The effect of production parameters on the properties of continuous graphene oxide fibers

Lifler, çapının veya genişliğinin en az 100 katı uzunluğa sahip olan ve doğal bazlı veya üretilmiş olabilen bir malzemedir. Lifler, doğal ve sentetik elyaf olarak iki genel kategoriye ayrılır. Doğal lifler kökenine göre bitki, hayvan veya mineral bazlı olarak sınıflandırılabilir. Bitki bazlı lifler doğada kaybolabilme özelliğinden dolayı çevre dostudur. Hayvansal liflerden en çok kullanılanları ipek ve yündür. Bu sınıfa giren lifler tekstil sektöründe oldukça yoğun kullanılabilmektedir. Mineral liflere de asbest örnek verilebilir. Sentetik lifler, organik ve inorganik hammaddelerden kimyasal işlemlerle üretilir. Ayrıca bu lifler selüloz gibi doğal liflerin işlenmesi ile de üretilebilir. En çok kullanılan sentetik liflere örnek olarak polietilen, polipropilen, naylon verilebilir. Lifler fiziksel, mekanik ve kimyasal özellikleri ile karakterize edilebilir. Fiziksel özellikleri açısından değerlendirildiğinde liflerin L/D oranları önem taşımaktadır. Özelliklerine göre lifler farklı eğirme teknikleri ile üretilebilir. Eriyik eğirme yöntemi, ıslak eğirme yöntemi, kuru çekim yöntemi, kuru-jet çekim yöntemi, jel çekim yöntemi, faz ayrımı yöntemi, reaksiyon eğirme yöntemi, electrospinning yöntemi ayrı ayrı açıklanmış, avantaj ve dezavantajlarına değinilmiştir. En çok kullanulan yöntemler çalışmada listelenmiştir. Bu çalışmada ıslak eğirme yöntemi esas alınmıştır. Karbon ve karbon bazlı malzemeler doğada önemli bir rol oynamaktadır. Elektriksel özellikleri, kimyasal yapıları ve ısıl özellikleri bakımından karbon bazlı ürünler araştırmacılar tarafndan oldukça detaylı incelenmiştir. Grafen de karbon bazlı malzemeler ailesinin bir üyesidir. Günümüzde grafen çoğu araştırmacı tarafından ele alınan, oldukça geniş kullanım alanına sahip bir materyaldir. Araştırmalarda bu denli yoğun kullanılmasının başlıca nedenleri arasında; kolay işlenebilirliği ve düşük maliyeti ile birlikte yüksek verime sahip olması yer almaktadır. Grafen bu üstün özellikleri sayesinde pillerde, süperkapasitörlerde, yakıt hücreleri gibi enerji uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu uygulamaların yanı sıra; biyolojik uygulamalarda, kompozitlerde, optik uygulamalarda da kullanımı mevcuttur. Grafenin kolay işlenebilme özelliğinden yararlanılarak lif üretimi gerçekleştirilmiştir. Grafen ilk olarak 2004 yılında elde edilmiştir. Elde edilmesi sırasında özel ekipmana ihtiyaç duyulmamıştır. Yapışkan bantın grafit yüzeyinden çekilmesi işlemi ile tek tabaka grafen elde edilebilmiştir. Çok tabakalı grafen eldesi için ise işlem tekrarlanmıştır. Bu işlemin kesikli ve küçük ölçekli olması sebebiyle grafen elde etmek için farklı yöntemler denenmiştir. Bunlar arasında en önemlileri sıvı faz eksfoliasyonu yöntemi ve grafen oksitin indirgenmesi yöntemidir. Geliştirilen bu yöntemlerle büyük ölçekli üretimlere olanak sağlanmıştır. Grafen, grafitin tek tabakalı hali olarak tanımlanabilir. 2 boyutlu (2D) bir petek yapısının görünüşüne sahiptir ve yapısında sp2-bağlı karbon atomlarını ihtiva eder. Grafitten direkt olarak veya grafen oksidin indirgenmesi yolu ile elde edilebilir. Grafen oksit, grafitin Brodie, Hummers veya Staudenmaier gibi farklı yöntemlerle oksitlenmesiyle elde edilir. Bu yöntemler arasında en yaygı yöntemlerden biri Hummers yöntemidir ve bu çalışmada da Hummers yöntemi esas alınmıştır. Eksfoliye olmuş grafen oksit tabakaları, yüksek oranda oksitlenir ve yapısında bulunan epoksi, hidroksi ve karboksilik gruplar sayesinde karakterize edilebilir. Tez konusu olan çalışma temelde üç aşamadan oluşmaktadır. Öncelikle termal olarak ekfoliasyon işlemi uygulanmaktadır. Isıl işlem uygulamasının sonrasında Hummers yöntemi esas alınarak kimyasal işlem yapılmıştır. En son da ıslak eğirme yöntemi kullanılarak lif eldesi sağlanmıştır. Islak eğirme sırasında farklı banyolar kullanılmuştır. Üç temel işlem sırasında değiştirilen süreç değişkenlerinin grafen oksit liflerinin son özellikleri üzerine etkileri incelenip yorumlanmıştır. Eksfoliasyon süresi, sıcaklığı, ultrasonifikasyon uygulaması eklenmesi ve aktif karbon katkılanması gibi yöntemlerle parametreler değiştirilmiştir. Elde edilen liflerin yüzey özellikleri, mukavemetleri, kristal yapıları ayrı ayrı kıyaslanarak yorumlanmıştır. Öncelikle SEM görüntüleri alınan numunelerin yüzey özellikleri hakkına fikir sahibi olunmuştur. Yüzey özellikleri ayrıca AFM analizi ile de yorumlanmış ve iki analizin sonuçları kıyaslanarak değerlendirirlmiştir. Mekanik özelliklerin belirlenmesi ve kıyaslanması için mukavemet değerleri listelenmiştir. Analizler sonucunad en mukavim referanslı ürün belirlenip aktif karbon ilavesi bu numuneye yapılmuştır. Üretim parametrelerinden homojenizasyon aşaması sırasında farklı homojenizasyon teknikleri kullanılmıştır. Mekanik homojenizasyon ve ultrasonik homojenizasyon teknikleri ayrı ayrı numunelere uygulanmıştır. Ultrasonik homojenizasyon işleminin son ürün üzerine etkilerinin incelenmesinde ultrasonikasyon süresi de hesaba katılmıştır ve farklı sürelerde işlem tekrarlanmıştır. Eksfoliasyon süresinin artması, lifin Tex sayısında bir artışa neden olurken, daha uzun sürede ultrasonikasyon uygulaması, daha kısa ultrason süresi ve mekanik homojenizasyona kıyasla daha düşük bir Tex değeri elde edilmesine neden olmuştur. Daha kısa süreli ultrasonikasyon uygulamasının ve daha kısa eksfoliasyon süresinin, mekanik homojenizasyona kıyasla daha yüksek elektrik iletkenliğine yol açtığı gözlemlenmiştir. Ayrıca aktif karbon ilavesinin de lif üzerine etkileri incelenmiş ve aktif karbonun grafen lifi yüzey görünümünü pürüzlü ve gözenekli hale getirdiği gözlemlenmiştir. Aktif karbon katkınlanması elektrik iletkenliği üzerine etki etmezken, mekanik özellikleri oldukça olumsuz ektilediği görülmektedir. Mekanik özelliklerin yanısıra liflerin karbon ve oksijen yüzdeleri analiz yöntemleri ile belirlenmiştir. Bu analize göre ultrasonikasyon işleminin uzun süreli yapıldığı zaman bazı zayıf bağları kırdığı ve kırılan bu zayıf bağların yarattığı boşluklara serbest oksijenin bağlandığı ve C/O oranında düşme yaşandığı gözlemlenmektedir. XRD analizi kullanılarak liflerin kristal yapıları incelenmiştir. Kristal yapılarındaki değişiklikler diğer analiz yöntemleri ile kıyaslanarak yorumlanmıştır. Tüm analiz yöntemleri ve numune özellikleri bir arada düşünülerek ileriki çalışmalarda izlenecek yol bu sonuçlara göre belirlenmiştir. Bu çalışmanın ışığında, ileriki çalışmalarda lif mukavemetinin arttırılması adına en uygun parametreler seçilecek ve uygulama alanına bağlı olarak kullanıma sunulacaktır. Uygulama alanına göre son ürün özellikleri incelenecek vee n uygun özelliklere sahip olan numune referansı belirlenerek çalışmalara ışık tutulacaktır. Yapılan tüm çalışmalar sonucunda üretimi yapılan grafen oksit lifleri yüzey adsorpsiyon çalışmaları, iletken lif çalışmaları, sensor ve enerji uygulamaları gibi bir çok uygulamada kullanılabilmektedir.