Karbon nanotüp ve grafen esaslı ipliklerin mekanik özellikleri

Grafen ve karbon nanotüpler (KNT'ler) de dâhil olmak üzere karbon allotropları, üstün mekanik, elektriksel ve termal özelliklere sahiptir. Bu malzemeler akademik çalışmalarda ve endüstriyel alanda çok çeşitli uygulama alanları sunmaktadır. Nano düzeyde olan grafenin ve karbon nanotüp (KNT) malzemelerin moleküler mertebede gözlemlenen üstün malzeme performansının makro boyuta taşınması günümüzde ihtiyaç duyulan ve üzerinde çalışılan çalışma alanları arasında yer almaktadır. Bu alanda üzerinde çalışılması gereken malzeme, işleme ve süreç kaynaklı problemler bulunmaktadır. Ortaya çıkan problemleri çözme aşamasında "lif" formu, grafeni ve KNT kullanılabilir ölçeğe taşıyabilecek önemli yapısal formdur. Bu tez, geleneksel iplikçilik yaklaşımlarını kullanarak grafen ve KNTler gibi karbon nanomalzemelerinin lif üretiminde aşağıdaki yöntemleri izlemektedir: • Birincisi, grafen elyaflarının ıslak çekilmesidir. Bu yöntem, grafen oksit (GO) sentezi ile başlamıştır. Daha sonra GO elyaflarını sürekli olarak üretebilmek için özel ıslak çekim hattı kullanılmıştır. Ardından GO lifleri, kimyasal indirgeme yöntemleri kullanılarak grafen lifleri elde etmek üzere indirgenmiştir • Bu tezin ikinci amacı, KNT dizilerinden saf KNT liflerini çekebilmektir. Bu nedenle elyaf oluşumu için kuru çekim yöntemi seçilmiştir. KNT'lerin üretimi için çekilebilir KNT dizileri optimize edilmiştir. Bu tezin birincil amacı, esnek ve güçlü grafen lifleri üretmektir. Grafen iplik üretimi için öncelikle nano boyutlardaki GO parçacıkların ölçeklenebilir şekilde kimyasal eksfoliasyon yöntemine göre sentezlenmiştir. Modifiye Hummer metodu olarak da bilinen bu yöntemin seçilme sebebi endüstriyel boyutta da kullanılabilirliği ve bu alanda çevreye duyarlı (su bazlı) dispersiyonlarının hazırlanarak düzenli likit kristal yapının elde edilebilmesidir. Üretilen GO nanokatmanların fiziksel özellikleri, X ışını kırınımı (XRD) ve Raman spektroskopisi ile teyit edilmiş ve likit dispersiyonlarının lif çekiminde solüsyon olarak kullanımının uygun olduğu görülmüştür. GO sentezini takip eden aşamada laboratuvar ölçeğinde ıslak lif çekim hattının oluşturulması ve bu kurgunun endüstriyel boyuta geçişe olanak sağlayabilecek şekilde olması yer alır. GO malzemesini sisteme basan kısım, pıhtılaşma banyosu, yıkama banyosu ve toplama silindirinden oluşan hattın optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalarda çeşitli konsantrasyonlardaki GO yapıları ve oluşturulan ıslak çekim hattında bu süspansiyonların sırasıyla geçtiği çeşitli konsantrasyonlarda pıhtılaşma banyoları ve yıkama banyoları denenmiştir. Lifin yapısal formunu koruyabildiği gözlemlenen konsantrasyonların 30 mg ml-1 GO ve 40 mg ml-1 GO olduğu görülmüştür. % 3-5 NaOH / Etanol ve % 3-5 CaCl2 / Etanol: Deionize su (3:1) kompozisyonlara sahip koagülasyon banyolarının, liflerin yapısal bütünlüğüne yardımcı olduğu iplik boyunca sürekli GO fiber eğirmeyi sağladı gözlemlenmiştir. Ek olarak akabinde bulunan yıkama banyosu olarak metanol kullanımının lif formunu korumaya yardımcı olduğu ve mekanik özelliklerine katkı sağladığı görülmüştür. Üretilen GO liflerinin mekanik özelliklerin analizi çekme testiyle gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak üretilen bu liflerin yüzey morfolojileri ve çekme testi sonrası lif uçlarının kırılma morfolojileri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Üretilen GO liflerinin seçilen uygun kimyasal indirgenme metodu ile indirgenerek grafen liflerinin üretimi sağlanmıştır. Elektrik iletkenliği kazanmak için, GO indirgemesi, Hidroiyodik Asit (HI), Askorbik Asit (AA) ve Sodyum borohidrid (NaBH4) kimyasalları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, NaBH4 kimyasal indirgeme işlemi, 214 Scm-1 ile en yüksek elektrik iletkenliğine sahip grafen elyaflarını verdiğini göstermiştir. Son olarak tek aşamalı hat ile tamamlanacak şekilde oluşturulmuş ve üretilmiş multi-fonksiyonel grafen ve GO liflerinin mekanik özellikleri test edilmiştir. Sonuçlar, çekilen GO liflerinin özgül gerilme mukavemetinin 7 N/tex ve yüzde birim uzama değerinin (%) ise % 10 olduğunu ifade etmiştir. Literatürdeki çalışmalara kıyasla daha yüksek süneklik elde edilebilmiştir. Bu tezin ikinci amacın da ise kuru eğirme yönteminin uygulanmasıyla dikey olarak hizalanmış karbon nanotüplerinden (DY-KNT) lif üretimi bulunur. KNT iplik üretimi ise öncelikle kimyasal buhar biriktirme (KBB) metoduyla kaplamalı silikon yonga üzerinde çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) ormanını oluşturarak başlar. Bu yöntem yüksek saflıkta, büyük ölçekli üretim ve sistem prosedürünün kolay çeşitlendirilebilmesi gibi büyük avantajlar sağlar. Bu özelliklere ek olarak çekilebilir KNT ormanı formunda kaliteli üretim de yine bu üretim metodu ilemümkündür. Nano boyutlardaki bu ÇDKNT yapıların sonraki aşama için çekilebilir özellikler taşıması önemlidir. Bu aşama kaplama malzemesi, reçete parametreleri, üretim sıcaklığı ve süresi, karbon kaynağı, KNT uzunluğu gibi birçok parametreye bağlıdır ve bu parametreler bu tez kapsamında sistematik olarak incelenmiştir. Yapılan denemelerde temel olarak silikon yonga üzerine kaplama yapılan dört çeşit yonga üzerinde denemeler yapılmıştır. Bu yongalardan birincisi Fe (~ 2nm) kaplı, ikincisi SiO2 (~ 300 nm), Al2O3 (~10 nm) ve Fe (~ 2nm) kaplı, üçüncüsü Al2O3 (~10 nm) ve Fe (~ 2nm) kaplı ve son olarak dördüncüsü Al2O3 (~10 nm) ve Fe (~ 6nm) kaplı yongalardır. Tez kapsamında temel KBB protokolü üzerinden üç set deneme yapılmıştır. Buna ek olarak literatürde öne çıkan protokoller esas alınarak da deneysel çalışmalar yapılmıştır. Birinci set denemede su buharı beslenmeyen temel protokol üzerinden yukarda belirtilen üçüncü tip yonga kullanılarak çalışmalar yapılmıştır. İkinci set denemede ise aynı tip yonga kullanılarak KBB sistemine su buharının beslendiği çalışmalar yapılmıştır. Üçüncü set denemede ise dördüncü tip yonga kullanılarak çalışmalar yapılmıştır. Kullandığımız KBB sisteminde taşıyıcı gaz olarak helyum ve hidrojen, karbon kaynağı olarak ise etilen beslenmiştir. Her bir KNT dizisi boylarına ve çekilebilirliğine göre endekslenmiştir. Elyaf iplik çekimi kolaylığı dışında, D ve G tepe yoğunluğu (ID / IG) Raman spektroskopisi ile incelenmiştir. KNT dizilerinin uzunluğu optik mikroskop görüntülerinden görüntü işleme ile ölçülmüştür. Ek olarak KNT lif morfolojileri SEM görüntüleri ile incelenmiştir. KNT sentezini takip eden aşamada laboratuvar ölçeğinde kuru lif çekim hattının oluşturulması yer alır. Oluşturulan sisteme x ekseninde hareketi sağlayan motor ve büküm veren ikinci bir motor bağlanmıştır. Üretimi yapılan KNT ormanı bu konveyör bandın üstünde yer almaktadır. Sisteme bağlanan ikinci bir motor ise sivri uçlu bir metale döndürme hareketi vererek KNT ormanından iplik çekimini sağlar. Kuru çekim hattı için en uygun KNT seçilerek üzerinde denemeler yapılmıştır. Çekim işlemi sırasında iplik çekiminin temelini oluşturan büküm üçgeni oluşumu gözlemlenmiştir. Yalnız üretilen lifler kısa boyutlarda ve düzensiz iplik morfolojisine sahiptir. Buna rağmen Z büküm verilmiş ve 40° büküm açısına sahip KNT ipliklerin üretimi gerçekleştirilmiştir.