Enerji hasatı ve biyomedikal uygulamalar için manyetik polimer kompozitler
Magnetic polymer composites for energy harvesting and biomedical applications
Yazar: MOHAMMADREZA POURGHAFFARI
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Piezoelektrik polimerler ailesinden polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelektrik ve ferroelektrik özelliğe sahip olmasının yanı sıra esnek, hafif ve biyouyumlu olduğu için enerji hasatı ve sensör gibi teknolojik uygulamalarda öne çıkan bir malzemedir. PVDF, , , ,  ve  olmak üzere beş farklı yarı kristal faza sahiptir. En kararlı dolayısıyla kolay üretilebilen  fazının kutupluluk özelliği yoktur, teknolojik uygulamaları sınırlıdır. Oysa  ve  fazları kutupludur ve  fazı sahip olduğu en yüksek piezoelektrik özelliği nedeniyle enerji hasatı için ideal yapıdır. PVDF'nin kristal yapısı, üretim tekniğine bağlı olarak kontrol edilebilmektedir. İki kısımdan oluşan bu çalışmanın ilk kısmında, PVDF'nin kutuplu fazların oluşumuna (Elektro Aktif faz; EA faz) elektrodöndürme yöntemindeki pompalanma hızı, mesafe, çözücü ve dönme hızı gibi parametrelerin etkileri araştırılmıştır. Üretilen PVDF fiberlerin yapısal özellikleri X-ışını kırınımı (XRD), EA faz oranındaki değişimler Fourier Dönüşüm Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve morfolojileri ise Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri ile belirlendi. Elektrodöndürmede kontrol edilen fiziksel parametreler optimize edilerek üretilen PVDF fiberlerde EA fazın oranının %80'den %97'ye kadar arttırılabildiği belirlendi. Farklı oranlarda EA faz içeren örneklerin piezoelektrik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla d(1,2) pioezoelektrik yük katsayısının değişimi, çalışma kapsamında tasarlanan piezoelektrik katsayısı ölçüm düzeneği ile 2,7±0,2 - 7,2±0,4 [pC/N] olarak ölçüldü. Çalışmanın ikinci kısmında ise, üretilen PVDF fiberlerine 10±2 nm büyüklüğünde süperparamanyetik Fe3O4 nanoparçacıklar eklenerek oluşturulan kompozit yapıların manyetik hipertemi tedavisindeki etkinliği, manyeto-ısıl özellikler ölçülerek belirlendi. Bunun için ağırlıkça %7,57±0,01, %12,51±0,01 ve %15,40±0,01 (w/w) oranlarda (Fe3O4/(PVDF+ Fe3O4)) üç farklı nanokompozit oluşturuldu. Örneklerin RF manyetik alan altında zamana bağlı sıcaklık değişimleri ölçümlerinden Özgül Soğurma Oranları (SAR) sırasıyla 8,5±0,1; 8,4±0,1 ve 8,2 ±0,1 W/g olarak hesaplandı.

Abstract:
Polyvinylidene fluoride (PVDF), which is a family of piezoelectric polymers, is a material
that stands out in technologies such as energy harvesting and sensor applications because it is flexible, lightweight and biocompatible. The PVDF polymer has five different semicrystalline phases i.e. , , ,  and . The most stable -phase is not polar,  and  phases are polar, -phase has the highest piezoelectric property. The structure of PVDF can be altered between phases depending on the production technique. In this study, electrospinning method was used to obtain PVDF in the form of a mixture of polar  and  phases (Electro Active; EA). The structural properties of the produced PVDF fibers were determined by X-ray diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Differential Scanning Calorimeter (DSC) methods. In this study, changes in EA phase ratio versus electrospinning parameters such as pumping rate, distance, solvent and rotation speed were determined by FTIR analysis. It was determined that the ratio of EA phase in PVDF fibers could be increased from 80% to 97% by optimizing the physical parameters controlled in electrospinning. The morphologies of the PVDF fibers / films were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) images. In order to determine the piezoelectric properties of samples containing different ratios of EA phase, the piezoelectric coefficient measurement device was designed in our lab. The change of d(1,2) piezolectric constant was measured within the range of 2.7±0.2 - 7.2±0.4 [pC / N]. In the second part of the study, the efficiency of composite structures formed by adding superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles of 10±2 nm in size to the PVDF fibers in hyperthermia treatment was determined by measuring magneto-thermal properties. For this, three different nanocomposites were created by 7.57±0.01 wt.%, 12.51±0.01 wt.% and 15.40 ±0.01 wt.%  (Fe3O4/(PVDF+ Fe3O4)). Time-dependent temperature changes of the samples were measured in the presence of RF magnetic field and Specific Absorption Rates (SAR) of samples were calculated as 8.5±0.1, 8.4±0.1 and 8.2±0.1 W/g respectively.