Karbon siyahı ve bor nitrür katkılı iletken polietilen kompozit yapımı ve özelliklerinin incelenmesi
Investigating the manufacturing and properties of electrically conductive polyethylene composites with carbon black and boron nitride added
Yazar: ERSİN ERTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN ÇAYLI
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı / Mühendislik Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
İletken kompozit polimerlerin; elektronik cihazlar, iletken kaplamalar, sensörler ve medikal cihazlar gibi çeşitli teknolojik uygulamalarda kullanımı giderek artmaktadır. Kompozitlerin en ilgi çeken ve araştırılan alanlarından biri olan polimer kompozitler, nanoteknoloji alanındaki hızlı gelişmelerle birlikte daha da önem kazanmıştır. Polimerler genellikle yalıtkan olarak kabul edilmekle birlikte, ana matris yapısına iletken dolgu maddeleri eklenerek iletken kompozit malzemelere dönüştürülebilirler. İletken kompozit malzemelerin elektriksel ve mekanik özelliklerinin; farklı polimer ve dolgu malzemeleri seçilerek değiştirilebilir olması, kullanım alanlarını genişletmekte ve bilim dünyasının bu alana olan ilgisini arttırmaktadır. Diğer taraftan endüstriyel alanda kullanımı giderek yaygınlaşan polimerlerin, çevresel sorunları da beraberinde getirdiği bilinen bir gerçektir. Her yıl 10 milyon ton polimerik malzeme dönüştürülmeden çevreye atılmakta veya yakılarak yok edilmektedir. Bu durum sosyal ve çevresel sorunların önemli ölçüde artmasına neden olmakta ve canlı yaşam alanlarını olumsuz etkilemektedir. Özellikle polietilenin dünya plastik atık oranının %41'lik dilimini oluşturduğu rapor edilmektedir. Kullanımda olan polietilen türleri içinde ise yüksek yoğunluklu polietilen büyük bir paya sahiptir. Bu atıkların değerlendirilmesine yönelik önemli çalışmalar olmakla birlikte alternatif yöntemlerin geliştirilerek farklı alanlarda kullanımına dair yeni önerilerin getirilmesi dünyanın geleceği için büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışması kapsamında yeni bir iletken polimer kompozitin yapılması hedeflenmiştir. Bununla birlikte atık plastiklerin iletken polimer kompozit üretiminde kullanımına dair analiz çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kompozit ana matris yapısı olarak yüksek yoğunluklu polietilen kullanılmıştır. Yapıda, iletkenlik katkı maddesi olarak nano boyutlu iletken karbon siyahı tercih edilmiştir. Hazırlanan kompozitlerin elektriksel iletkenliğe sahip olmasının yanında termal özelliklerinin iyileştirilmesi de amaçlanmaktadır. Bu amaç doğrultusunda karbon siyahı dolgu maddesi ile birlikte hegzagonal bor nitrür kullanılarak farklı numuneler hazırlanmış ve özellikleri incelenmiştir. Hazırlanan örneklerin iletkenlik ölçümleri yapılmış, elektron mikroskobu görüntüleri alınarak morfolojik analiz yapılmış, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ile katkı maddelerinin etkileşimleri incelenmiştir. Yapılan diferansiyel taramalı kalorimetre testi ve termogravimetrik analizler ile hazırlanan örneklerin termal özellikleri incelenmiştir. Yapılan deneyler ve analizler sonucunda; yüksek yoğunluklu polietilen ana matris yapısı için ideal karbon siyahı ve bor nitrür dolgu oranları tespit edilmiştir. Daha sonra iletken kompozit polimer malzeme üretiminde atık plastiklerin değerlendirilmesine yönelik analizler ve değerlendirme çalışmaları yapılmıştır. Gelinen noktada yüksek yoğunluklu polietilen kullanılarak karbon siyahı ve bor nitrür katkılı yeni bir iletken malzemenin üretimi gerçekleştirilmiş olup atık plastiklerin iletken polimer kompozit üretiminde kullanılabileceğine dair önemli bulgular elde edilmiştir.

Abstract:
Usage of conductive composite polymers in many technological applications such as electronic devices, conductive coatings, sensors, and medical devices is increasing steadily. Polymer composites, one of the most interesting and researched areas of composites, have become yet important with the rapid developments in the field of nanotechnology. Although polymers are generally regarded as insulators, they can be converted into conductive composite materials by adding conductive fillers to the main matrix structure. The employed areas of conductive composite materials are expanding and attracting the attention of the scientific world in this field as their electrical and mechanical properties can be changed by choosing different polymers and fillers. However, it is very well known that the excessive usage of polymers in the industry causes detrimental environmental issues. Every year, 10 million tons of polymeric materials are disposed of in the environment without being converted or are destroyed by burning. This situation leads to a significant increase in social and environmental problems and adversely affects the habitats. In particular, it is reported that polyethylene constitutes 41% of the world's plastic waste. High-density polyethylene has a large portion among the polyethylene types in use. It is essential to develop novel methods for the utilization of these wastes and to propose new ideas for their use in various fields. This thesis proposes and produces a novel conductive polymer composite. In the study, high-density polyethylene is used as the main matrix structure of the composite. Nano-sized conductive carbon black is preferred as a conductivity additive in the structure. It is aimed to have electrical conductivity and also improve the thermal properties of the prepared composites. To this end, different samples are prepared by using hexagonal boron nitride together with carbon black filler, and their properties are investigated. Conductivity measurements, morphological analysis (by electron microscope images), and the examination of the interaction of additives  (by Fourier transform infrared spectroscopy) of the prepared samples are done. In addition, the thermal properties of the samples by differential scanning calorimetry test and thermogravimetric analyzes are examined.  Ideal carbon black and boron nitride filling ratios are determined for the high-density polyethylene main matrix structure, via the results of the conducted experiments and analyses. Moreover, in the production of conductive composite polymer materials, waste plastics are utilized to be formed an alternative to the usage areas of waste materials. A new conductive material containing carbon black and boron nitride is produced using high-density polyethylene, and analyses and evaluations of the samples are performed. Our findings show that waste plastics can be used in the production of conductive polymer composites.