Süleyma Demirel Üiversitesi, Fe Bilimleri Estitüsü Dergisi, 13-2 (2009),108-112 Reçiesi ve Tabalı Furfuraldoksim Kompozitii Dielektrik ve Elektriksel Özellikleri Hatice Zehra AKBAŞ 1 *, Haziret DURMUŞ 2, Gülare AHMETLİ 3 1 Mustafa Kemal Üiversitesi, Fe-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü / HATAY 2 Selçuk Üiversitesi, Fe -Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü / KNYA 3 Selçuk Üiversitesi, Fe -Edebiyat Fakültesi, Kimya Mühedisliği Bölümü / KNYA Alıış Tarihi:24.02.2009, Kabul Tarihi:25.05.2009 Özet: reçiesi ve epoksi tabalı furfuraldoksim kompozitii dielektrik parametreleri paralel plakalı kodasatör metodu ile 10 khz - 13MHz frekas aralığıda HP 4192A LF Empedas Aalizörü kullaılarak ölçülmüştür. Numueleri dielektrik sabitii reel (ε ) ve saal (ε ) kısımları ile ac iletkeliklerii frekasla değişimi kompleks empedas spektroskopi tekiği kullaılarak icelemiştir. Kompozit maddeleri kutuplama özelliklerie uygu olarak ε ad ε ü frekası artması ile azaldığı ve yüksek frekaslarda sabit bir değere yaklaştığı bulumuştur. ac iletkeliği frekasa, frekası bir kuvvetiyle oratılı olarak bağlıdır ve σ ac ω ile taımlaır. reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti içi değerleri sırasıyla 0,8945 ve 0,9984 olarak bulumuştur. i bu değerleri sistemi elektriksel iletimii sıçrama (hoppig) mekaizması ile açıklaabileceğii gösterir. Aahtar Kelimeler: Dielektrik Sabiti, Dielektrik Kayıp, Ac İletkelik, Reçiesi Dielectric ad Electrical Properties of Epoxy Resi ad Epoxy-Based Furfuraldoxime Composite Abstract:Dielectric parameters of epoxy resi ad epoxy-based furfuraldoxime composite have bee measured usig parallel plate capacitor method usig HP 4192A LF Impedace Aalyzer at a frequecy rage betwee 10 khz- 13 MHz. Chage of real ( ε ) ad imagiary ( ε ) parts of dielectric costats ad ac coductivity of materials with frequecy have bee ivestigated by complex impedace spectroscopy techique. ε ad ε are foud to decrease with icreasig frequecy ad they ted to costat at higher frequecies idicatig the polar ature of the composite materials. The ac coductivity becomes frequecy depedet varyig as a the power of frequecy ad it is described σ ac ω. Values of for epoxy resi ad furfuraldoxime composite were foud respectively 0,8945 ve 0,9984. The values of expoet suggest that the hoppig mechaism domiates for electrical trasport process i the system. Keywords: Permittivity, Dielectric Loss, Ac Coductivity, Epoxy Resi Giriş reçiesi; optiksel, mekaiksel ve elektriksel özellikleri göz öüe alıdığıda oldukça öemli bir polimer grubudur. So yıllarda epoksi reçiesi tabalı kompozitler üzeride yaygı bir şekilde çalışılmaktadır (Smith, 2001; Tsotra, 2005; Zhag, 2006; Liu, 2008). tabalı kompozitler kimyasal (suya, aside ve alkaliye oldukça iyi direç göstermeleri v.s.), mekaik (yapılarıı elastik olması, kuvvetli bir yapıştırıcı olmaları v.s.) ve elektriksel (düşük kayıp faktörü, dielektrik özellikleri v.s.) özellikleri edeiyle elektroik aletlerde uçak saayisie kadar oldukça farklı alalarda yaygı olarak kullaılmaktadır (Kurbalı, 2001; Kouloumbi, 2005; Hamerto, 2006). Bu malzemeler heteroje yapıda ele alımakta olup içerisie katıla modifakatöre göre değişe dielektrik özelliklere sahiptirler (Psarras, 2003; Paligová, 2004; Kalogeras, 2005; Nicolau, 2007). reçiesi tabalı kompozitleri elektriksel özelliklerii ve bu özellikleri frekasla değişimii bilimesi bu maddeleri doğru kullaım alalarıı belirlemeside öemli rol oyar. Empedas spektroskopisi polimer kompozitleri elektriksel özelliklerii frekasla değişimi kousuda öemli bilgiler vere metotlarda birisidir. Maddeleri alteratif akıma vermiş oldukları tepki özellikle heteroje maddeleri yapılarıyla (gözeekler, arayüzey kutuplamaları v.s.) ilgili öemli bilgiler sağlaması edeiyle kompozitleri icelemeside uygu bir yötemdir. Empedas aalizörüde, paralel plakalı sığa kullaılarak ölçüle sığa (C(f)) ve kayıp tajat ( ta δ ) kullaılarak dielektrik sabitii ( ε * ) reel (ε ) ve saal (ε ) kısmı ile ac iletkelik ( σ ac ) aşağıdaki formüllerde hesaplaabilir (Rao, 2002). *hakbas@mku.edu.tr 108
H. Z. AKBAŞ, H. DURMUŞ, G. AHMETLİ C( f ) d ε = ε 0 A (1) ε ta δ = ε (2) σ ac ( ω) = ε 0ωε ( ω) (3) Burada d paralel plakalı kodasatörü iki plakası arasıdaki uzaklık, A elektrotları yüzey alaı, 12 2 2 ε 0 = 8.85 10 C / N. m boşluğu dielektrik sabiti ve ω = 2πf açısal frekastır. 20) oraıda katılmıştır (Ahmetli, 2001; Ahmetli, 2007). Bileşeler tamame karıştırıldıkta sora kalıplarda 2 saat 80 C de, 1 saat 100 C de ve 1 saat 120 C de tutularak sertleştirilmiştir. a) reçiesi CH 3 CH 2 CH 1- (CH 1- CH 2- CH - CH 2 ) C H CH 3 a) reçiesi ( - CH 2- CH - CH 2 ) - CH - CH H CH=NH b) Furfuraldoksim bileşiği CH 2 Şekil 1. Numueleri kimyasal formülleri Bu çalışmada epoksi reçiesii (Diglycidyl ether of bispheol A) ve epoksi reçiesie oksim türevleri ile modifikasyouda elde edile furfuraldoksim katkılaarak elde edile kompozitii 10 khz-13 MHz frekas aralığıda sığa ve kayıp tajat ölçümleri yapılmıştır. Numueleri empedas ölçümleri kullaılarak epoksi reçiesi ve furfuraldoksim kompozitii reel dielektrik sabiti ( ε ), saal dielektrik sabiti (ε ) ve ac iletkeliği ( σ ac ) hesaplaarak frekasla değişimi icelemiştir. Materyal Azerbeyca Sumgait Kimya Fabrikasıda ticari olarak temi edile 18:65 epoksi grup yüzdesie sahip epoksi reçiesie (Diglycidyl ether of bispheol A) (Şekil 1a), modifikatör olarak Şekil 1b de kimyasal formülü verile furfuraldoksim bileşiği uygu aldehitleri hidroksilamile reaksiyouda setezleerek % (5-15) oraıda katılmıştır. Sertleştirici olarak ise polietilepoliami (PEPA) modifikatör miktarıa uygu olarak yie % (5- b) Furfuraldoksim kompozitii Şekil 2. Numueleri 100 kez büyütülmüş resimleri Dielektrik Ölçümler Dielektrik ölçümler içi, elektrot kutuplamasıı etkisii miimuma idirmek amacıyla, diskleri her iki yüzü gümüş boya (silver pait) ile boyaarak elektrotlar oluşturulmuş ve bu yüzlerde uygu kotaklar alımıştır. Numueleri sığa (C) ve kayıp tajat ( ta δ ) ölçümleri paralel plakalı sığa yötemi ile HP 4192A LF Empedas Aalizörü kullaılarak 10kHz-13MHz frekas bölgeside oda sıcaklığıda gerçekleştirilmiştir. Souçlar ve Tartışma reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti umuelerii reel dielektrik sabiti ( ε ( f ) ) Dek. (1) de hesaplaarak frekasa göre değişimleri Şekil 3 te verilmiştir. ε ( f ) her iki umue içi düşük frekas bölgeside büyük değerler alırke, arta frekasla azalmaktadır. Furfuraldoksim katkısı epoksi reçiesii reel dielektrik sabitide azalmaya ede olmuştur. Furfuraldoksim kompozitii ve epoksi reçiesii reel dielektrik sabitleri içi 10 khz de sırasıyla 3.6 ve 4.2 değerleri ölçülmüştür. Düşük frekas bölgeside hızlı bir şekilde azala furfuraldoksim kompoziti ve epoksi reçiesii reel dielektrik sabitlerii 100 khz deki değerleri sırasıyla 3.43 ve 3.93 olmaktadır. 100 khz de sora ε ( f ) her iki umue içi de daha yavaş bir şekilde azalmaktadır. 109
Reçiesi ve Tabalı Furfuraldoksim Kompozitii Dielektrik ve Elektriksel Özellikleri ε' 4,2 4,0 3,8 3,6 3,4 Fulfuraldoksim kompoziti katkısı dielektrik kayıpları bir ölçüsü ola saal dielektrik sabitide azalmaya ede olmuştur. Dielektrik kayıp 10 khz de epoksi reçiesi içi 0.17 değeride başlarke furfuraldoksim kompoziti içi 0.11 değeride başlamaktadır. reçiesi içi ε ( f ), 2 MHz e kadar hızla, daha büyük frekaslarda daha yavaş azalmaktadır. Furfuraldoksim kompozitii saal dielektrik sabiti ise 500 khz e kadar hızla azalmakta, 500 khz- 3 MHz aralığıda heme heme sabit (0.097) kalmaktadır. 3 MHz- 4 MHz aralığıda bir miktar artmakta ve 4 MHz de 13 MHz e kadar eredeyse sabit (0.102) bir değerde devam etmektedir. 3,2 3,0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 ƒ (khz) 8e-5 6e-5 Fulfuraldoksim kompoziti fit Fulfuraldoksim kompoziti fit Şekil 3. reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti içi reel dielektrik sabitii frekasla değişimi Furfuraldoksim kompozitii literatüre yei girmiş olması edeiyle dielektrik özellikleri hakkıda herhagi bir çalışma olmamakla birlikte epoksi reçiesi ve epoksi tabalı malzemeleri elektriksel özellikleri ile ilgili birçok çalışma yapılmıştır. reçiesii dielektrik sabiti oda sıcaklığıda ve düşük frekaslarda 3 6 arasıdadır (Hamerto, 2006). Metal parçacıkları katkılı epoksi kompoziti içi 50ºC-140 ºC sıcaklık aralığıda ve 5 Hz 13 MHz frekas bölgeside yapıla bir çalışmada ε, 2-16 arasıda verilmektedir (Psarras, 2002). ε'' 0,17 0,16 0,15 0,14 0,13 0,12 0,11 0,10 0,09 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 ƒ (khz) Furfuraldoksim kompoziti Şekil 4. reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti içi saal dielektrik sabitii frekasla değişimi reçiesi ve furfuraldoksim kompozitii kompleks dielektrik sabitii ε ( f ) saal kısmı Dek. (2) de hesaplaarak frekasa göre değişimleri Şekil 4 te çizilmiştir. reçiesie yapıla furfuraldoksim σ (Ω m) -1 4e-5 2e-5 0 0 2e+7 4e+7 6e+7 8e+7 1e+8 ω (Hz) Şekil5. reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti içiσ ac i ω ile değişimi: işaretler deeysel verileri, çizgiler Dek.4 kullaılarak hesaplaa değerleri gösterir reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti umueleri içi ac iletkeliği ( σ ac (ω) ) Dek.(3) te hesaplaarak açısal frekasla değişimi Şekil 5 te şekil ile gösterilmiştir. ac iletkeliği her iki umue içi de heme heme ayı 7-1 değerde başlamaktadır (epoksi 1,8 10 ( Ω m), furfuraldoksim kompoziti 1,2 10 ( Ω m) ) ve frekasla lieer olarak artmaktadır. Frekası artması ile furfuraldoksim kompozitii σ ac (ω) değerideki artışı epoksi reçiesii σ ac (ω) değeride biraz daha yavaş olduğu görülmektedir. İletkelik malzeme içeriside serbest taşıyıcıları (iyo, elektro) ede olduğu elektroik iletim etkisi ile oluşur. İcelee umueler polimer türü malzemeler olduğu içi içerisideki katkı maddeleri, safsızlıklar v.s. edeiyle iletime ede ola serbest taşıyıcılar buluur. Bu taşıyıcılar uygulaa alaı etkisiyle plakalar arasıda bir iletime ede olacaktır ve frekası artması ile de artacaktır. Şekil 5 te görüldüğü gibi icelee umueleri ac iletkelikleri frekasa açık bir şekilde 7-1 110
H. Z. AKBAŞ, H. DURMUŞ, G. AHMETLİ bağlıdır ve frekası artmasıyla artmaktadır. Sabit sıcaklıktaki ac iletkeliği aşağıdaki şekilde ifade edilir. σ = + (4) ac ( ω) ε 0ωε ( ω) = σ dc A ( ω) Burada σ dc, ω 0 limitide σ ac (ω) ı aldığı değerdir. A ve sıcaklığa ve katkı maddelerie bağlı bir parametredir ve 0 ile 1 arasıda değişir. Dek.4 evresel ac yasası (the ac uiversality law) olarak taımlaır. Düzesiz yapıya (disordered) sahip farklı birçok maddei ac iletkeliğii doğru şekilde açıklamaktadır (Dyre, 2000). Dek.4 ü sağ tarafıdaki frekasa bağlı ikici kısım yerel iyoik sıçramaları (hops) bir soucudur ve dipolleri yeide yöelim süreçleri hakkıda bilgi verir. Şekil 5 te Dek.4 kullaılarak bulua değerleri deeysel verilerle oldukça uyumlu olduğu görülmektedir. σ ac ile ω arasıdaki lieer bağlılık iletkelik sürecii sıçrama (hoppig) mekaizması ile açıklaabileceğii gösterir. reçiesi ve furfuraldoksim kompoziti içi değerleri sırasıyla 0,8945 ve 0,9984 olarak bulumuştur. i birde küçük değerleri yük taşıyıcıları veya umuedeki kusurlar ve safsızlıklar edeiyle oluşa dipollerle ilişkilidir (Fahmy, 2007). Sıçrama (hoppig) süreci, umue içeriside yük taşıyıcıları veya dipoller edeiyle oluşa çeşitli mesafelerdeki eerji seviyeleri arasıda bir seviyede başka bir seviyeye geçme şeklide gerçekleşmektedir. Değerledirme Bu çalışmada epoksi reçiesi ve epoksi tabalı furfuraldoksim kompozitii dielektrik özellikleri ve ac iletkelikleri kompleks empedas spektroskopisi tekikleri kullaılarak 10 khz 13 MHz frekas aralığıda icelemiştir. Kompozit yapılarda bulua katkı maddeleri, safsızlıklar gibi etkiler edeiyle maddei içeriside arayüzey kutuplamasıa ede olacak herhagi bir yöe yöelmiş yükler her zama buluur. Bu yüklere dışarıda bir ala uyguladığıda umuedeki bütü atomlar ya da atom grupları yeide dizileceğide düşük frekaslarda ε ( f ) ve ε ( f ) oldukça büyük değerler alır. Frekas arttıkça kutuplu molekülleri sayısı da arttığıda ε ( f ) ve ε ( f ) de bir azalmaya ede olacaktır ve yeterice molekül kutupladıkta sora frekasla değişimi oldukça az olacaktır. Şekil 3 ve 4 te görüldüğü gibi umueleri ε ( f ) ve ε ( f ) dielektrik sabitleri düşük frekaslarda büyük ike arta frekasla azalmaktadır. Numueleri ac iletkelikleri düşük frekaslarda sabit bir değere yaklaşmaktadır. Yüksek frekaslarda, Dek.4 te verile evresel ac güç yasasıa uygu olarak frekası kuvvetiyle oratılı bir şekilde artmaktadır. Bu davraış sıçrama (hoppig) modeli ile açıklaabilir. Numue içeriside rasgele dağılmış ola katkı maddelerii arayüzeylerde kutuplaması ile oluşa eerji bariyerlerii aşa yük taşıyıcıları edeiyle bir sıçrama (hoppig) süreci oluşmaktadır. Kayaklar Ahmetli, G., Kocak, A., Yazicigil, Z. 2007. Kietics of the Copolymerizatio of Alkylee xides with Glycidyl Methacrylate. Joural of Applied Polymer Sciece, 106, 3710 3715. Ahmetli, G., Koçak, A., Yazıcıgil, Z., Kurbalı, S. 2001. t Reçiesii Çeşitli ksim Türevleri ile Modifikasyou ve Elde Edile Kompozitleri Özelliklerii İcelemesi. 15. Ulusal Kimya Kogresi, Boğaziçi Üiversitesi, 4 17 Eylül, İstabul. Dyre, J.C., Schrøder, T.B. 2000. Uiversality of ac Coductio i Disordered Solids. Reviews of Moder Physics, 72, 873 892. Fahmy, T. 2007. Dielectric Relaxatio Spectroscopy of Poly (Viyl Chloride-co-Viyl Acetate-co-2- Hydroxypropyl Acrylate)/ Poly (Acryloitrile- Butadiee-Styree) Polymer Bled. Polymer- Plastics Techology ad Egieerig, 46, 7 18. Hamerto, I. 2006. Epoxy Resis, Ecylopedia of Chemical Processig. Taylor ad Fracis, Lodo, 911 928. Kalogeras, I.M. 2005. Dielectric Properties of Cured Epoxy Resi + Poly (ethylee oxide) Bleds. Joural of No-Crystallie Solids, 351, 2728 2734. Kouloumbi, N., Ghivalos, L.G., Patazopoulou, P. 2005. Determiatio of the Performace of Epoxy Coatigs Cotaiig Feldspars Filler. Pigmet & Resi Techology, 34, 148 153. Kurbalı, S., Şe, N., Ertul, Ş. 2001. t Bileşikleri ve Tekolojisi, S.Ü. Vakfı Yayıları, Koya. Liu, Y.C., Aoyagi, Y., Chug, D.D.L. 2008. Developmet of Epoxy-Based Electrets. Joural of Materal Sciece, 43, 1650 1663. Nicolau, A., Nucci, A.M., Martii, E.M.A., Samios, D. 2007. Electrical Impedace Spectroscopy of Epoxy Systems II: Molar Fractio Variatio, Resistivity, Capacitace ad Relaxatio Processes of 1,4- butaediol Diglycidyl Ether/Succiic Ahydride ad Triethylamie as Iitiator. Europea Polymer Joural,43, 2708 2717. Paligová, M. 2004. Electromagetic Shieldig of Epoxy Resi Composites Cotaiig Carbo Fibers Coated with Polyailie Base. Physica A, 335, 421-429. 111
Reçiesi ve Tabalı Furfuraldoksim Kompozitii Dielektrik ve Elektriksel Özellikleri Psarras, G.C., Maolakaki, E., Tsagaris, G.M. 2002. Electrical Relaxatios i Polimeric Particulate Composites of Resi ad Metal Particles. Composites: Part A, 33, 375 384. Psarras, G.C., Maolakaki, E., Tsagaris, G.M. 2003. Dielectric Dispersio ad ac Coductivity i Iro Particles Loaded Polymer Composites. Composites: Part A, 34, 1187 1198. Rao, R.V., Shridhar, M.H. 2002. Iterfacial Polarizatio i Poly (4-viyl pyridie)/nipc/i2 Composite. Materials Letters, 55, 34 40. Smith, W.F. (Çev. N.G. Kııkoğlu) 2001. Malzeme Bilimi ve Mühedisliği. Literatür Yayıları, İstabul. Tsotra, P., Friedrich, K. 2005. Electrical ad Dielectric Properties of Epoxy Resi/polyailie-DBSA Bleds. Joural of Materials Sciece, 40, 4415 4417. Zhag, B. 2006. Novel 1 3 Metal Naoparticle/polymer Composites Iduced by Hybrid Exteral Fields. Composites Sciece ad Techology, 66, 1558 1563. 112