Eklemeli imalat için ultra yüksek performanslı iletken nanokompozit filamanların üretimi ve karakterizasyonu

Eklemeli imalat diğer bir isimle üç boyutlu (3D) yazıcılar kesme ve düzenleme gibi işlem sonrası ekstra çalışmaları ortadan kaldırırken, katman üzerine katman biriktirmesi yöntemi ile çok çeşitli geometrik şekiller üretir. Eriyik yığma modelleme 3D yazıcı teknolojinin en çok kullanılan yöntemlerinden biridir. Bu metot termoplastik filamanı hammadesi olarak kullanır ve eriğik termoplastiği katman katman biriktirme prensibine dayanarak çalışır. şimdiye kadar eriğik yığma metodu ile sahip oldukları uygun fiyat ve kolay üretilebilirlik sebebiyle Akrilonitril Bütadiyen Stiren (ABS), polilaktik asit (PLA), poliamid (PA) en çok kullanılan polimerlerdir. Fakat bu polimerler yeterince sağlam ve dayanıklı olmadıkları için yapısal parça olarak yük taşımaya uygun değildirler. Ayrıca, bu polimerler kullanılarak üretilen yapılar da mekanik olarak kısıtlı olmaktadır. Bu sebeple yüksek performans polimerleri kullanıralarak üretilen 3D yapılara ciddi bir şekilde ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla, polieter imid (PEİ) ve polietereterketon (PEEK) gibi yüksek performans termoplastik malzemeleri güçlü iletken fakat yoğukça fazla metal ve metal alaşımlarının havacılık alınındaki kullanımda yerlerini alması için gelecek vaadeden polimerler olarak görülmektedir. Bu polimerlerin yüksek işlem sıcaklığı ve iyi çevre koşul gerekçeleri gibi zorlukları olmasına rağmen 3D baskı polimer bazlı 3D yapısal parçaların üretilmesinde yüksek hassasiyet, maliyet etkinliği ve özelleştirilmiş karmaşık 3D geometrilerde parça üretim imkanını içeren avantajlar sağlamaktadır. Başka bir kazanç ise polimer filamanlara nanomalzemelerin katılıp mikro yapılarını ayarlanmasıyla 3D yazıcılarda güçlü ama hafif polimer filamanları kullanma imkanı sağlanmaktadır. Birçok nanomalzeme arasında sahip oldukları yüksek en boy oranı, düşük kütle yoğuklukları ve üstün elektrik, mekanik ve termal özellikleri sayesinde karbon nanotüpler (KNTler) geçtiğimiz yıllarda araştırma odağı olmuştur. KNTlerin amorf yüksek performans PEİ polimerleri ile karıştırılması ile yeni kapasiteleri ve yenetekleri olan ve havacılık alanında uygulanabilir özgün geliştirilmiş malzemeler üretilmesi sağlamaktadır. Mühendislik malzemeleri ile 3D yazıcı teknolojisinin birleşimi kimyasal ve termal kararlı ve kompleks geometride iletken prototiplerin oluşumuna imkan sağlamaktadır. Daha da önemlisi, iletken katkı malzemeleriyle katkılandırılmış filamanlardan üretilen 3D objeler elektronları iletebilme özelliğine sahiptirler. Nanokompozit filamanlar üzerinde yapılan tüm bu yenilikçi yaklaşımlar özellikle havacılık gibi yüksek performans gerektiren alanlarda metal ve metal alaşımı yerine kullanımına olanak sağlaması amacıyla yapılmaktadır. Düşük yoğunluklu olan polimerlerin metallerin yerine geçmesiyle örneğin uçaklarda ağırlık azalması ve dolayısıyla harcanan yakıtın azalmasına olanak sağlamaktadır. Bu tez 3D yazıcılarda kullanılmak üzere KNT katkılı PEİ nanocompozit filamanların eriyik işlemi ile üretilmesini araştırmaktadır. İlk olarak isteğe göre uyarlanmış çift burgu ve tek burgu ekstruderler PEİ ve PEEK gibi termoplastikleri içeren yüksek performans polimerlerini işleme amacıyla tasarlanmıştır. Sonrasında, saf ve kütlece % 5 ve 7 KNT katkılı filamanlar çift ve tek burgu ekstruderleri kullanılarak üretilmiştir. Saf PEİ filamanı üretmek için kimyasal veya akışkanlandırıcı kullanılmadan sadece tek burgu ektruderi kullanılarak üretilmiştir. KNT katkılı polimerler ise hem çift hem de tek burgu vidalı ekstruderler kullanılarak hiç bir katkı maddesi kullanılmadan üretilmiştir. Tek burgu öncesinde, KNTler yan beslemeden ve PEİ granülleri ana beslemeden olmak üzere çift burgu ektrudere beslenmiş ve nanokompozitlerin granülatör aracılığıla kesilmesiyle KNT/PEİ nanokompozit granülleri elde edilmiştir. Kompozitin hem elektrik iletkenliğini hem de mekanik performansını etkileyeceği için KNTlerin PEİ içerisinde homojen olarak karışmasını sağlamak amacıyla çift burgu karışımı beş kere tekrarlandıktan sonra nanokompozitler granülatör ile kesilerek tek burgu ekstruderde işlem için hazırlanmıştır. 3D yazıcıya uygun olacak şekilde, KNT/PEİ granülleri sonrasında tek burgu ekstrüderine beslenerek 1.70 mm filamanlar üretilmiştir. Hem saf PEİ hem de KNT katkılı PEİ için diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termogravimetrik analiz (TGA) aracılığı ile termal karakterizasyon yapılmıştır. DSC sonuçlarına bakıldığında KNT katkısının PEİ'nin termal geçişini değiştirmediği görülmüştür. Bunun sebebinin eriyik işlem sırasında uygulanan yüksek kayma stresinden dolayı KNTlerin boylarında oluşan kısalma olduğu düşünülmektedir. TGA sonuçlarında KNT etkisinin PEİ'nin ayrışma sıcaklığında kaymaya sebep olduğu görülmektedir. 3D yazıcı ektrüzyonu için de önemli olarak, KNTlerin PEİ'nin termal geçişlerini ve termal bozulmasına önemli bir etkisi olmadıgı rapor edilmiştir. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) aracılığı ile morfolojik analiz yapılmıştır. SEM görüntülerinde KNTlerin PEİ matrisi içinde homojen olarak dağıldığı görülmektedir. Odaklanmış yükün demetli (FIB) mikroskobu ile 100 nm kalınlığında hazırlanan aüırlıkça % 0.1 ve 7 KNT/PEİ filamanlarına TEM analizi yapılmıştır. TEM görüntülerinde açıkça görüldüğü üzere KNTler PEİ matrisinde aglomere olmamasının yanı sıre hem homojen olarak dağılmış hem de dağıtılmiştir. Fakat aynı zamanda KNTlerin boylarında ciddi bir düşüş gözlemlenmiştir. Ekstrüzyon işlemi sonrası KNTlerin boyları 305 nm aralığında olduğu saptanıştır. Bu düşüşün temel sebebinin tekrarlı şekilde uygulanan çift burgu ekstrüzyonu olduğu düşünülmektedir. Ayrıca TEM görüntülerinden açıkça görüldüğü üzere KNTler ekstrüzyon ekseninde yönlenmiştir. Bu durum nanokompozit filamanların çekme mukavemetine ve elektrik iletkenlik özelliklerine sızıntı eşiğini düşürerek pozitif katkı yaptığı düşünülmektedir. KNT katkılı PEİ filamanlarının elektrik iletkenliği KNT miktarı arttıkça artış göstermiştir. Saf PEİ'nin yüzey iletkenliği 10^{-15} S/cm iken ağırlıkça % 7 KNT/PEİ filamanının yüzey iletkenliği 2.57x10^{-1} S/cm olarak saptanmıştır. KNT/PEİ nanokompozit sisteminin sızıntı eşiği kütlece % 0.1 ile 0.25 arasında olduğu sonucuna varılmıştır. Bu sonuç diğer polimer sistemleriyle karşılaştırıldığında oldukça düşüktür. Bunun sebebi hem KNTlerin homojen olarak dağılması hem de PEİ matriksinin sahip olduğu yüksek viscozite olduğu düşünülmektedir. Ayrıca, KNT eklenmesi hem özgül esnemezlik hem de özgül mukavemette atrtış gösterdiği görülmektedir. Kütlece % 7 KNT katkısı saf PEİ filamana göre özgül esnemezliği % 20 ve özgül mukavemeti % 10 arttırdığı gözlemlenmiştir. Sonuç olarak bu tezde KNT eklemenin PEİ filamanı üzerinde elektrik ve mekanik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Ek olarak, 3D yazıcıda üretilebilir yapısal polimerler için işlem ve malzeme gerekçeleri üzerinde durulmuştur. KNT katkisinin 3D yazıcılar için tasarlanan filamanda hem elektrik iletkenlik hem de mekanik performans olarak katkı sağladığı sonucuna varılmıştır. Morfolojik analizlerle gözlemlenen homojen KNT dağılımının hem elektriksel hem de mekanik özelliklere pozitif katkıda bulunduğu düşünülmektedir.