Karbon Nanotüplerin Saflaştırılması ve Amin ile Fonksiyonelleştirilmesi

Epoksi miktarının ağırlıkça %0,1 oranında çok cidarlı karbon nanotüp içeren numunelerde, yüzey fonksiyonelleştirmenin etkisinin görülmesi için, bazı numuneler için karbon nanotüpte hiçbir işlem gerçekleştirilmemiş, diğerlerinde ise yüzey fonksiyonelleştirme işlemi uygulanmıştır. Fonksiyonelleştirme iki adımda gerçekleştirilmiştir. Saflaştırma adı verilen ilk adımda, nitrik asit/sülfürik asit hacimce 1:1 oranında karıştırılmış ve bu karışıma karbon nanotüp eklenerek 80°C sıcaklıkta, 30 dakika süreyle ultrasonik banyoda tutularak karıştırılmıştır (Resim 6.8a). Bu sürenin sonunda, karışım banyodan alınarak, saf su ile hem soğutulmaya ve hem de pH derecesi artırılmaya çalışılmıştır (Resim 6.8b). Yaklaşık olarak ortam sıcaklığına indirgenen fakat halen pH derecesi yüksek olan seyreltik asit karışımından karbon nanotüplerin filtrelenmesi için, gözenek çapı 0,2 µm olan filtre kâğıdı kullanılmıştır (Resim 6.9a). Filtre kâğıdı üzerinde biriken karbon nanotüpler, saf su ve etil alkol kullanılarak tekrar bir kapta biriktirilmiştir ve tekrar tekrar yıkama gerçekleştirilerek filtrelenmiş ve bu işleme pH seviyesi 7 olana kadar devam edilmiştir. Saflaştırma işleminden sonra, sürecin ikinci adımı olan amin ile fonksiyonelleştirme işlemine geçilmiştir (Resim 6.9b). Bunun için, saflaştırma işleminin sonunda asidik etkiden uzaklaştırılan karbon nanotüplerin her bir 0,2 gramı için, ağırlıkça %5 derişimdeki 200 ml hekzametilen diamin (HMDA) çözelti hazırlanmış ve karbon nanotüpler, bu çözeltiye katılmış ve bu hâlde

ultrasonik banyoda 25°C sıcaklıkta, 2 saat süreyle karıştırılmıştır. Bu işlemden sonra, cam beher içinde bulunan çözeltinin beher kapağı kapatılarak, manyetik karıştırıcıda 120°C sıcaklıkta beş gün boyunca karışımı sağlanarak, saflaştırılan karbon nanotüplerin amin ile yüzey fonksiyonunun gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir (Resim 6.9c). Beş günlük karıştırma işleminden sonra, saflaştırma sürecinde gerçekleştirilen nötralizasyon ve filtrasyon çalışmaları tekrar gerçekleştirilerek, karbon nanotüpler amin karışımından ayrılmış ve pH 7 seviyesine getirilmiştir (Resim 6.10). Bundan sonra, cam beher içinde bir miktar çözelti içinde bulunan karbon nanotüplerin fırında kurutulması adımına geçilmiştir. 100°C sıcaklıkta kurutulan karbon nanotüpler arasında meydana gelen topaklaşmanın ortadan kaldırılması için, ağzı kapalı cam beher içine alınan kuru hâldeki karbon nanotüplerin manyetik karıştırıcıda karışımı gerçekleştirilmiştir.

(a) (b)

Resim 6.8. a) Sülfürik ve nitrik asidin 1:1 oranında karıştırılması, b) KNT’lerin asit ile saflaştırılması sonrası saf suyla nötralizasyon işlemi

Saflaştırma ve fonksiyonelleştirme işlemine tabi tutulmuş olsun ya da olmasın, karbon nanotüp içeren numunelerde, karbon nanotüplerin matris içinde homojen dağılımının sağlanması için katyonik yüzey aktif maddesi ailesinden CetylPyridinium Chloride (CPC) kullanılmıştır. Bunun için, 50 g ağırlığında etil alkol içeren 250 cc hacmindeki cam behere 0,21 g CPC ve 0,25 g karbon nanotüp konulmuş ve ultrasonik banyoda 25°C bir saat süreyle karışımı sağlanmıştır (Resim 6.11a ve b). Daha sonra, bu çözeltiye 150 g epoksi ilave edilmiş ve 30 dakika süreyle banyoda karışımına devam edilmiştir. Sonrasında, 50°C sıcaklıkta 6 saat süreyle manyetik karıştırıcıya konularak çözücünün tamamen buharlaştırılması sağlanmıştır. Kompozit plaka üretim sürecinin ilk adımı olan elle yatırma ve sonrasında devreye alınacak vakum infüzyon adımlarının hazırlığı tamamlandıktan sonra, ortam sıcaklığında bulunan cam beher içindeki çözeltiye 37,5 g amin bazlı sertleştirici eklenmiş ve

ortam sıcaklığında beş dakika süreyle manyetik karıştırıcıda karıştırılmış ve elle yatırma işleminde havuz görevi görecek kaba boşaltılmıştır (Resim 6.11c).

(a) (b) (c)

Resim 6.9. a) KNT’lerin saf suyla nötralize edilmesi, b) hekzametilen diamin çözeltisinin hazırlanması, c) manyetik karıştırıcıda KNT’lerin amin ile reaksiyonunun gerçekleşmesi

Resim 6.10. Beş gün 120°C’de amin ile fonksiyonelleştirilen KNT’lerin ayrıştırılması E-cam tabakaların bu havuza yatırılması ve matris tarafından ıslatılması sonrası, vakum infüzyon sürecinin soyma kumaşı üzerine sırasıyla yerleştirilmesi işlemi yerine getirilmiştir. Burada, doğrudan vakuma alınmama sebebi, vakum infüzyon yönteminde yer alan spiral hortum üzerinde sarılı bulunan keçenin karbon nanotüpler için filtre görevi görmemesi

içindir. 400 mmHg seviyesinde gerçekleştirilen vakum ortamı sırasında, ilave olarak 100 g epoksi ve 25 g sertleştiriciden oluşan karışım, infüzyon süreci sırasında ihtiyaç duyacağı miktar olarak hesap edilmiş ve dolayısıyla bu karışım infüzyona dahil edilmiştir. Resim 6.11d ve Resim 6.11e’de, sırasıyla, vakum infüzyon süreci ile süreçten çıkmış kompozit plakanın görüntüsü bulunmaktadır.

(a) (b) (c)

(d) (e)

Resim 6.11. a) İnfüzyon sürecine dahil edilecek KNT’lerin gramajının ayarlanması, b) CPC’nin gramajının ayarlanması, c) KNT’lere amin ilavesi, d) vakum infüzyon süreci, e) üretilen nanokompozit plaka

E-cam/epoksi temelli tabakalı kompozit yapıda poliakrilonitrilden üretilmiş nano elyafın etkisi, cam elyafların silan ile işlem görmesinin etkisi, çok cidarlı karbon nanotüpün katyonik yüzey aktif maddesi ile homojen dağılımının sağlanarak etkisinin görülmesi ve

karbon nanotüpün amin ile yüzeyinin fonksiyonelleştirilmesinin etkisinin kırılma mekaniği açısından görülmesi amaçlanmış, aynı zamanda her bir eklenti ya da işlemin getireceği olumlu ya da olumsuz etkilerin görülmesi için ara üretimler gerçekleştirilmiştir. Üretilen kompozit plakaları çeşitleri Çizelge 6.2’de verilmiştir.

Çizelge 6.2. Üretilen numunelerin kodları ve üretim süreçleri

Numune kısaltması Tanım Üretim yöntemi

R Referans Vakum infüzyon (VARTM)

R+NF 7 kat nano elyaf takviyeli numune Elle yatırma (EY)+VARTM

R+CNT ÇCKNT takviyeli numune EY+VARTM

R+NF+CNT ÇCKNT eklenmiş, 7 kat nano elyaf tabaka _{takviyeli numune} EY+VARTM

R(F) Silan ile işlem görmüş numune VARTM

R(F)+NF 7 kat nano elyaf takviyeli, silanla işlem _{görmüş numune} EY+VARTM

R(F)+CNT ÇCKNT takviyeli, silanla işlem görmüş EY+VARTM

R(F)+CNT(F) Fonksiyonelleştirilmiş ÇCKNTs takviyeli, _{cam elyafları silanla işlem görmüş numune} EY+VARTM

R(F)+NF+CNT(F)-1 kat

Fonksiyonelleştirilmiş ÇCKNT takviyeli, cam elyafları silanla işlem, simetri katında nano elyaf tabaka bulunan numune

EY+VARTM

R(F)+NF+CNT(F)-7 kat

Fonksiyonelleştirilmiş ÇCKNT takviyeli, cam elyafları silanla işlem, her cam elyaf tabaka arasında nano elyaf tabaka bulunan numune

EY+VARTM