Aerojel katkılı polimer kompozitlerin hazırlanışı,karakterizasyonu ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi
Preparation, characterization of aerogel doped polymer composites and investigation of dielectric properties
Yazar: DENİZ BOZOĞLU
Danışman: PROF. DR. DENİZ DEĞER ULUTAŞ ; PROF. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Genel Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aerojel = Aerogel ; Dielektrik sabiti = Dielectric constant ; Dielektrik özellikler = Dielectric properties ; Karakterizasyon = Characterization ; Kompozit polimerler = Composite polymers

Özet:
Bu çalışmada, öncelikle yüzey modifikasyonu yapılarak ortam basıncında kurutma yöntemi ile hidrofobik silika tabanlı aerojel sentezlenmiştir. Sentezlenen aerojel, farklı yüzdelerde polar yapılı termoplastik poliüretana homojen bir şekilde dağılımı sağlanarak aerojel katkılı poliüretan kompozit filmler hazırlanmıştır. Hazırlanan saf ve aerojel katkılı termoplastik poliüretan (TPU) kompozit filmlerin yapısal, ısıl, yüzey ve morfolojik karakterizasyonları sırasıyla TGA, DSC, SEM-EDS analizleri ve yüzey temas açısı ölçümü ile incelenmiştir. Alpha-A High Resolution Dielectric, Conductivity and Impedance Analyzer sistemi kullanılarak, uygulanan alternatif elektrik alanın sıcaklığına ve frekansına bağlı davranışları, kayıp enerji faktörleri ve kapasiteleri belirlenerek, örneklerin dielektrik özellikleri ve AC iletkenlikleri detaylı şekilde incelenmiştir. Ayrıca, elektrik yalıtım malzemesi olarak kullanılan fabrikasyon yapımı termoset yapılı cam elyaf içeren polyester ve aerojel katkılı cam elyaf içeren polyester kompozitler için belirtilen analizler gerçekleştirilmiştir. 
Toz aerojel örneğinin FTIR grafiğinde, silika iskeletine başarılı bir bağlanan hidrofobik metil (CH3) gruplarının titreşim pikleri görülmüştür. Diğer bir taraftan, poliüretan yapısı için beklenen tüm pikler gözlenmekle birlikte silika tabanlı aerojel yapıdaki siloksan grubuna ait 1000-1100 cm^-1 aralığındaki yeni pikler de kompozit filmin FTIR eğrisinde yer almıştır. Sentezlenen silika aerojel için termogravimetrik analiz (TGA) 30C'den 1000C'ye kadar gerçekleştirilmiştir. Sonuçlara göre, 200C'ye kadar olan ağırlık kaybı su ve etanol varlığına bağlanmıştır. Ayrıca TG analizleri, aerojel katkılı poliüretan kompozit filmlerin ve cam elyaf içeren polyester kompozit ürünlerin ısıl dayanımlarının 300-320oC'ye kadar olduğunu göstermiştir.
SEM görüntüleri, yüzey modifikasyonu yapılarak gözenekli aerojelin başarılı bir şekilde sentezlendiğini göstermiştir. Ayrıca aerojel katkılı poliüretan filmlerin SEM görüntüleri aerojelin, TPU içerisinde homojen biçimde dağıldığı doğrulamıştır. Hidrofobik özellik gösteren TMCS yardımcı öncü kimyasalı ile hazırlanan silika tabanlı aerojelin temas açısı 106o olarak belirlenmiştir. Saf poliüretan hidrofilik yapı gösterirken %7 aerojel katkılı kompozit film en yüksek hidrofobik davranışı sergilemiştir. Bu yüzden, poliüretan filme katkılanan aerojel miktarının artması ile aerojel katkılı poliüretan filmlerin hidrofobik özelliği geliştirilmiştir. 
Dielektrik ölçümleri incelendiğinde; PU esaslı aerojel içeren kompozit filmlerin düşük frekanslarda kapasite ve dielektrik katsayısı sıcaklığa bağlı artarken, yüksek frekanslara gidildikçe dielektrik katsayısı azalmaktadır. Ayrıca silika aerojel katkılı kompozit filmlerin dielektrik katsayısının, kompozit yapıdaki boşluk ve artan hidrofobik özellik nedeniyle saf PU ürüne göre belirgin oranda düştüğü tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlardan, poliüretanın 1kHz'deki dielektrik katsayısı (K') 5,1 iken %2 silika aerojel katkılı kompozit ürün için bu değer 3,3'e düşürülmüştür.
Ayrıca elektriksel yalıtım sistemleri için daha düşük dielektrik katsayısına sahip son ürünün geliştirilmesi için aerojel katkısının, elyaf içeren polyester bulk örneğin elektriksel özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu kapsamda, hazırlanan %3 aerojel katkılı polyester ürünün oda sıcaklığındaki dielektrik sabiti, aerojel katkısız ürün ile karşılaştırılmış ve dielektrik sabitinin %3 oranında aerojel ilavesi ile 5,5'ten 5'e düştüğü saptanmıştır.
Ayrıca, tüm örnekler için AC iletkenlik davranışının σ(ω)=ω^s bağıntısına uyduğu görülmüştür. "s" katsayısının 0,1-1 arasında değer aldığı ve sıcaklığı bağlı olduğu belirlenmiştir. Buna göre yapıdaki polarizasyon mekanizmasının sıcaklığa bağlı olduğu sonucuna varılmış ve iletkenlik mekanizmasının Correlated Barrier Hopping olduğu bulunmuştur.

Abstract:
In this study, the first surface modification at ambient pressure drying process performed with a hydrophobic silica-based aerogels were synthesized. In different percentages of aerogel were homogeneously doped onto the polar thermoplastic polyurethane and aerogels doped with different percentages polyurethane composite films were prepared. Structural, thermal, surface and morphological feature of prepared in pure and aerogel doped thermoplastic polyurethane (TPU) composite films were examined by FTIR analysis, TGA-DSC system, SEM-EDS and the surface contact angle measurements, respectively. Using Alpha-A High Resolution Dielectric, Conductivity and Impedance Analyzer, dielectric properties and conductivity of samples were examined in detail that determining their capacities, energy loss factors and their behaviors depent to frequency and temperature of the applied alternating electric field. In addition, all this analyzes were performed for factory-made thermoset glass fiber containing polyester and aerogel doped containing glass fiber polyester composites which is used as electrical insulating materials.
In FTIR graph of aerogel was seen vibration peaks of hydrophobic methyl (CH3) which attaching on silika backone, succesfully. On the other hand, in FTIR graphs of doped polyurethane composites films were observed all the peaks expected for polyurethane structure and new peaks in the 1000-1100 cm^-1 range of siloxane groups in the silica-based aerogel structure was also take place in the FTIR curve of composite film. Thermogravimetric analysis was carried out from 30C to 1100C for synthesized aerogel.  From results of TGA, the weight loss to 200oC was attributed to exist of water or ethanol. Also TG curves showed that thermal resistance of aerogel doped polyurethane composite films and glass fiber containing polyester products are up to 300-320oC.
SEM images was indicated that the aerogel powder with porosity could be successfully synthesized by surface modification. Also SEM images of aerogel doped polyurethane films were confirmed that aerogel was dispersed homogeneously in the TPU. Contact angle of silica-based aerogel prepared with TMCS co-precursor was determined 106o which was its indicated hydrophobic feature. Pure polyurethane has hydrophilic nature but 7% aerogel doped polyurethane composite film showed the highest hydrophobic behavior. So hydrophobicity of aerogel doped PU composite films was developed with increasing amount of aerogel doped onto polyurethane film. 
When the dielectric measurements were analyzed; capacity and dielectric constant aerogel doped polyurethane composite films increased with increasing temperature at low frequencies, the dielectric constant decreases at high frequencies. It can be concluded from the dielectric measurement data that capacity and dielectric constant aerogel doped polyurethane composite films increased with increasing temperature at low frequencies, the dielectric constant decreases at high frequencies. Also, silica aerogel doped composite films have lower dielectric constant than pure PU film because hydrophobicity and voids in the composite structure increased. From results, whereas dielectric constant of polyurethane was 5,1, this value was reduced to 3,3 for 2% doped silica aerogel composite film at 1kHz.
Dopping aerogel effects on electrical properties of glass fiber containing polyester bulk products were also investigated to develop the end product which has lower dielectric constant for electrical insulating systems. In this context, the dielectric constant of the %3 aerogel doped polyester was compared with neat polyester at room temperature and found that dielectric constant was decreased from 5,5 to 5 by dopping aerogel.
Also, it was observed that the relation between AC conductivity and applied frequency obeys σ(ω)=ω^s equation for all samples. It was determined that s cofficient values are between 0,1-1 and these values are depend on temperature. It was found that polarization mechanism in structure depend on temperature and AC conductivity mechanism is Correlated Barrier Hopping.