Enerji Verimi Sağlayan Gürbüz Kaotik Karıştırıcı ve Manipülatörü Tasarımı ve Gerçeklemesi

Transkript

1 T.C. İZMİR KÂTİP ÇELEBİ ÜNİVERSİTESİ Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi PROJE FİNAL RAPOR FORMU Projenin Başlığı Proje No Proje Yürütücüsü Araştırmacı Enerji Verimi Sağlayan Gürbüz Kaotik Karıştırıcı ve Manipülatörü Tasarımı ve Gerçeklemesi FMBP-09 Yrd. Doç. Dr. Savaş ŞAHİN Doç. Dr. Özgür SEYDİBEYOĞLU, İKÇÜ Malzeme Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Yalçın İŞLER, İKÇÜ Biyomedikal Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Erkin Gezgin, İKÇÜ Mekatronik Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Fatih Cemal CAN, İKÇÜ Mekatronik Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Özgün BAŞER, İKÇÜ Mekatronik Mühendisliği Yrd. Doç. Dr. Kadir VARDAR, DPÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Prof. Dr. Cüneyt GÜZELİŞ, YÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ali Emre KAVUR, İKÇÜ, FBE, Biyomedikal Teknolojiler YL Öğrencisi Proje Türü ÖNAP Proje Grubu ( X ) Fen ve Mühendislik ( ) Tıp ve Sağlık ( ) Sosyal Bilimler Rapor No 6 (Final) Kapsadığı Tarih Dönem 01/04/ /10/2016 Tahsis Edilen Ödenek TL Gerçekleşen Harcama Tutarı - 1. Dönem İçindeki Projeyle İlgili Bilimsel ve/veya Teknik Gelişmeler: Gelişmeler proje planı ile karşılaştırılarak verilmeli, elde edilen veriler ile varılan ara sonuçlar, varsa materyal, yöntem ve kapsam değişikleri belirtilmeli ve tartışılmalıdır. Bir önceki dönemde proje kapsamında, gürbüz kaotik karıştırıcı sistemin mekanik ve elektronik yapısını kurmak için gereken malzemeler ve hizmet alımı tamamlanmış, proje kapsamında üretilecek olan iki adet karıştırıcıdan tamamının imalatı bitirilmiştir. Kurulan yapıların üzerindeki motorların kaotik olarak sürülmesi aşaması tamamlanmıştır. Bu dönemde ise; polimer nanokompozitlerin etkin karıştırılması, homojenlik analizleri ve üretilen nanokompozit malzemenin mikroyapısal, mekanik ve elektriksel karakterizasyonu tamamlanmış ve sonuçlar bu raporda sunulmuştur. Polimer Nanokompozitlerin Etkin Karıştırılması, Homojenlik ve Enerji Tüketimi Analizleri Polimer nanokompozitlerin etkin karıştırılması ve homojenlik analizleri sistemin çalıştığı dört farklı senaryo için ayrı ayrı yapılmıştır. Bu senaryolar:

2 1. Sabit hız, sabit konum 2. Sabit hız, kaotik konum 3. Kaotik hız, sabit konum 4. Kaotik hız, kaotik konum Sabit hız, sabit konum senaryosunda, delta robotun ucundaki karıştırma pervanesi karıştırma kabının tam ortasına denk gelecek şekilde sabit konuma ayarlanmıştır. Ayrıca söz konusu pervane de sabit tam hızda döndürülmüştür. Sabit hız, kaotik konumda ise karıştırıcı pervane sabit hızla dönerken, pervanenin konumu kurulan kaotik sistemin çıktılarını izleyecek şekilde yarım saniye aralıklarla değiştirilmiştir. Kaotik hız, sabit konum senaryosunda karıştırıcı pervanenin hızı kaotik olarak değiştirilirken konumu kabın merkezinde olacak şekilde sabitlenmiştir. Kaotik hız, kaotik konum durumda hem karıştırıcı pervanenin dönüş hızı hem de koordinatları oluşturulan kaotik sistemler tarafından değişken olarak sürülmüştür. Delta robotun ucundaki DC motorun kaotik olarak sürüldüğü senaryolarda, önceki raporda anlatılan SMC yöntemi kullanılmıştır. Karıştırma deneyleri kapsamında karıştırılacak olan polimer nanokompozit olarak grafen maddesi kullanılmıştır. Grafenin temelinde karbon atomları yer almaktadır ve karbon atomu birçok farklı maddenin içeriğinde bulunmaktadır. Elmas, grafit, fulleren, karbon nanotüp gibi yapılar karbon atamonun farklı dizilimlerinden meydana gelmektedir. Grafen yapısında diğer karbon bazlı yapılardan farklı olarak atomlar altıgen (bal peteği) şeklindeki bağ ile birbirlerine bağlıdır [1]. Grafeni diğer yapılardan ilginç kılan özellik ise tek boyutlu atom diziliminden meydana gelmesidir. Atomlar yalnızca yatay düzlemde birbirlerine bağlıdır. Yapının düşey düzlemdeki kalınlığı sadece bir atom boyutundan oluşmaktadır. Bu özelliği sayesinde grafen bilinen ilk tek katmanlı yapıdır [2]. Gelecekte grafen temelli uygulamaların oldukça yaygınlaşması beklenmektedir [3]. Grafen temelli tranzistör, pil, sensör üretimi gibi araştırma alanları mevcuttur. Bunlara ilaveten grafen içine katıldığı yapıya elektrik ve ısı iletkenliği de sağlamaktadır. Grafenin tek katmanlı atom yapısı sebebiyle diğer malzemeler ile homojen şekilde karışması zordur [4]. Projede karıştırma deneyleri için seçilmesinin sebebi budur. Bu özelliği sayesinde karıştırma yöntemleri arasındaki performans farkının daha net bir şekilde gözlemlenmesi hedeflenmiştir. Projede kullanılan grafen nanoplatelet (GnP) yapıdadır. Üretici firmadan alınan teknik bilgiler Tablo.1 de belirtilmiştir.

3 Tablo 1. Projede kullanılan grafen maddesinin teknik bilgileri [3] Marka xgnp Yapı Nanoplatelet (GnP) Yüzey alanı 500 m2/g Görünüm Siyah granül Yoğunluk g/cc Bağıl Çekim g/cc Grafenin karıştırılacağı malzeme olarak DYO firmasından numune olarak tedarik edilen su bazlı son kat boyası karıştırma deneylerinde kullanılmıştır. Her bir karıştırma yöntemi için 125 mikrogram grafen kullanılmıştır. Homojenizatör ile hazırlanan grafen katkılı çözelti, 500 ml su bazlı boyanın içine katılmıştır. Karıştırma işlemi 30 dakika boyunca uygulanmıştır. Her bir karıştırma yöntemi için aynı deney adımları uygulanmıştır. Tüm karıştırma deneylerinin birebir aynı şartlar altında gerçekleştirilmesine oldukça dikkat edilmiştir. Karıştırma sonucu elde edilen malzemeler, malzeme karakterizasyon analizleri için kullanılmıştır. Karıştırma işlemine ait örnek görüntüler Şekil 1 de gösterilmektedir. Şekil.1 Grafen nanoplatelerlerin su bazlı boya ile karıştırılması

4 Emilim Homojenlik Analizleri Elde edilen karışımların homojenlik analizleri Fourier Transform Infrared Spectroscopy Analysis (FTIR) Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektrometre analizi yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem ile test edilen maddenin kızılötesi ışınları emilim veya yansıma spektrometresi elde edilmektedir [5]. FTIR yöntemi temel olarak şöyle çalışmaktadır; test yapılacak numuneden ince bir film tabaka elde edilir. Kızılötesi bir ışık kaynağından tam spektrumlu bir ışık demeti numune üzerine gönderilir. Numunenin diğer tarafından geçebilen ışık demeti bir detektör ile tespit edilir. Bu ışık demetinin spektrumu çizdirilir. FTIR yönteminde gönderilen ışık demeti test edilen numune içindeki tüm farklı moleküllere çarpmaktadır. Bazı ışınlar moleküllere çarpıp yansıma sonucu karşı tarafa geçerken bazıları moleküller tarafından sönümlenmektedir. Her molekülün sönümlediği veya yansıttığı ışın demetine ait dalga boyu spekturumu benzersizdir. Bu özellik sayesinde FTIR analizi ile test numunesi içindeki her bir molekül türünün ayrımını yapmak mümkündür [6]. Projede kullanılan GnP yapısındaki grafene ait FTIR spektrumuna göre projede kullanılan grafen dalgaboyu/cm-1 değerlerinde belirgin şekilde yüksek emicilik göstermektedir. Bu özellik bölüm sonunda anlatılan karıştırma sonuçlarını yorumlanırken kullanılmıştır. Dört farklı karıştırma senaryosu ve saf boya için FTIR analizleri İzmir Katip Çelebi Üniversitesi Malzeme Mühendisliği Bölümü laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Şekil 2 de sunulmuştur. Sonuçların daha detaylı ve verimli analizi için grafenin emiciliğinin yüksek olduğu dalgaboyu/cm-1 aralığına daha yakından bakmak gereklidir. Saf boya Sabit hız, kaotik konum Kaotik hız, kaotik konum Sabit hız, sabit konum Hız kaotik, konum sabit 0,15 0,13 0,11 0,09 0,07 0,05 0,03 0,01-0, Dalgaboyu/cm -1 Şekil 2 Test numunelerinin FTIR analizi sonuçları ( dalgaboyu/cm-1 aralığı) Grafenin saf boya içindeki karışım homojenlik miktarı arttıkça, FTIR spektrumlarının saf boyadan daha fazla farklılaşması beklenmektedir. Grafikte görülen sonuçlara göre dalgaboyu/cm-1 aralığında saf boyaya ait sonuçlardan en farklı olarak elde edilen sonuç kaotik konum, kaotik hız senaryosunda gerçekleşmiştir. Kaotik hız, sabit konum karıştırma da buna oldukça yakın bir sonuç vermiştir. Bu sonuçlardan sonra sabit hız ve kaotik konumla karıştırma gelirken sabit hız ve sabit konumdaki geleneksel karıştırma en düşük sonuçları

5 vermiştir. Yukarıdaki verilere göre en başarılı karıştırma kaotik konum, kaotik hız ve kaotik hız, sabit konum yöntemleriyle elde edilmiştir. Yapılan bu homojenlik analizi sistemin başarısını tamamen değerlendirmek için tek başına yeterli değildir ancak kurgulanan kaotik karıştırma yönteminin performansa olumlu şekilde katkı sağladığının bir göstergesidir. Üretilen Nanokompozit Malzemenin Mikroyapısal, Mekanik ve Elektriksel Karakterizasyonu Bu iş paketinde elde edilen grafen ve su bazlı boya karışımlarının malzeme karakterizasyonları yapılmıştır.yapılan homojenlik analizlerine ilaveten, karakterizasyon analizleri de sistemin başarısını değerlendirmek için yüksek öneme sahiptir. Elde edilen karışımlardan numuneler alınarak ince film şeklinde kurutulmuştur. Örnek bir uygulama Şekil 3 ten görülebilmektedir. Şekil 3 Karışımlardan film şeklinde numune elde edilmesi Projede bu aşamaya kadar Contact Angle (Temas açısı) karakterizasyon yöntemi uygulanmıştır. Temas açısı analizi, maddenin ıslanırlılığını (wettability) ölçen bir analiz yöntemidir. Malzemelerin mekanik karakterizasyonunu ölçmek için kullanılmaktadır [7], [8]. Temas açısı analizinde malzemeden alınan numune bir damla şeklinde olacak biçimde pürüzsüz düz bir yüzeye aktarılır. Şekil 4 de de görülebileceği üzere bu damlanın yüzey ile yaptığı açı ölçülür. Şekil 4 Contact Angle analizi

6 Maddenin ıslanırlılığı değiştikçe yüzey üzerindeki şekli ve temas açısı da belirgin şekilde değişmektedir. Bu karakterizasyon yönteminde öncelikli olarak karıştırmada kullanılan saf boyanın temas açısı referans oluşturması için ölçülmüştür. Ölçüme ait görüntü Şekil 5 te sunulmaktadır: Şekil 5 Saf boyaya ait Contact Angle analizi Yapılan ölçüme göre saf boyanın temas açısı olarak bulunmuştur. Dört farklı karıştırma yöntemi ile elde edilen numunelere de aynı test, aynı koşullar altında yapılmıştır. Testten beklenen sonuç, daha homojen olan karışıma ait temas açısı değerinin saf boyaya daha yakın çıkmasıdır. Şekil 6 da tüm karışım numunelerine uygulanan temas açısı analizine ait görüntüler ve Tablo 2 de toplu ölçüm sonuçları sunulmuştur. (a) (b) (c) Şekil 6 Dört farklı karıştırma yöntemine ait Contact Angle analizleri (a) sabit hız, sabit konum; (b) sabit hız, kaotik konum; (c) kaotik hız, sabit konum; (d) kaotik hız, kaotik konum (d)

7 Tablo 2 Contact Angle analizinin sonuçları Numune Temas açısı Saf boya Sabit hız, sabit konum Sabit hız, kaotik konum Kaotik hız, sabit konum Kaotik hız, kaotik konum Karışım içerisindeki grafen partikülleri homojen olarak dağıldıkça, karışıma ait temas açısı de saf boyaya yaklaşmaktadır. Eğer karışım içerisindeki partiküller homojen olarak dağılmayıp belli noktalarda toplanırsa, numuneden elde edilen damlalar pürüzsüz yüzeyde daha farklı tip şekiller oluşturmaktadır. Bu sonuçlar eşliğinde kaotik hız, kaotik konum karıştırma yönteminin en başarılı yöntem olduğu hem görsel hem de nümerik sonuçlardan rahatça gözlemlenebilmektedir. Referanslar [1] B. D. Pharmingen, Technical Data Sheet, xgnp Graphene Nanoplatelets. pp. 5 7, [2] A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, The electronic properties of graphene, Rev. Mod. Phys., vol. 81, no. 1, pp , Jan [3] A. K. Geim and K. S. Novoselov, The rise of graphene, Nat. Mater., vol. 6, no. 3, pp , Mar [4] Y. Zhu, S. Murali, W. Cai, X. Li, J. W. Suk, J. R. Potts, and R. S. Ruoff, Graphene and graphene oxide: synthesis, properties, and applications., Adv. Mater., vol. 22, no. 35, pp , Sep [5] S. Y. Lin and C. W. Dence, Methods in Lignin Chemistry, in Journal of Chemical Information and Modeling, vol. 53, S. Y. Lin and C. W. Dence, Eds. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1989, pp [6] R. Salzer, Peter R. Griffiths, James A. de Haseth: Fourier transform infrared spectrometry (2nd edn.), Anal. Bioanal. Chem., vol. 391, no. 7, pp. 1 2, May [7] Y. Yuan and T. R. Lee, Contact Angle and Wetting Properties BT - Surface Science Techniques, in Surface Science Techniques, vol. 51, no. Chapter 1, Springer Berlin Heidelberg, 2013, pp [8] P. G. De Gennes, Wetting: Statics and dynamics, Rev. Mod. Phys., vol. 57, no. 3, pp , Jul Dönem İçindeki İdari Gelişmeler: Varsa, araştırmacı değişikliği, ek süre, yürütücünün kurum değişikliği v.b. bilgiler verilmelidir. Bu dönem içinde değişiklik yoktur.

8 3. Dönem İçindeki Mali Gelişmeler: Gerçekleşen harcamalar, varsa sağlanan ek bütçe ve olumsuz gelişmeler v.b. hususlar verilmelidir. Proje kapsamında ek bütçe talep edilmemiştir. 4. Proje Çalışma Takvimine Uygun Yürümüyorsa Gerekçeleri: Proje çalışmaları kabul edilen çalışma takvimine uygun yürümüyor ise gerekçeleri açıklanmalıdır. Proje çalışma takvimine uygun tamamlanmıştır. 5. Çalışma Planı Değişiklikleri: Başvuru formunda ortaya konan plandan farklı bir durum oluşmuş ise, bir sonraki dönemde yapılması planlanan çalışmalar belirtilmelidir. Çalışma planında değişiklik yoktur. 6. Dönem İçinde Yayımlanan ve Toplantılarda Sunulan Yayınlar/Bildiriler: Dönem içinde yayımlanan yayınlar/bildiriler listelenmeli, birer kopyası ekte sunulmalıdır. Sıra Çıktı türü Yazarlar Başlık Yayın yeri Durumu* 1 Makale-SCI Savaş Şahin Learning feedback linearization usıng artificial neural networks Neural Process Letters, Springer doi: /s , Yayınlandı 2 Makale-SCI Savaş Şahin, Cüneyt Güzeliş 3 Uluslararası Sempozyum 4 Ulusal Sempozyum E. Yakkan, E. Arkan, M.Ö. Seydibeyoğlu, S. Şahin, Y. İşler, C. Güzeliş, S. Şahin, C. Güzeliş, 5 Proje Yürütücü (S.Şahin), Online Learning ARMA Controllers With Guaranteed Closed-Loop Stability An Energy Effıcıent Chaotıc Mıxıng Method to Prepare Graphene Nanocomposıtes Kapalı Çevrim Kontrol Sisteminin Kararlılığını Garantileyen Veriye Bağımlı PID Kontrolör Tasarımı Kaotik Sistem Tabanlı Gürbüz Delta Robot Sıvı Karıştırıcı Tasarımı ve Gerçeklemesi IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems 27 (11), st Joint Turkey- Germany Workshop on Polymeric Nanocomposites 2014, İTÜ Ayazağa Campus İstanbul/Turkey, August National Conference on Electrical, Electronics and Computer Engineering (ELECO2014), Bursa / Turkey, November 2014, pp TÜBİTAK ARDEB, 114E432, 83000TL, Yayınlandı Sunuldu. Sunuldu. Tamamlandı.

9 6 Uluslararası Sempozyum Kavur, A.E.; Demiroglu, S.; Seydibeyoglu, M.Ö.; Baser, Ö.; Güzelis, C.; Sahin, S.* Design and Implementation of Chaotic System Based Robust Delta Robot for Blending Graphene Nanoplatelets 21st IEEE International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR 2016) Sunuldu.

10