Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 1, 2010 (111-118) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 7, No: 1, 2010 (111-118) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Teknik Not Faruk ŞEN, Hakan PALANCIOĞLU, Kemal ALDAŞ Aksaray Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü, 68100, Aksaray Özet Günümüzde alışılagelmiş metal ve metal alaşımlarının yerine çeşitli yapılara sahip kompozit malzemeler kullanılmaya başlanmıştır. Bunun doğal bir sonucu olarak, kompozit malzemelerin endüstrideki önemi giderek artmaktadır. Dolayısıyla, üstün ve istenen özelliklere sahip farklı matrislere ve takviye elemanlarına sahip kompozitler geliştirilmektedir. Polimerik nanokompozit malzemeler ise en son geliştirilen kompozit malzemeler grubunu oluşturmaktadır. Nano boyutta takviye taneciklerine sahip bu tür kompozitlerin geliştirilmesi, üretimi, malzeme özelliklerinin belirlenmesi ve farklı alanlara uygulanması son zamanlarda oldukça önemli bir çalışma alanı haline gelmiştir. Bu çalışmada, polimerik nanokompozitler ile ilgili olarak yapılan oldukça önemli bilimsel çalışmalardan ve bu malzemelerin endüstrideki kullanım alanlarından söz edilmiştir. 1. GĐRĐŞ Yaygın olarak kullanılan yapı elemanları, metaller, polimerler, kompozitler ve seramikler olmak üzere dört gruba ayrılabilir [1]. Çeşitli kompozit malzemeler çok eski çağlardan beri bilinmekte ve kullanılmaktadır. Fakat son yıllarda geliştirilen ileri kompozit malzemeler, malzeme uygulamalarında bir devrim meydana getirmiştir [2]. Kompozit malzemeler genel olarak kullanılan takviye elemanına göre fiber takviyeli ve tanecik takviyeli olarak sınıflandırılırlar [1]. Tanecik takviyeli kompozit malzemelerde matris malzemesi bir veya daha fazla farklı malzemeden oluşan tanecikler içermektedir. Bu tanecikler, metalik veya metalik olmayan malzemelerden olabilir. Aynı durum matris malzemesi içinde geçerlidir. Kısacası dört farklı bileşim tanımlanabilir, a.metal olmayan matris içerisinde metal olmayan tanecikler, b.metal olmayan matris içerisinde metalik tanecikler c. Metal matris içinde metal tanecikler d. Metal matris içinde metal olmayan taneciklerden meydana gelen kompozit malzemelerdir [3]. Tanecikli kompozitlerde takviye elemanı olarak kullanılan tanecikler çeşitli şekil ve boyutlarda olabilir. Şekil 1 de [4] kaba ve orta sinterlenmiş karbür alaşımlı kesici takımların mikro yapıları gösterilmektedir. Sert metal kesici uçlar, bir metalik matris içine sert seramik parçacıkların bu şekildeki gibi çökelmesinden oluşur [4]. Bu makaleye atıf yapmak için ŞEN F., PALANCIOĞLU H., ALDAŞ K., Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2010, (7) 111-118
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 Şekil 1. Düz sinterlenmiş karbürlerin (WC-Co) mikro yapıları [4] Kompozit malzemelerde polimer esaslı matrislerin yanı sıra metal, seramik türevi malzemeler de matris olarak kullanılmaktadır. Diğer matrislerin kullanılmasına rağmen kompozit malzemelerin % 90 ı polimer esaslı matrislerle üretilmektedir [5]. Polimerlerin kullanım alanlarının çeşitlenerek artması dolayısıyla kullanımlarının gerektirdiği mekanik, ısıl ve elektriksel özellikleri sağlayan polimerlerin geliştirilmesi ya da mevcut polimerlerin katkı maddeleri ile istenilen özelliklere getirilmesi önem kazanmış ve bu yönde yapılan çalışmalar artmıştır [6]. Polimerler genel olarak fiberler ve tanecikler ile takviye edilmektedir. Fiber takviyeli polimerik kompozit yapılarda, polimer matrisler çeşitli şekillere sahip fiberler ile takviye edilebilmektedir. Fakat günümüzde polimer matrisler nano boyutlara sahip tanecikler ile de takviye edilmeye başlanmış ve elde edilen kompozit malzemeler polimerik nanokompozitler olarak adlandırılmıştır. Dolgu parçacıklarının nanometrik boyutlarından dolayı nanokompozitler yüksek alan/hacim oranlarına sahiptir ve çok düşük kil yoğunluklarında bile fazlar arası etkileşim alanı çok geniş olduğundan fiziksel ve mekanik özelliklerinde çok önemli artışlar görülebilmektedir [7]. Endüstriyel termoplastik ve termoset polimerlerin nanokompozitlerinin geliştirilmesi için araştırma çalışmaları, hızla artarak devam etmektedir. Özellikle poliolefinler (PE, PP) gibi apolar yapılı polimerlerin nanokompozitlerinin hazırlanmasında büyük zorluklar bulunmaktadır [8]. Şekil 2. Kil taneciklerle takviye edilmiş polimerik kompozit yapı [11]. 112
Şen F., Palancıoğlu H., Aldaş K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 Polimer matrisli nanokompozit malzeme üretmek amacıyla çeşitli üretim yöntemleri üzerinde önemli çalışmalar sürdürülmektedir. Bunlar, eriyik harmanlama, yerinde polimerizasyon ve diğer tekniklerdir. Bu yöntemlerden her biri, amaçlanan kompozit özelliklerine ve üretim verimliliğine uygun olarak tercih edilir [9]. Birçok araştırmacı tarafından genellikle eriyik harmanlama, ekstrüzyon ve basınçlı kalıplama yöntemlerinin birleşimi genel olarak tercih edilmektedir. Đstenen özellikte polimer matrisli nanokompozit numune elde edebilmenin ön koşulu taneciklerin matris içerisinde düzenli dağılmış olmalarıdır [6]. Polimerik nanokompozit malzeme üretebilmek için, polimer matrisin nano boyuttaki çeşitli malzemeler ile takviye edilebileceğinden yukarıda bahsedilmişti. Örneğin, doğal olarak tabakalı yapıda olan kilin polimer içinde dağıtılabilmesi nedeniyle çok iyi katkı malzemesi olabilecekleri anlaşılmıştır. Böylece kil/polimer nanokompozitlerin hazırlanması, karakterizasyonları ve özelliklerinin belirlenmesi ile ilgili çalışmalar başlamıştır [10]. Kil taneciklerle takviye edilmiş polimerik kompozit yapı Şekil 3 te gösterilmiştir [11]. Geleneksel kompozitlerde polimer kilin birim hücre aralığına çok girmez. Tabakalanmış nanokompozit tipinde polimer matrisi içine eklenen organokiller kristalografik olarak görünür. Bu tür nanokompozitlerde polimerin bir veya birkaç moleküler tabakası kilin basal aralığına girer. Ayrılmış tabakalı nanokompozitlerde silikat tabakaları polimer matrisinde tek tek disperse olmuşlar, pul pul dağılmışlardır. Kilin kristal tabakaları tamamen polimer matrisi içinde dağılır [10]. 2. POLĐMERĐK NANOKOMPOZĐTLERĐN KULLANIM ALANLARI Günümüzde kaynakları her geçen gün azalan doğal malzemelere alternatif olan polimerler yaygın bir uygulama alanına sahiptirler. Polimerlerin işlenme kolaylığı, mekanik davranışları, esnek yapıları ve düşük yoğunluğa sahip olmaları önemli avantajlarıdır [12]. Polimerik nanokompozitlerin kullanıldığı çeşitli alanlar Şekil 3 te gösterilmiştir [13]. Şekil 3. Polimerik nanokompozitlerin çeşitli kullanım alanları Polimerik kompozitler daha çok elektronik elemanlar, otomotiv sanayi, uçak sanayi alanlarında kullanılmaktadır. Örneğin, elektronik elemanlarda kullanılan polimerlerin yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmaları istenmektedir, bu yüzden ısıl iletken olan polimerler üzerine çalışmalar yapılmaktadır [6]. Đlk defa Toyota araştırma laboratuarlarında polimerizasyon ile birleştirilen kil-polimer nanokompozitleri 113
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 organik ve mineral malzemeler saf polimerlere göre çok daha üstün mekanik ve termal özellikler göstermişlerdir [10]. Yapılan birçok çalışma sonucunda, polimerik nanokompozitler günümüzde otomobillerde kullanılmaya başlanmıştır (dış şasi paneli, vs.). Çok düşük dolgu maddesi içerikli malzemelerde geleneksel talk dolgulu kompozitlere göre 10 kat daha hafif ve 10 kat daha mukavemetli durumdadır. Bu önemli özellik bu malzemeleri otomotiv için çok uygun kılmaktadır [7]. Polimerler yalıtkan malzemeler olmasına rağmen, son zamanlarda polimer matris içerisine iletken tanecikler katılarak elde edilen bazı iletken polimerik nanokompozitler geliştirilmiştir. Đletken polimerlerin yaygın olarak kullanıldığı alanlar; şarj olabilen pil yapımı, elektronik alet (transistör, kapasitör, sensör) yapımı, iyon seçici elektrot yapımı, korozyon önleme, biyokimyasal analizler, foto elektrokimyasal hücreler ve elektroreolojik çalışmalardır [14]. Sağlık sektöründe de yoğun bir şekilde polimerik nanokompozit geliştirme ve kullanımı üzerine araştırmalar yapılmaktadır. N-Đzopropil akril amid proteinler, DNA, RNA gibi biyomoleküllerin ayrılması ve saflaştırılması, çeşitli enzimlerin immobilizasyonu amacıyla da kullanılmaktadır. Ülkemizde nanoteknoloji en çok bu tür akıllı polimer olarak adlandırılabilen polimerleri geliştirme, akıllı moleküllerle tepkime türünü kontrol altında tutma şeklinde gelişmektedir. Bazı araştırıcılar da nano tanecik şeklinde polimerleri hazırlayarak gen tedavisinde kullanılabilmesini hedeflemektedirler [15]. 3. Polimerik Nanokompozitlerin Malzeme Özellikleri Nanokompozitler, saf polimerlerle karşılaştırıldığında önemli derecede geliştirilmiş mekanik, termal, optik ve fizikokimyasal özellikler sergilemektedirler [16]. Benzer şekilde, nanokompozitlerde, geleneksel kompozit sistemlerine kıyasla, elde edilen ısıl kararlılık, yanmazlık, fiziksel, mekanik ve bariyer özellik gelişimleri çok daha iyi boyutlardadır [7]. Đlk olarak Toyota araştırma geliştirme grubunun, poliamid-6 ve montmorillonit kullanarak oluşturduğu polimer nano kompozit malzemenin mekanik ve bariyer özelliklerinde çok önemli gelişmeler sağlanmıştır [16]. Takviye fazının elastiklik, ısıl genleşme gibi fiziksel özellikleri kompozitin mekanik özelliklerini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Ayrıca ana yapı içerisindeki parçacık büyüklüğü de kompozitin mukavemetini etkiler. Parçacık takviyeli kompozitler ana yapıya göre oldukça yüksek mukavemet özelliği gösterirler [17]. a) Grafit ve Kil takviyeli polimerik nanokompozitler [18] 114
Şen F., Palancıoğlu H., Aldaş K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 a) Đki farklı tip kil takviyeli polimerik nanokompozit [19] Şekil 4. Elastiklik modülünün nanokompozitin tanecik içeriğine bağlı değişimi Yukarıda değinildiği üzere, polimerik nanokompozitlerde takviye malzemesi olarak yaygın bir şekilde kullanılan malzemelerden birisi kildir. Kil, tabakalı yapısı, doğada bol miktarda ve ucuz olarak bulunabilmesi gibi avantajlarından dolayı çok tercih edilmektedir. Yasmin ve ark. [18-19] yapılan çalışmalarda polimerik nanokompozit malzemelerin elastiklik modülünün kompozit içerisindeki tanecik miktarına bağlı artan bir değişimi olduğu ortaya konulmuştur (Şekil 4-a ve b). Her iki çalışmada matris malzemesi olarak epoksi reçine kullanılmıştır. Fakat, nano takviye tanecikleri olarak ilk çalışmada [18] grafit ve kil kullanılarak üretilen iki farklı polimerik kompozitin elastiklik modülleri karşılaştırılmıştır (Şekil 4-a). Đkinci çalışmalarında [19] ise matris farklı üreticiler tarafından üretilen iki farklı nanokil tanecikleri ile takviye edilmiştir (Şekil 4-b). Her iki şekilden polimerik nanokompozitin elastiklik modülünün artan tanecik içeriği ile arttığı açıkça görülmektedir. Nanokompozitlerin önemli avantajlarından biri de nanoboyutlu inorganik katkı maddelerinin ısıl kararlılığını arttırmasıdır. Birçok uygulamada, polimerik malzemenin farklı sıcaklıklarda ve uzun zamanlı kullanımda önemli oranda boyutunu değiştirmemesi, yani ısıl kararlı olması arzu edilmektedir [7]. Polimerlerin ısıl iletkenliklerinin arttırılması amacıyla uygulanan farklı yöntemler vardır. Bunlardan birisi, üretim esnasında polimerlere ısıl iletkenliği yüksek olan tanecik veya lifler katılmasıdır. Bu tanecik katkıları sayesinde polimerin ısıl iletkenliği artmaktadır. Fakat bazı durumlarda polimerin mekanik özelliklerinde zayıflamalar meydana gelmektedir [6]. Şekil 5 te Gojny ve ark. [20] tarafından üretilen polimerik nanokompozit malzemelerin ısı iletim katsayılarının matris içindeki tanecik içeriğiyle değişimi gösterilmiştir. Bu çalışmada, epoksi reçine matris altı farklı tipte nano malzemeler ile takviye edilmiştir. Üretimi gerçekleştirilen her bir polimerik nanokompozit malzemenin ısı iletim katsayısının, matris içerisindeki taneciklerin hacimsel oranındaki artışa bağlı olarak önemli ölçüde arttığı görülmektedir. 115
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 Şekil 5. Isı iletim katsayısının tanecik içeriğiyle değişimi [20] Đletken polimer kavramı; kendi örgüsü içindeki elektronlarla yeterli düzeyde elektrik iletkenliği sağlayan polimerler için kullanılır. Bu bir elektronik iletkenliktir. Ancak iletkenliğin metaller seviyesinde olmaması, hem konjugasyonun yüksek düzeyde iletkenliğe yeterli olmadığını hem de polimerlerin yarıiletken sınıfına dahil olduğunu göstermektedir [21]. Đletken polimerlerin özelliklerini iyileştirmek için, başlıca kimyasal ve elektrokimyasal yöntemlerle; kopolimer, kompozit veya blendler hazırlanarak iletken polimerler geliştirilmektedir [14]. Bir başka ifadeyle, üretim esnasında yapılan çeşitli işlemlerle, polimerik nanokompozitler, elektriksel özellikleri iyi malzemeler olarak üretilebilmektedir. Örneğin, epoksi matrise sahip bir polimerik nanokompozit malzemede, katyonik ve anyonik katalitik kürleştiricilerin kürleşme prosesi sırasında, Levis asit yada bazın kürleşmesiyle reçinenin homopolimerizasyonu başlar. Bu tip kürleştiriciler yardımıyla malzemenin elektriksel ve fiziksel özellikleri iyileştirilir [16]. Đletken polimerlerin kullanım alanlarından birisi de, güneş ışığından elektrik enerjisi üreten yarı iletken devre elemanları olan fotovoltaik hücrelerdir [21]. Ayrıca, iletken polimerlerin yaygın olarak kullanıldığı alanlar; şarj olabilen pil yapımı, elektronik alet (transistör, kapasitör, sensör) yapımı, iyon seçici elektrot yapımı, korozyon önleme, biyokimyasal analizler, foto elektrokimyasal hücreler ve elektroreolojik çalışmalardır [14]. Gojny ve ark. [20] tarafından üretilen polimerik nanokompozit malzemelerin elektrik iletkenliğinin, matris içindeki tanecik içeriğindeki artış ile yükseltilebileceğini göstermişlerdir (Şekil 6). 116
Şen F., Palancıoğlu H., Aldaş K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 4. SONUÇ Şekil 6. Elektrik iletkenliğinin tanecik içeriğiyle değişimi [20] Polimerik nanokompozit malzemeler geleneksel mikro ve makro kompozitlere oranla nispeten yüksek özellikler gösterirler. Bu özellikler, yüksek elastiklik modülü, yüksek mukavemet, ısıl kararlılık, düşük gaz geçirgenliği ve biyobozunur polimerlerin kullanılması ile artan biyobozunurluk özellikleridir. Bunların yanında, yukarıda bahsedildiği gibi bu malzemelerin çok iyi elektriksel özellikleri de iletken takviye elemanlarının kullanılmasıyla sağlanabilmektedir. Günümüzde, polimer nanokompozitler üzerine yapılan çalışmalar daha üstün özelliklere sahip yeni malzemeler hazırlamak ve daha kısa sürede, yüksek verimle nanokompozitler elde etmek üzere iki temele ayrılabilir [22]. Yapılan araştırmalar neticesinde, polimerik nanokompozitlerin, istenen ve elde edilebilen üstün mekanik, ısıl ve elektrik özellikleri nedeni birçok alanda uygulama imkânı bulduğu gözlenmiştir. Benzer şekilde, polimerik nanokompozitler konusu ülkemizde özellikle iki binli yıllardan sonra TÜBĐTAK ve bazı üniversitelerimiz tarafından da desteklenen birçok proje ile oldukça önemli bir akademik çalışma alanı haline gelmiştir. KAYNAKLAR 1. Staab, G. H. 1999. Laminar Composites (1th ed.). US: Butterworth-Heinemann. 2. Şen, F. Sayman, O. 2006. Fiber takviyeli kompozit levhalarda bağlantı şekilleri ve pim bağlantıları. MakineTek Dergisi, Bileşim Yayıncılık, Đstanbul, Kasım sayısı, 92-94. 3. Jones, R. M. 1999. Mechanics of Composite Materials (2th ed.). US: Taylor & Francis. 4. Şahin, Y. 2006. Kompozit Malzemelere Giriş, Seçkin Yayıncılık, Ankara. 5. Bağcı, Đ. 2006. Epoksi reçinesi ile nanokompozit sentezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. 6. Tavman, Đ.H., Turgut, A. Mikro ve nano boyutlu tanecik katkılı polimer kompozitlerin mekanik özellikleri, Proceedings of 11th International Materials Symposium, April 19-21, 2006, Denizli, Türkiye 570-575. 117
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) 111-118 7. Yılmazbayhan, A. 2006. Maleik anhidritle graftlanmıs oligomerlerin ve i-pp/silikat nanokompozitlerin tepkimeli ekstrüzyon yöntemiyle sentezi ve karakterizasyonu, Hacettepe Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi. 8. Durmuş, A., Kaşgöz, A., Macosko C.W. Eriyik Harmanlama Đle Hazırlanmış Lineer Düşük Yoğunluklu Polietilen (Lldpe) / Org-Kil Nanokompozitleri, Proceedings of 11th International Materials Symposium, April 19-21, 2006, Denizli, Türkiye 295-300. 9. Park, C.I. Park, O.O. Lim, J.G. Kim H.J. 2001. The fabrication of syndiotactic polystyrene/organophilic clay nanocomposites and their properties. Polymer 42/17; 7465-7475. 10. Đşçi, S. 2007. Kil/pva ve organokil/pva nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu, Đstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi. 11. http://www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/imi/research/polymer-nanocomposites.html 12. Şahmetlioğlu, E., Toppare, L., Demir, Đ. 2007. Metal Đçerikli Đletken Polimerlerin Sentez ve Karakterizasyonu adlı Tübitak projesi sonuç raporu, Proje No: 104M406, Niğde. 13. http://cmpnd.org 14. Yurdagül, T.Z. 2007. Poliinden/poli(oksimetilen) iletken karışımlarının hazırlanması ve özelliklerinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. 15. http://yunus.hacettepe.edu.tr/~dogan/42.html 16. Bağcı, Đ. 2006. Epoksi reçinesi ile nanokompozit sentezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. 17. Bedir, F., Senthilvelan, T. 2006. Parçacık takviyeli kompozitlerde takviye fazının kompozitin mekanik özellikleri üzerine etkisi, Proceedings of 11th International Materials Symposium, April 19-21, Denizli, 590-594. 18. Yasmin, A., Luo, J.J., Daniel, I.M. 2006. Processing of expanded graphite reinforced polymer nanocomposites,composites Science and Technology 66; 1182-1189. 19. Yasmin, A., Luo, J.J., Abot, J.L., Daniel, I.M. 2006. Mechanical and thermal behavior of clay/epoxy nanocomposites Composites Science and Technology 66; 2415-2422 20. Gojny, F.H., Wichmann, M.H.G., Fiedler, B., Kinloch, I.A., Bauhofer, W., Windle, A.H., Schulte, K. 2006. Evaluation and identification of electrical and thermal conduction mechanisms in carbon nanotube/epoxy composites, Polymer, 47; 2036-2045. 21. Oğuz, Đ. 2005. Đletken polimer/kırmızı çamur nanokompozitlerinin kimyasal yöntemle hazırlanması ve özelliklerinin incelenmesi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. 22. Köytepe, S., Aksüt, D., Seçkin, T., Alıcı, B. 2007. Poliimid-kil nanokompozitlerinin mikrodalga tekniği ile elde edilmesi, 21. Ulusal Kimya Kongresi, 23-27 Ağustos, Malatya. 118