığı görülmüştür.
Jinchen ve ark., (2010), polimerleri katkılamak amacıyla nano dolgu şeklinde aramid nanofiber/grafen kompoziti sentezlemişlerdir. Toz formundaki aramid potasyum hidroksit varlığında dimetilsülfoksit içerisinde, çözelti rengi koyu kırmızı olana kadar oda sıcaklığında bekletilerek aramid nano fiberleri elde etmişlerdir.
Dimetilsülfoksit içerinde bulunan aramid nano fiberlerin üzerine yine dimetilsülfoksit içerisinde dağıtılmış grafen oksit çözeltisini karıştırmışlardır.
Oluşturuan çözeltiye, grafen oksitlerin, grafene indirgeme amaçlı hidrazin eklenmiş 80ºC’de 24 saat magnetik karıştırıcada karıştırılarak elde edilen kompozit materyalini karakterize etmişlerdir.
Saygılı ve ark., (2003), PMMA, PEMA ve BIS akril-kompoziti materyallerini cam ve aramid fiberleri ile katkılamışlardır. PMMA, PEMA ve BIS akril kompozit materyallerinden aynı boyutlarda 6 örnek hazırlayarak cam ve aramid fiberleriyle katkılandıktan hemen sonra 3 noktadan basınç uygulanmıştır. İstatistiksel test sonuçlarından, katkılanmış PMMA, PEMA ve BIS akril kompozit materyalleri katkılanmamış formlarına göre transvers kuvvetlerinde %20-50 oranında artma gözlemişlerdir.
3. MATERYAL VE METOD
3.1. Materyal
Çalışmada grafit materyali Qingdao Brilliance Graphite Co., Ltd-China‘dan satın alınmıştır.
Grafen/Kompozit oluşumunda kompozit ajanı olarak aromatik poliamid polimeri olan Twaron kullanılmıştır. Polimer matriks olarak ise polietilen ve polipropilen kullanılmıştır.
3.1.1. Kullanılan Kimyasal Maddeler
1. Grafit: Grafen eldesinde,
2. KMnO4: Grafitin oksidasyonunda, 3. H2SO4: Grafitin oksidasyonunda, 4. H2O2: Grafitin oksidasyonunda, 5. NaNO3: Grafitin oksidasyonunda, 6. Aramid: Kompozit oluşumunda, 7. Saf su: Çözücü olarak,
8. DMSO: Kompozit oluşumda çözücü olarak, 9. KOH: Aramid fiberleştirilmesinde kullanılmıştır.
3.1.2. Kullanılan Araç ve Gereçler
1. Gelimat: Eriyik madde hazırlamada, 2. Soğuk-sıcak press: Kalıplamada, 3. Shear mikser: Etkin karıştırma için, 4. Saf su cihazı: Saf su üretimi için,
5. Ultrasantrifüj: Çöktürme ve yıkama işlemlerinde, 6. Karıştırmalı ısıtıcılar: Isıtma işlemlerinde,
7. Ultrasonik banyo: Sonikasyon işlemlerinde,
8. Yüksek sıcaklık fırını: Isıl işlemlerde kullanılmıştır.
3.2. Metod
3.2.1. Grafit/Grafen Oksit Sentezlenmesi
Grafit/Grafen oksit sentezlenmesinde modifiye edilmiş Hummers metodundan yararlanılmıştır. Deneylerde gerçekleştirilen işlem basamakları Şekil 3.1’de gösterilmiştir.
Şekil 3.1. Genleştirilmiş Grafit Oksit (GGO), Grafen Oksit (GO) ve Grafen eldesi için çalışmada kullanılan fiziksel ve kimyasal işlemler
3.2.2. Grafit/Grafen Oksitin İndirgenmesi
Elde edilen grafit/grafen oksitlerin indirgenmesinde çeşitli indirgeme yöntemlerinden yararlanılmıştır. Bunlar arasında kimyasal indirgeme metotlarından biri olan hidrazin ile indirgeme ve termal indirgeme işlemleri gerçekleştirilmiştir.
Hidrazin ile indirgeme sırasında, elde edilen GO bir balona eklendi ve su ile seyreltildi (3mg/ml). Daha sonra hemen hidrazin mono hidrat (her 3mg GO için 1µl hidrazin mono hidrat) eklenerek, 80°C’de 24 saat boyunca indirgenmiştir. Elde
edilen siyah çökelti filtrelenerek iyice yıkanıp vakum etüvünde 90°C’de kurutulmuştur.
Termal indirgenme işlemi sırasında ise istenilen miktarda örnek cam bir kuvars içerisine konularak azot gazı akışı altında 5 dk boyunca 950°C’de Protherm marka tüp fırında indirgenmiştir.
3.2.3. Grafen Oksit-Grafen/Aramid Kompozitlerinin Eldesi
3.2.3.1. Aramid Fiberlerinin DMSO içinde dağılımı
Aramid fiberlerinin çözeltisi Kotov grubu tarafından anlatıldığı şekilde gerçekleştirilmiştir (Yang ve ark., 2011). 10g aramid, 15g KOH, 5L DMSO içerisine eklenmiştir. Bir hafta oda sıcaklığında koyu kırmızı renk elde edilene kadar karıştırılmaya devam edilmiştir.
3.2.3.2. Grafen Oksit-Grafen/Aramid Kompozitlerinin Hazırlanması
Bu işlem için elde edilen grafen oksit örnekleri DMSO içerisinde dağıtılmıştır (1mg/ml). Daha sonra bu karışım içerisine hazırlanan aramid fiber çözeltisinden (2mg/ml) ilave edilerek manyetik karıştırıcıda karıştırılmıştır. Karıştırma sonrası çözelti içerisine hidrazin ilave edilerek 100°C de 1 gün boyunca işleme tabii tutulmuştur. Süre sonunda oluşan katı filtrelenerek alınmış, DMSO ve su ile sırasıyla yıkanıp, 100°C de vakumlu etüvde kurutulmuştur.
3.2.3.3. Elastisite Katsayısı Belirlenen Kompozitlerin Hazırlanması
PE/GO, PE/İGO, PE/ANF, PE/ANFGO, PE/ANFİGO ve PP/GO, PP/İGO, PP/ANF, PP/ANFGO, PP/ANFİGO nanokompozitler eriyik harmanlama metodu kullanılarak termokinetik mikser ve sıcak-soğuk izostatik pres ile hazırlanmıştır.
Termokinetik mikser dışarıdan ısı almadan kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşümünden yararlanılarak partikül halindeki hammaddeyi preslenebilir (jöle)
kıvama getirir. Haznesi ve mikseri paslanmaz çelikten yapılmış ve 4800 devirle çalışır. Mikserin çalışma süresini belirleyen en önemli faktör beslenen hammaddenin miktarıdır. Miktar yükseldikçe kinetik enerji artar ve dolayısıyla kinetik enerjinin ısı enerjisine dönüşmesi daha çabuk olur. Böylelikle hammadde daha kısa sürede istenen kıvama gelir. Camsı geçiş sıcaklığına geldiği anda mikser otomatik olarak devrini düşürerek malzemenin aşırı eriyik hale gelmesini önler.
Üç farklı basınçta (35, 70, 115 bar) ve 130°C sabit sıcaklıkta kompozit üretimi yapılmıştır. En iyi kompozit eldesi için çeşitli deney süreleri denenmiştir.
Görsel ve fiziksel olarak en ideal deney süresi 35 ve 70 barda 5 saniye, 115 barda ise 300 saniye olarak belirlendi. Nanokompozitlerin sentezlenmesi ve son olarak elde edilen nanokompozitlerin özelliklerinin belirlenmesi amacıyla karakterizasyon işlemleri ile nanokompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerinde (elastisite) oluşan değişimler incelenmiştir.
3.3. FT-IR ve Raman Analizleri
Orijinal ve işlem görmüş örneklerin yapısında meydana gelen değişiklikleri (bazı fonksiyonel grupları) incelemek için Spectrum RXI FT-IR (Fourier Transformed Infrared, Perkin Elmer) spektroskopi sistemi kullanılarak 400-4000cm-1 aralığında infrared spektrumları alınmıştır. Katı haldeki 1mg numune yaklaşık 100mg potasyum bromür (KBr) ile havanda iyice karıştırılmış ve 10000-15000 psi’lik basınç uygulanarak saydam bir disk haline getirilmiştir. KBr referans alınarak her bir örneğin kızıl ötesi spektrumları alınmıştır. Ayrıca bazı örneklerin FT-IR analizi Thermo Scientific Nicolet iS10 FT-IR Spektrometre ile 650-4000cm-1 tarama aralığında ATR (attenuated total reflectance) tekniği ile yapılmıştır.
Raman analizleri Sabancı Üniversitesinde Renishaw InVia Reflex marka Raman mikroskopi sistemi ile (Renishaw Plc., New Mills, Wotton-under-Edge Gloucestershire, UK) 514nm’de argon iyon lazer ile 100–3200cm-1 aralığında yaptırılmıştır.
3.4. XRD Analizleri
Elde edilen grafen oksit ve indirgenmiş grafen oksitin X-Ray Diffraction (XRD) analizleri yapılmıştır. Bu analizler de İnönü Üniversitesi Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Merkezi’nde yaptırılmıştır. XRD analizleri dalga boyu 1,54056Å olan Cu/Ka1 radyasyonlu Rigaku RadB-DMAX II X-Işını Difraktometresi ile 0,02/6 (°/dk) tarama hızında ve 2q=5-90° aralığında tarama yapılarak elde edilmiştir.
3.5. SEM Analizleri
Orijinal ve işlem görmüş örneklerin taramalı elektron mikroskop (scanning electron microscope, SEM) ile görüntüleri alınarak yapısal ve morfolojik özellikleri incelenmiştir. SEM analizleri Leo-Evo 40 cihazı ile İnönü Üniversitesi Araştırma Merkez Laboratuvarı’nda ve bölümümüz SEM cihazında yaptırılmıştır.
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
4.1. Grafitin Oksitlemesine Oksidasyon Ajanının Etkisi
4.1.1. Potasyum Persülfat (K2S2O8) ile Oksidasyon
Grafitin oksidasyonu için potasyum persülfat, potasyum dikromat ve potasyum permanganat kullanılarak oksidasyon etkileri incelenmiştir. Potasyum persülfat nadir olarak kullanılan bir oksidasyon ajanıdır, inorganik bir tuzdur ve suda kolayca çözülür. Reaksiyona ekzotermik olarak 100°C’de başlar (Karamaki ve ark., 1983; Gmelins, 1938). Sulu ortamda ısıtıldığında potasyum persülfat bozunur ve oksijen açığa çıkar;
2K2S2O8 + 2H2O 4KHSO4 + O2
Potasyum persülfat kullanımındaki amaç grafitin oksidasyonu için alternatif
Potasyum persülfat kullanımındaki amaç grafitin oksidasyonu için alternatif