Polimer nanokompozitlerde dolgu maddesi olarak kullanılan karbon nanotüpler (CNT’s) düşük yoğunluk, yüksek dayanım, geniş yüzey alanı, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik gibi özelliklerinden dolayı eşsiz nanomalzemelerdir. Karbon nanotüplerin dolgu maddesi olarak kullanıldığı polimerik nanokompozit malzemeler ile ilgili yapılan çalışmalar gün geçtikçe artan bir ilgi ile araştırılmaktadır. Polimerik CNT nanokompozitleri otomobiller ve uçaklar için yüksek dayanım/ağırlık oranlarından dolayı uygun yapısal materyallerdir. Ek olarak, CNT’lerin yüksek elektriksel iletkenlikleri onları, elektromanyetik girişim koruyucu ve antistatik ambalajlar için uygun materyaller yapar. Polimerler ve polimer matriks kompozit malzemeler, ulaşım, otomotiv, havacılık, savunma, spor malzemeleri, enerji ve altyapı sektörleri dahil olmak üzere artan sayıda endüstriyel uygulamada kullanılmaktadır. Bununla birlikte, kompozit uygulamalarda karbon nanotüplerin etkin kullanımı, bunların bütünlüğünü bozmadan matriks boyunca homojen olarak dağılma yeteneğine büyük ölçüde bağlıdır. Matriksten CNT'ye transfer yükü kompozitlerin mekanik özelliklerinde önemli bir rol oynar. Eğer matriks ile CNT'ler arasındaki yapışma, yüksek yükleri sürdürebilecek kadar güçlü değilse, CNT'lerin yüksek gerilme mukavemeti etkisini kaybeder. Yük aktarımı, fiber ile matriks arasındaki arayüzey kesme gerilimine bağlıdır. Yüksek bir ara yüzey kesme gerilmesi, uygulanan yükü kısa
Polimerlerin optik ve elektriksel özellikleri CNT’ler gibi nanoparçacıkların ortama eklenmesi ile değiştirilebilir. Iijima’nın 1991’deki keşfinden sonra CNT/polimer matriksli malzemelerin hazırlanması oldukça fazla ilgi görmüştür. Boyut, üretim metodu, yöntem koşulları, polimer karakteri, dağılım ve nanotüplerin hizalanması gibi birçok etkili parametre olduğundan bu malzemelerin elde edildiği çalışmaların sonuçlarını genellemek oldukça zordur. Ancak çalışmaların çoğu CNT yüklenmiş kompozitlerin özelliklerinde, saf polimerlere göre önemli derecede iyileşme olduğunu göstermektedir [20]. CNT’lerin basit polimer materyallere eklenmesi onların elektriksel iletkenlik, iyi mekanik dayanım gibi özelliklerini etkileyici şekilde değiştirmektedir. CNT/polimer nanokompozitler kolayca kalıplanırlar ve elde edilen şekil verilmiş bu plastik maddeler, geleneksel karbon veya cam fiberlerin kullanıldığı polimer kompozitlerle karşılaştırıldığında kusursuz yüzey görünümüne sahiptirler. CNT ve polimer matriks arasındaki iyi ara yüzey çekimi (yapışma) kompozitteki yük transferi verimi için en önemli faktördür. Yani, oldukça yüksek dayanımlı polimer kompozitler için, kümelenme olmadan CNT’nin polimer matris içinde düzgün dağılımı ve böylece güçlü CNT polimer matriks etkileşimini göstermesi istenmektedir. CNT’nin dağılımına bağlı olarak CNT/polimer kompozitlerin üretimindeki zorluklardan dolayı, CNT’nin avantajları kompozitlerde tamamıyla kullanılamamaktadır. CNT yüzeyinin modifikasyonu CNT’nin ıslanabilirlik ve çözünürlüğünün geliştirilmesi için kullanılır. Bu modifikasyon kovalent bağlı veya kovalent bağlı olmayan şeklinde mümkündür. Kovalent bağlı olmayan yaklaşım yüzey aktif madde modifikasyonunu, polimer absorbsiyonunu içerir ve burada kullanılan polimerler, in-situ halka açılması polimerizasyonu veya emülsiyon polimerizasyonla üretilen polimerler olarak değişmektedir. Kovalent bağlı olmayan yaklaşımın avantajı, CNT’nin mükemmel yapısı ve mekanik özelliklerinin korunmasıdır. Dezavantajı ise, CNT ile matriks arasındaki kuvvetlerin oldukça zayıf olması ve bundan dolayı polimer matriksten CNT dolgu maddesine yük transferinin verimli olamamasıdır [21].
Ajayan ve arkadaşları yaptıkları çalışmada, PMMA’yı amorf karakterinden, iyi gerilme dayanımından, sertliğinden, yüksek rijit yapısından, yapısının kolay anlaşılmasından ve üretiminin geniş bir alan için uygun olmasından dolayı, yalıtım polimeri olarak tercih etmişlerdir CNT’ler düşük yoğunluk, yüksek en boy oranı, gerilim dayanımı ve sıradışı elastik modülü gibi üstün özelliklerinden dolayı
CNT nanokompozitleri otomobiller ve uçaklar için yüksek dayanım/ağırlık oranlarından dolayı uygun yapısal materyallerdir. Ek olarak, yüksek elektriksel iletkenlikleri CNT’leri, elektromanyetik girişim koruyucu ve antistatik ambalajlar için uygun materyaller yapar.
Polimer nanokompozit malzemelerde takviye dolgu maddesi olarak kullanılan CNT’ler ise düşük yoğunluk, yüksek dayanım, geniş yüzey alanı, yüksek termal ve elektriksel iletkenlik vb. özellikleriyle bilinen benzersiz nanomalzemelerdir. Karbon nanotüplerin dolgu maddesi olarak kullanıldığı polimerik nanokompozit malzemelerin üretimi ile ilgili yapılan çalışmalar gün geçtikçe artmaktadır.
1.2.1 Karbon Nanotüplerin Polimer Matriks İçerisinde Dağılımı
Polimer matriks ile CNT arasında 3 çeşit etkileşim söz konusudur [13].
a. Mikro-mekanik kilitleme: Nanotüpler ile hazırlanan kompozitlerde, bu
etkileşim, nanotüpler atomik olarak pürüzsüz yapıya sahip olduklarından zor olabilir. Altıgen olmayan kusurların bir sonucu olarak ortaya çıkan değişken çap ve bükümler/bükülmeleri de içeren, CNT boyunca bulunan bölgesel heterojenlik, mekanik kilitleme yoluyla CNT-polimer etkileşimine katıkıda bulunur.
b. CNT’ler ve matriks arasındaki kimyasal bağlar: Bu, bir stres transferini
sağlayan iyonik veya kovalent bağ aracılığıyla arayüzey etkileşimini geliştirir.
c. CNT’ler ve matriks arasındaki zayıf Van der Waals etkileşimleri: CNT ve
polimer arasında kimyasal bağ olmadığı zaman olası etkileşimin temeli elektrostatik etkileşim ve Van der Waals kuvvetleridir.
Polimer matriks içindeki CNT'lerin dispersiyonunu iyileştirmek için, optimum fiziksel harmanlama, yerinde polimerizasyon ve kimyasal fonksiyonelleştirmeler gibi çeşitli teknikler vardır.
a. Optimum fiziksel harmanlama: Konvansiyonel olarak doldurulmuş
polimerleri hazırlamak için yaygın olarak kullanılan birleştirme tekniği, polimerik kompozitlerde dolgu maddesi olarak mikron büyüklüğündeki dolgu maddelerinin yerine nano boyuttaki dolgu maddelerinin kullanılması durumunda, en uygun ve pratik
maddelerinden daha zordur. Polimer/CNT kompozitleri için, ultrasonikasyon ve yüksek hızlı makaslama gibi yüksek güç dağılım yöntemleri, bir polimer matrisinde CNT'lerin dispersiyonunu iyileştirmek için en basit ve en uygun olanlardır.
b. Yerinde Polimerizasyon: CNT’lerin işlenebilirliğini geliştirmek, elektriksel
manyetik ve optik özelliklerini iyileştirmek için, bazı iletken ve konjuge polimerler ile yerinde polimerizasyon gerçekleştirmek etkili bir yol olabilir.
c. Kimyasal Fonksiyonelleştirme: CNT'lerin yüzeyleri, polimer/CNT
kompozitlerinde iyi bir dağılım sağlamak için kimyasal olarak işlevsel hale getirilmeli ve arayüz alanı çok büyük olmasına rağmen, çevredeki polimer zincirleri ile bu ara yüzey arasında güçlü bir etkileşim olmalıdır.