Isı ve elektrikle tetiklenebilen şekil hafızalı SEBs-G-MA/ PCL/ grafen polimer kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of thermally and electrically triggered shape memory SEBs-G-MA/ PCL/ graphene polymer composites
Yazar: SALİH ASKER
Danışman: DOÇ. DR. EMRE TEKAY
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Kopolimerler = Copolymers ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Akıllı malzemeler yeni nesil ileri malzeme araştırmalarının önemli bir parçasını oluşturmaktadır. Uyarıcıya-duyarlı polimerler; sahip oldukları şekil, mekanik özellikler, faz ayrımı, optik ve elektriksel özellikler, yüzey ve geçirgenlik gibi özelliklerini, sıcaklık, elektrik alan, pH, ışık, manyetik alan ve çözücü gibi çevresel koşullarda gerçekleşen küçük değişimler sayesinde önemli ölçüde değiştirebilen malzemelerdir. Son yıllarda, akıllı malzemelerin gelişen türlerinden biri olan şekil hafızalı polimerler (SMP'ler) ısı, elektrik ve ışık, gibi uyaranlar aracılığıyla şekillerini değiştirebilmektedir..Bu çalışmada, bir termoplastik elastomer olan maleik anhidrit aşılı poli(stiren-b-etilen-butilen-b-stiren) (SEBS-g-MA) ve bir yarı-kristalin poliester olan poli(ε-kaprolakton) (PCL)'nun ağırlıkça 60/40 miktarlarını içeren ısı-duyarlı şekil hafızalı polimer harmanına elektrikle uyarılma özelliği kazandırmak üzere grafen nano plaka (GNP) dolgusu eklenerek elektro-aktif şekil hafızalı polimer kompozitlerin geliştirilmesi hedeflendi. 5 phr, 10 phr, 20 phr ve 30 phr GNP içeren polimer kompozitler, çözelti karıştırma tekniğiyle hazırlandı. Üretilen kompozitlerin polimer harmanın elektriksel, şekil hafızası, ısıl ve mekanik özellikler üzerine etkileri incelendi.Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirilen morfolojik analizlerde grafen dolgusunun polimer matrisi içerisinde homojen olarak dağıldığı gözlendi, grafen miktarı arttıkça 10 phr, 20 phr ve 30 phr GNP içeren kompozitlerde grafen dolgusunun kompozit içerisinde oldukça büyük bir hacme sahip olduğu ve polimer matris boyunca homojen bir dağılım sağladığı tespit edildi. 5 phr GNP içeren kompozitin elastik modül, çekme mukavemeti, kopma uzaması ve tokluk değerleri polimer harmanla karşılaştırıldığında gelişme gösterirken, daha yüksek dolgu yüklemelerinde elastik modül değerleri doğru orantılı olarak artmasına rağmen, diğer çekme özelliklerinde düşüş elde edildi. DSC analizinde, şekil hafızalı polimer matrisin anahtar fazı olan PCL'un erime sıcaklığı (TmPCL), GNP dolgusunun varlığından neredeyse etkilenmezken, GNP dolgusunun nükleasyon etkisi sayesinde kristalizasyon derecelerinde artış gözlendi ve kristalizasyon sıcaklıklarının daha yüksek değerlere kaydığı belirlendi. Dinamik mekanik analiz sonuçları, GNP dolgusunun SEBS-g-MA elastomerinin etilen/butilen blokunun camsı geçiş sıcaklığını yükselttiğini, diğer taraftan, polimer matrisin 25°C'deki depolama modülü ve sönümleme parametresi değerlerini geliştirdiğini gösterdi. Gerçekleştirilen sünme testleri neticesinde GNP miktarı arttıkça sünme direncinin geliştiği belirlendi. Isı-duyarlı şekil hafızası performans ölçümlerinde ise kompozitlerin tamamı %92'den daha yüksek şekil sabitleme ve %80'den daha yüksek şekil geri kazanım oranları sergiledi. GNP dolgusu arttıkça polimer matrisin elektrik direnci azaldı ve en düşük elektrik direnci 30 phr GNP içeren kompozit için 834.1 Ω.cm olarak ölçüldü. Aynı kompozitin, 23 V elektrik gerilimi altında vücut sıcaklığına ve 48 V gerilim altında ise şekil dönüşüm sıcaklığı olan 65°C'ye ulaştığı belirlendi. 30 phr oranına sahip kompozit 48V gerilim altında 180s süre sonunda geçici şeklinden başlangıç şekline %95.12 oranında elektro-aktif şekil geri kazanımı gerçekleştirdi.

Abstract:
Smart materials constitute an important part of advanced material research. Stimuli-responsive polymers are materials that can significantly change their properties such as shape, mechanical properties, phase separation, optical and electrical properties, surface, and permeability due to small changes occurring in environmental conditions such as temperature, electric field, pH, light, magnetic field, and solvent. In recent years, shape memory polymers (SMPs), one of the evolving types of smart materials, have the ability to change their shapes through stimuli such as heat, electricity, and light.In this study, electro-active shape memory polymer composites were developed by adding graphene nano plate (GNP) filler to a shape memory polymer blend containing 60/40 weight percent of maleic anhydride grafted poly(styrene-b-ethylene-butylene-b-styrene) (SEBS-g-MA), a thermoplastic elastomer, and a semi-crystalline polyester poly(ε-caprolactone) (PCL) to impart electrical stimulation property. Polymer composites containing 5 phr, 10 phr, 20 phr, and 30 phr of GNP were prepared using the solution mixing technique. The effects of the produced composites on the electrical, shape memory, thermal, and mechanical properties of the polymer blend were investigated. Morphological analysis performed with scanning electron microscopy (SEM) revealed that the graphene filler was homogeneously distributed within the polymer matrix. It was observed that as the amount of graphene increased, the graphene filler had a significantly large volume in the composites containing 10 phr, 20 phr, and 30 phr of GNP and provided a homogeneous distribution throughout the polymer matrix.While the composite containing 5 phr of GNP showed improvements in elastic modulus, tensile strength, elongation at break, and toughness compared to the polymer blend, at higher filler loadings, although the elastic modulus values increased proportionally, decreases were obtained in other properties.In the DSC analysis, while the melting temperature (TmPCL) of the key phase of the shape memory polymer matrix, PCL, was hardly affected by the presence of GNP filler, an increase in crystallization degrees was observed due to the nucleation effect of GNP filler, and it was determined that crystallization temperatures shifted to higher values. The results of dynamic mechanical analysis showed that the GNP filler increased the glass transition temperature of the ethylene/butylene block of the SEBS-g-MA elastomer and, on the other hand, improved the storage modulus and damping parameter values of the polymer matrix at 25°C. It was determined that the creep resistance improved as the amount of GNP increased based on the creep tests conducted. In shape memory performance measurements, all composites exhibited shape fixity ratios higher than 92% and shape recovery ratios higher than 80%. The electrical resistance of the polymer matrix decreased as the GNP filler increased, and the lowest electrical resistance was measured as 834.1 Ω.cm for the composite containing 30 phr of GNP. It was determined that the same composite reached body temperature under a voltage of 23 V and the shape transformation temperature of 65°C under a voltage of 48 V. The composite with 30 phr content achieved a electro-active shape recovery of 95.12% to the initial shape after 180s under 48V voltage.