Poli(Etilen-alt-tetrafloroetilen) (ETFE) filmlere kontrollü RAFT polimerizasyonu ile çapraz bağlayıcı bir ajan varlığında polistiren aşılanması

Geleneksel Serbest Radikal Polimerizasyonu (SRP) ile yürütülen sentezlerde, polimerlerin molekül ağırlıklarının ve dağılımlarının kontrol edilebilmesi mümkün değildir. Bu durum SRP tekniklerinin, iyi tasarlanmış moleküler yapılara sahip polimerlerin sentezinde yaygın olarak kullanılmasına engel oluşturur. Diğer taraftan, Kontrollü Serbest Radikal Polimerizasyonu yöntemleri olarak bilinen teknikler ile polimer molekül ağırlığı ve dağılımının kontrol edilebilmesi mümkün olmuştur. Bu yöntemler arasında radyasyonla başlatılabilme özelliğine sahip tek teknik olan Tersinir Katılma-Ayrılma Zincir Aktarım Polimerizasyonu (RAFT- Reversible Addition-Fragmentation Chain Transfer), diğer yöntemlere nazaran neredeyse tüm vinil monomerlerin polimerizasyonuna uygun olması ve oldukça geniş çözücü-sıcaklık alternatiflerinde başarıyla uygulanabilmesi nedeniyle oldukça avantajlıdır. Kontrollü Serbest Radikal Polimerzasyonu yöntemleri ile sentezlenen polimerler, iyi tasarlanmış moleküler yapıya sahip olmaları dolayısıyla, sensör malzemelerin hazırlanması, polimer-protein konjugatları, silindirik, küresel, çok dallı ve benzeri özel mimarideki polimerik malzemelerin geliştirilmesi ya da pH veya sıcaklık gibi farklı dış etmenlere karşı duyarlı akıllı polimer sistemlerin tasarımı gibi farklı alanlarda etkin olarak kullanılmaktadır. Yakıtın enerjisini bir dizi elektrokimyasal reaksiyon aracılığı ile doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yakıt hücreleri arasında, özellikle Polimer Elektrolit Membranı (PEM) içeren yakıt pilleri (PEMFC, Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücresi olarak da bilinirler), ulaşım ve küçük boyutlu enerji üretim sistemlerinde kullanım avantajları ile önemli bir yere sahiptir. PEMFC sistemi kullanılarak geliştirilen elektrikle çalışan ilk otomobilden bu yana, pek çok farklı tür ve modelde taşıt, yakıt olarak hidrojeni kullanıp elektriğe dönüştürme temeline dayanan bu sistemleri kullanmıştır. PEMFC sistemlerinde maliyeti belirleyen en önemli faktörlerden biri elektrolit sistemde madde geçişini sağlayan membranlardır. PEM olarak bilinen bu membranlarda kullanılan en yaygın malzeme, DuPont firması tarafından üretilen Nafion'dur. Fakat bu membranın maliyetinin çok yüksek olması elektrikli araçların, fosil yakıtlarını kullanan mevcut araçların yerini almasını zorlaştıran parametrelerden biridir. Bu sebeple mevcut sistemlerin performasının artırılması ve maliyetlerin düşürülmesi için yeni membranların sentezlenmesini amaçlayan çalışmalar özellikle son yıllarda büyük hız kazanmıştır. Düşük maliyetli ve aynı zamanda yüksek performans gösteren alternatif PEM malzemelerin geliştirilmesinde izlenen en temel yollardan biri, istenilen mekanik ve termal özelliklere sahip, ancak aynı zamanda düşük maliyetli florlu polimer filmlere, radyasyonla başlatılmış aşılama tekniği ile proton iletkenliği için gerekli olan fonksiyonelliğin kazandırılmasıdır. Bu zamana kadar yürütülen çalışmaların pek çoğunda, aşılama işlemi için Geleneksel Serbest Radikal Polimerizasyon (SRP) tekniği kullanılmıştır. Fakat istenilen üst düzey yapısal kontrolün sağlanması bu yöntemle mümkün değildir. PEMFC hazırlanması için Kontrollü Polimerizasyon Yöntemlerinin (KPY) avantajları önceki bazı çalışmada ortaya konmuştur. Ancak bu çalışmalar yetersizdir ve Radyasyonla Başlatılmış Aşılama Tekniği ile bir çapraz bağlayıcı ajan varlığında kontrollü polimerizasyon yöntemlerinin PEM hazırlanması amacıyla uygulaması literatürde mevcut değildir. Bu tez çalışmasında, uygun maliyetli poli(etilen-alt-tetrafloretilen) (ETFE) filmlere radyasyon başlatıcılı kontrollü RAFT Polimerizasyonu ile çapraz bağlayıcı bir ajan varlığında (DVB) polistiren aşılanarak, elde edilen aşı kopolimer filmin sülfolanması ile PEM elde edilmesi amaçlanmıştır. Geleneksel yöntemlerle sentezlenen PEM'lere kıyasla RAFT mekanizmasıyla sağlanacak yapı kontrolü ve homojenlik sayesinde, başta proton iletkenliği olmak üzere, daha üstün özelliklere sahip özgün PEM'lerin sentezlenmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında hazırlanan farklı aşılama derecelerine sahip membranlar ATR-FTIR, SEM-EDX, AFM, TGA, XPS ve DMA teknikleri ile karakterize edilmiştir. Bu kapsamlı karakterizasyonlar, kopolimer bileşimlerinde aşılanmış polistiren (PS) zincirlerinin varlığını ve sülfonasyonun başarısını doğrulamak için kullanılmıştır. Özetle, ATR-FTIR sonuçlarından sentezlerin başarıyla gerçekleştirildiği anlaşılmış, AFM görüntüleri incelendiğinde aşılama sonucunda yüzey pürüzlülüğünün arttığı görülmüştür. DMA ve TGA'dan elde edilen sonuçlar, membranların performansı ve mekanik-termal kararlılığı ile ilgili önemli ve umut verici sonuçlar sağlamıştır. DVB varlığında sentezlenen membranların kimyasal direncinin, DVB olmadan sentezlenenlere kıyasla yaklaşık 4 kat arttığı tespit dilmiştir. DVB kullanımına bağlı olarak proton iletkenliğinde azalma olmasına rağmen kimyasal kararlılıkta önemli bir artış olması, çapraz bağlanma reaksiyonlarının olumlu bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. %45 ve %67 aşılama oranına sahip membranlar, literatürdeki pek çok alternatiften ve bilhassa ticari Nafion örneklerinden daha yüksek proton iletkenliği sergilemiştir.