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.