Bu bilimsel araştırma projesi kapsamında yürütülen çalışmalarda sırasıyla; (i) çeşitli morfolojik özelliklere sahip yapıda İP’ler (lif, ataş, küre, nano-tüp, nano-granül vb.) önceki bölümde bahsedilen “nano-lif tohumlamalı oksidatif polimerizasyon”, “oksidatif özellikli yüzey aktif madde şablonu”, “çevre dostu polimerizasyon reaksiyonları” ve “farklı metal tuzlarının oksidatif özellikleri yardımıyla gerçekleştirilen indirgenme/yükseltgenme (redoks) reaksiyonları” gibi yöntemler izlenerek sentezlenmiş, (ii) ardından elde edilen bu malzemeler kısa süreli MD enerjisine maruz bırakılarak aynı morfolojik özelliklere sahip nano-karbon halleri elde edilmiş, (iii) nano-granül, nano-lif ve nano-ataş morfolojisine sahip İP yüzeylerinin KNT’lerle dekore edilmesi amacıyla kısa süreli MD enerjisine maruz bırakılması sağlanmış ve son olarak (iv) elde edilen farklı özellikteki bütün malzemelerin morfolojik, termal, elementel ve spektroskopik özellikleri, elde bulunan test cihazları ile karakterize edilmiştir.
2.1 Nano-lif morfolojisine sahip İP’lerin nano-lif tohumlamalı polimerizasyon yöntemiyle sentezlenmesi
Tipik bir nano-lif tohumlamalı polimerizasyon reaksiyonunun adımları sırasıyla şu şekildedir. 50 mL’lik 1 M sulu hidroklorik asit (HCl) içerisine 0.1 mL iletken polimerin monomeri (pirol, anilin, o-toluidin vb.) eklenir. Manyetik karıştırıcı yardımıyla monomerin HCl içerisinde 10 dk. boyunca homojen olarak dağılması sağlanır.
Ardından reaksiyonu tohumlayacak olan 1 mL vanadyum pentoksit (V2O5) nano-lifleri karışımın içine damla damla eklenir. Açık sarı olan karışım rengi, bu ekleme sonucunda yeşilimsi bir renk alır ve reaksiyon ortamında lifsi oligomer yapılarının
9
oluştuğu gözlenebilir. Yaklaşık 30 sn. sonra oksidatif özellikli 1.15 gr amonyum peroksidisülfat ((NH4)2S2O8, APS) reaksiyon ortamına yavaşça eklenerek polimerizasyon reaksiyonunun başlaması sağlanır. APS’nin eklenmesiyle karışımın rengi aniden koyulaşır. Bu durum iletken polimerik yapıların oluşmaya başladığının en belirgin işaretidir. Yaklaşık dört saat süren reaksiyonun ardından, karışım vakum sistemi üzerine yerleştirilmiş bir filtre kâğıdından geçirilerek nano-lif morfolojisine sahip İP malzemenin toplanması sağlanır. Bu malzeme, reaksiyona girmemiş organik moleküllerin uzaklaştırılması ve saflığın arttırılması amacıyla birkaç defa sırasıyla HCl ve aseton durulaması uygulanır. Elde edilen son ürün 80 °C’lik etüvde bir gece boyunca kurutulup, içerisindeki nem uzaklaştırıldıktan sonra filtre kâğıdından toplanarak karakterizasyon uygulamaları için uygun bir ortamda saklanır.
2.2 Nano-ataş morfolojisine sahip İP’lerin oksidatif özellikli yüzey aktif madde şablonu yöntemiyle sentezlenmesi
Tipik bir nano-lif tohumlamalı polimerizasyon reaksiyonunun adımları sırasıyla şu şekildedir. Buzlu banyo içerisine yerleştirilmiş beherde bulunan 50 mL’lik 1 M sulu HCl aside 0.365 gr setiltrimetilamonyumbromür (CTAB) yüzey aktif maddesi (YAM) eklenir. Manyetik karıştırıcı yardımıyla YAM’in HCl içerisinde 10 dk. boyunca homojen olarak dağılması sağlanır. Ardından bu karışıma 0.58 gr APS eklenir ve 10 dk. daha manyetik karıştırmaya devam edilir. Sürenin sonunda, karıştırmada kullanılan mıknatıs reaksiyon ortamından çıkarılır. Son olarak karışım içerisine 1 mL iletken polimerin monomeri (pirol, anilin, o-toluidin vb.) damla damla eklenir.
Reaksiyon ortamına eklenen açık sarı renkli monomer damlalarının etrafı koyu bir renk almaya başlar. Bu durum iletken polimer oluşumunun ilk evresinin başladığını işaret eder. Reaksiyon kabının ağzı alüminyum folyo vb. ile kapatıldıktan sonra hareketsiz kalacak şekilde buzdolabına yerleştirilir. 24 saatlik polimerizasyon reaksiyonunun tamamlanmasının ardından karışım, vakum sistemi üzerine yerleştirilmiş bir filtre kâğıdından geçirilerek nano-ataş morfolojisine sahip İP malzemenin toplanması sağlanır. Bu malzemeden reaksiyona girmemiş organik moleküllerin uzaklaştırılması ve saflığın arttırılması amacıyla birkaç defa sırasıyla HCl ve aseton durulaması uygulanır. Elde edilen son ürün 80 °C’lik etüvde bir gece boyunca kurutulup, içerisindeki nem uzaklaştırıldıktan sonra filtre kâğıdından toplanarak karakterizasyon uygulamaları için uygun bir ortamda saklanır.
2.3 Nano-küre morfolojisine sahip İP’lerin çevre dostu oksidatif polimerizasyon yöntemiyle sentezlenmesi
Tipik bir çevre dostu oksidatif polimerizasyon reaksiyonunun adımları sırasıyla şu şekildedir. 50 mL’lik saf su (DI H2O) içerisine 1 mL iletken polimerin monomeri (pirol, anilin, o-toluidin vb.) eklenir. Manyetik karıştırıcı yardımıyla monomerin su içerisinde 10 dk. boyunca homojen olarak dağılması sağlanır. Ardından reaksiyonu tohumlayacak olan 1.27 gr demir diklorür (FeCl2) tozu karışımın içine yavaşça eklenir ve 10 dk. daha manyetik karıştırmaya devam edilir. Sürenin sonunda oksidatif özellikli 5 mL hidrojen peroksit (H2O2) reaksiyon ortamına yavaşça eklenerek polimerizasyon reaksiyonunun başlaması sağlanır. H2O2’nin eklenmesiyle karışımın rengi aniden koyulaşır. Bu durum iletken polimerik yapıların oluşmaya başladığının en belirgin işaretidir. Yaklaşık 12 saat süren reaksiyonun ardından, karışım vakum sistemi üzerine yerleştirilmiş bir filtre kâğıdından geçirilerek nano-küre morfolojisine
10
sahip İP malzemenin toplanması sağlanır. Bu malzeme, reaksiyona girmemiş organik moleküllerin uzaklaştırılması ve saflığın arttırılması amacıyla birkaç defa sırasıyla saf su ve aseton durulaması uygulanır. Elde edilen son ürün 80 °C’lik etüvde bir gece boyunca kurutulup, içerisindeki nem uzaklaştırıldıktan sonra filtre kâğıdından toplanarak karakterizasyon uygulamaları için uygun bir ortamda saklanır. Aynı reaksiyon sırasında, saf su içerisine monomer eklendikten sonra ortama V2O5 nano-lifleri de eklenirse, bu durumda nano-küre morfolojisi yerine nano-lif morfolojisine sahip İP’ler elde edilebilir.
2.4 Farklı metal nano-partikülleri ile dekore edilmiş nano-lif morfolojisine sahip İP kompozitlerinin çevre dostu redoks polimerizasyonu ile sentezlenmesi
Tipik bir çevre dostu redoks polimerizasyonu reaksiyonunun adımları sırasıyla şu şekildedir. 50 mL’lik H2O içerisine 0.1 mL iletken polimerin monomeri (pirol, anilin, o-toluidin vb.) eklenir. Manyetik karıştırıcı yardımıyla monomerin su içerisinde 10 dk.
boyunca homojen olarak dağılması sağlanır. Ardından reaksiyonu tohumlayacak olan 1 mL V2O5 nano-lifleri karışımın içine damla damla eklenir. Açık sarı olan karışım rengi, bu ekleme sonucunda yeşilimsi bir renk alır ve reaksiyon ortamında lifsi oligomer yapılarının oluştuğu gözlenebilir. Yaklaşık 5 dk. sonra oksidatif özellikli farklı metal tuzlarının (Au, Cu, Ag, Pt, Pd vb.) reaksiyon ortamına yavaşça eklenerek (0.01 M) polimerizasyon reaksiyonunun başlaması sağlanır. Metal tuzlarının eklenmesiyle karışımın rengi aniden koyulaşır. Bu durum iletken polimerik yapıların oluşmaya başladığının en belirgin işaretidir. Yaklaşık dört saat süren reaksiyonun ardından, karışım vakum sistemi üzerine yerleştirilmiş bir filtre kâğıdından geçirilerek farklı metal nano-partikülleri ile dekore edilmiş nano-lif morfolojisine sahip İP malzemenin toplanması sağlanır. Bu malzeme, reaksiyona girmemiş organik moleküllerin uzaklaştırılması ve saflığın arttırılması amacıyla birkaç defa sırasıyla saf su ve aseton durulaması uygulanır. Elde edilen son ürün 80 °C’lik etüvde bir gece boyunca kurutulup, içerisindeki nem uzaklaştırıldıktan sonra filtre kâğıdından toplanarak karakterizasyon uygulamaları için uygun bir ortamda saklanır.
2.5 Nano-lif ve nano-ataş morfolojisine sahip İP yüzeylerinin karbonizasyonu ve karbon nanotüplerle (KNT’lerle) dekore edilmesi amacıyla kısa süreli MD enerjisine maruz bırakılması
Farklı morfolojik özelliklere sahip nano-yapıdaki İP’lerin karbonizasyonu, bu malzemelerin belli bir süre MD enerjisine maruz bırakılmalarıyla sağlanır. Standart ev tipi bir MD fırın kullanılarak gerçekleştirilen bu işlemde; 0.1 gr nano-yapılı İP malzemesi kuvars bir kap içerisine konulur ve ağzı hafifçe kapatılan bu kap MD fırın haznesine yerleştirilir. 1250 W’lık MD enerjisine 5 dk. boyunca maruz bırakılan İP malzeme yüzeyinde bu işlem boyunca sürekli parlamalar, çok yüksek sıcaklıklara ulaşıldığını gösteren kızıl renk ve duman çıkışı gözlenir. Bazı sıra dışı hallerde nano-yapıdaki İP malzemenin içerisine konulduğu kuvars kabın eridiği de gözlenmiştir.
Süre sonunda, MD fırın haznesinden metal maşa yardımıyla çıkarılan kuvars kap oda sıcaklığında soğumaya bırakılır. Metal bir ıspatula kullanılarak nano-yapıdaki karbonize olmuş İP malzemesi kuvars kabın içerisinden toplanarak sonraki karakterizasyon uygulamaları için uygun bir ortamda saklanır.
Diğer bir uygulamada ise; toz halinde 0.1 gr nano-yapılı İP malzemesi, aynı miktardaki ferosen (Fe(C5H5)2) öncü kimyasalı ile ağzı kapalı plastik bir kap içerisinde
11
hızlı karıştırıcı kullanılarak 3500 devir/dk’da 2 dk. boyunca karıştırılır. Elde edilen bu homojen karışım kuvars bir kap içerisine aktarılır. Ağzı hafifçe kapatılmış kuvars kap, MD fırını haznesine yerleştirilir. 1250 W’lık MD enerjisine maksimum 1 dk. boyunca maruz bırakılan karışım malzeme yüzeyinde bu işlem boyunca sürekli parlamalar, çok yüksek sıcaklıklara ulaşıldığını gösteren kızıl renk ve yoğun duman çıkışı gözlenir. İşlem sırasında, nano-yapıdaki İP’ler MD enerjisini absorbe ederek aniden yüksek sıcaklıklara ulaşır. Bunlarla homojen karışmış halde bulunan ferosen partikülleri de yapılarında bulunan siklopentadienil gruplarına bozunur. Yine, ferosen yapısında bulunan demir, bu aşamada katalizör görevi yaparak (çekirdeklenme oluşturarak) bozunan siklopentadienil gruplarının yeniden düzenlenip, sıralanarak karbon nanotüplerin (KNT’lerin) oluşmasına neden olur. İşlem sonunda, MD fırın haznesinden metal maşa yardımıyla çıkarılan kuvars kap oda sıcaklığında soğumaya bırakılır. Metal bir ıspatula kullanılarak yüzeyinde KNT’ler büyümüş nano-yapıdaki İP malzeme kuvars kabın içerisinden toplanarak sonraki karakterizasyon uygulamaları için uygun bir ortamda saklanır.