Grafitik karbon nitrür/ polivinil alkol kompozitlerinin mekanik, termal ve optik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical, thermal and optical properties of graphitic carbon nitride/ polyvinyl alcohol composites
Yazar: ESRA TARI
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM YAZICI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ VOLKAN UĞRAŞKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Poli (vinil alkol) (PVA), mükemmel kimyasal ve ısıl dirence, düşük gaz geçirgenliğine, iyi film özelliklerine, iyi optik ve fiziksel özelliklere sahip, biyolojik olarak parçalanabilen ve biyouyumlu bir polimerdir. PVA, hidroksil grubu açısından zengin bileşimi sayesinde hidrofilik ve suda dağılabilir özelliktedir. PVA; medikal uygulamalarda, gıda paketlemesinde ve daha pek çok alanda çeşitli kullanım alanlarına sahiptir. Termal kararlılık ve bariyer özelliklerine sahip dayanıklı, dövülebilir, şeffaf filmlere artan bir ihtiyaç olduğundan, PVA bazlı kompozitlerin önemi özellikle gıda paketleme sektöründe artmaktadır. Uygun inorganik veya organik katkılarla kompozitler hazırlamak, PVA için istenen nitelikleri elde etmenin etkili bir yoludur.
2D malzemeler arasında grafitik karbon nitrür (GCN), sentez ve işlevselleştirme kolaylığı, fizikokimyasal kararlılığı, ayarlanabilir bant aralığı ve ihmal edilebilir toksisitesi nedeniyle büyük ilgi görmüştür. GCN'nin takviye malzemesi olarak kullanıldığında çeşitli polimerlerin mekanik özelliklerini iyileştirdiği gösterilmiştir.
Bu çalışmada, yüzeyi oksitlenmiş GCN (GCN-o) ile farklı oranlarda katkılandırılarak hazırlanmış PVA matrisli kompozitlerin mekanik, termal ve optik özellikleri incelenmiştir. İlk olarak, GCN sentezlenip, katmanlarına ayrılmış ve ardından yüzeyi oksitlenmiştir. Kütlece %0,5, %1, %2, %3, %4 ve %5 oranında GCN-o içeren kompozitler hazırlanmıştır. Kompozitler XRD, SEM, FTIR-ATR, UV-vis analizleri ile karakterize edilmiştir. Ayrıca, mekanik testler ile kompozit numunelerin çekme dayanımı ve kopma uzaması değerleri belirlenmiştir. Çalışmalar sonucunda, GCN-o ve PVA matrisi arasındaki artan arayüzey etkileşimi nedeniyle GCN-o, mekanik özellikleri geliştirmek için takviye edici bir dolgu maddesi görevi görmüştür. PVA/GCN-o kompozitleri sırasıyla 52,5 MPa çekme dayanımına ve 7,27 GPa çekme modülüne ulaşabildi. Optik çalışmalar, saf PVA'nın enerji bant genişliğinin %5 GCN-o eklenmesiyle 4,983 eV'den 3,813 eV'ye düştüğünü göstermiştir.

Abstract:
Poly (vinyl alcohol) (PVA) is a biodegradable and biocompatible polymer that has excellent chemical and heat resistance, low gas permeability, good film formation, nontoxicity, and good optical and physical characteristics. PVA is very hydrophilic and dispersible in water owing to its hydroxyl group-rich composition. It has several applications in healthcare settings, film production, food packaging, and many more. The relevance of PVA-based composites is growing, particularly in the food packaging sector, since there is an increasing need for durable, malleable, transparent films with thermal stability and barrier features. Combining with the appropriate inorganic, or organic nanofillers is an efficient way to get the desired qualities for PVA.
Among the 2D materials, graphitic carbon nitride (GCN) has received great attention due to its ease of synthesis and functionalization, physicochemical stability, tunable band gap, and negligible toxicity. GCN has been shown to improve the mechanical properties of various polymers when used as a reinforcing material.

In this study, the mechanical, thermal and optical properties of PVA matrix composites prepared by doping with surface oxidized GCN (GCN-o) at different rates were investigated. First, GCN was synthesized and delaminated, and then its surface was oxidized. Composites containing 0.5%, 1%, 2%, 3%, 4% and 5% by mass of GCN-o were prepared. Composites were characterized by XRD, SEM, FTIR-ATR, UV-vis analyses. In addition, tensile strength and elongation at break values of composite samples were determined by mechanical tests. As a result of the studies, because of the increasing interfacial interaction between GCN-o and the PVA matrix, GCN-o acted as a reinforcing filler to enhance the mechanical properties. PVA/GCN-o composites could reach 52.5 MPa tensile strength and 7.27 GPa tensile modulus, respectively. Optical studies showed that the energy bandwidth of the pristine PVA reduced from 4.983 eV to 3.813 eV with the addition of 5% GCN-o.