Co1-xZnxFe2O4 katkılı kompozit polimer malzemelerin hazırlanması ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi
Preparation and investigation of dielectric properties of polymer composite materials doped Co1-xZnxFe2O4
Yazar: EZGİ ÖZTÜRK YILMAZ
Danışman: PROF. DR. DENİZ DEĞER ULUTAŞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Yüksek Enerji ve Plazma Fiziği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Dielektrikler = Dielectrics ; Manyetik nanopartiküller = Magnetic nanoparticles ; Poliesterler = Polyesters ; Poliol = Polyols ; Polipirol = Polypyrrole

Özet:
Sahip olduğu iyi mekanik özellikler ile tasarım esnekliği sağlayarak günümüz modern dünyasında verimli ve hızlı üretimin yolunu açan polimerler elektriksel¬ yalıtkanlığın gerekli olduğu durumlarda sıkça kullanılmaktadır. Elektriksel iletkenliği yüksek olan metaller iyi mekanik özelliklere sahip ancak işlemenin zor ve pahalı olması, alternatif bir malzeme arayışına sebep olmaktadır. Elektriksel iletkenlik bakımından metaller kadar iyi olan ancak polimerlerin sağladığı tasarım esnekliğine sahip malzeme üretmek günümüzün ilgi çeken araştırma konularından biridir. 
Polimerin sahip olduğu avantajlı mekanik özellikler ile beraber elektriği elektronlar üzerinden iletebileceğinin keşfedilmesi ile beraber iletken polimer malzeme sınıfı da ilgi odağı olmuştur. İletken polimer sınıfının bir üyesi olan polipirol iyi elektrik ve manyetik özelliklere sahip olduğu için geniş kullanım alanı bulmaktadır. Kimyasal oksidatif polimerizasyon ile toz formda elde edilen polipirol iyi iletkenliğe, çevresel kararlılığa ve yüksek kapasitans değerlerine sahiptir. Toz formda elde edilmesi ise işlenme açısından bazı sorunları da beraberinde getirmektedir. Bu amaçla polipirolün kompozit olarak hazırlanması bu sorunu bertaraf etmek için başvurulan metotlardan biridir. 
Bu amaçla bu tez çalışmasında poliester matris içerisinde farklı oranlarda (%1,%2,%3,%4,%10,%15,%20) polipirol katkısı içeren kompozit filmler ve poliester matriks içerisinde farklı oranlarda (%2 ve %10) polipirol ile %1 oranında Co1-xZnxFe2O4 katkısı içeren iki tür kompozit polimer film çözelti döküm metodu ile hazırlanmıştır. Kompozit filmlerin matriksini oluşturan saf poliester ve katkı malzemeleri olan polipirol ile Co1-xZnxFe2O4 ait yapısal analizleri ile değişken elektrik alandaki davranışları ayrı ayrı incelenmiştir. Bunun poliester matriks içerisine belirlenen oranlarda polipirol ve Co1-xZnxFe2O4 katkılanarak elde edilen kompozit filmlerin de değişken elektrik alan altındaki davranışları aynı koşullarda incelenmiş ve karşılaştırmaları yapılmıştır. 
Katkı malzemelerinden biri olan Co1-xZnxFe2O4 kümelenmeyi önlemek amacıyla oleik asit ile kaplı olarak polyol metot ile sentezlenmiştir. Co1-xZnxFe2O4' in yapısal analizi X-Işını Kırınım yöntemiyle (XRD) ve Fourier Transform Infrared spektroskopisi (FT-IR) yöntemiyle tayin edilmesi sonucu; parçacıkların oleik asit ile kaplı olarak kübik spinel yapılı ve tek faz olarak elde edildiğini göstermektedir. Yüzey özellikleri SEM görüntüleri ile incelenmiş ve tamamen küresel ancak homojen olmayan parçacık dağılımı olduğu görülmüştür.  Co1-xZnxFe2O4'in değişken elektrik alan altındaki davranışları dielektrik spektroskopi ile sıcaklık, frekans ve parçacık konsantrasyonlarına bağlı olarak incelenmiştir. Parçacıkların dielektrik sabitinin frekansa bağlı değişiminin, Koop'un fenomenoljik teorisine uyan genel bir davranış olduğunu göstermektedir. Değişken alan iletkenliğinin Jonscher'in toplam iletkenlik bağıntısına uyduğu görülmüştür. Yapıda görülen Correlated Barrier Hopping (CBH) iletkenlik mekanizmasının parçacıklar içerisindeki çinko miktarının artışı ile kaybolduğu ve yapıda Small Polaron Tunnelling mekanizmasının hâkim olduğu belirlenmiştir. 
Polipirolün de değişken elektrik alan altındaki davranışı, poliester matris içerisindeki neden olduğu değişimi gözlemlemek amacı ile sıcaklık ve frekansa bağlı olarak incelendi. Polipirolün Koop'un fenomenoljik teorisine uygun davranış sergilediğini görülmüştür. Değişken alan iletkenliğinin, artan frekanstan bağımsız ve frekans artışına bağlı olarak arttığı iki bölge olduğu ve iletkenliğin Jonscher'in toplam iletkenlik bağıntısına uyduğu görülmüştür. Yüksek frekans bölgesinde yapıda hâkim olan iletkenlik mekanizmasının kuantum mekanik tünelleme olduğu belirlenmiştir. 
Poliester matriksli kompozit polimer filmlerin değişken alan altındaki davranışı aynı şartlar altında incelenmiştir. Filmlerde baskın olan davranışın polipirol katkısının artması ile beraber değiştiği ve polipirolün karakteristik özelliklerini sergilediği görülmüştür. Polipirol katkısının artışı ile dielektrik sabitinin arttığı ve yapıda hâkim olan iletkenlik mekanizmasının polipirol katkı miktarına bağlı olarak değiştiği görülmüştür. Katkı miktarı %1-4 olan filmlerde hâkim olan iletkenlik mekanizması Overlapping Large Polaron olarak belirlenirken, katkı miktarı %10 ve %10'dan fazla olan kompozit filmlerde birden fazla iletkenlik mekanizmasının hâkim olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Polymers, which provide the way for efficient and fast production in today's modern world by providing design flexibility with their good mechanical properties, are frequently used in situations where electrical insulation is required. Metals with high electrical conductivity have good mechanical properties, but being difficult and expensive to process causes the search for an alternative material. Producing materials that are as good as metals in terms of electrical conductivity but have the design flexibility provided by polymers is one of today's interesting research topics.
With the discovery that the polymer can transmit electricity through electrons, along with the advantageous mechanical properties it has, the conductive polymer material class has also become the focus of attention. Polypyrrole, a member of the conductive polymer class, is widely used because it has good electrical and magnetic properties. Polypyrrole obtained in powder form by chemical oxidative polymerization has good conductivity, environmental stability and high capacitance values. Obtaining it in powder form also brings some problems in terms of processing. For this purpose, the preparation of polypyrrole as a composite is one of the methods used to overcome this problem.
For this purpose, in this thesis study, composite films containing polypyrrole additives in different ratios (1%, 2%, 3%, 4%, 10%, 15%, 20%) in the poliester matrix and in different ratios (2% and 10%) in the poliester matrix. Two types of composite polymer film containing polypyrrole and 1% Co1-xZnxFe2O4 additive were prepared by solution casting method. Structural analyses of pure poliester and additives polypyrrole and Co1-xZnxFe2O4 forming the matrix of composite films and their behaviours in variable electric field were investigated separately. The behaviour of the composite films obtained by doping polypyrrole and Co1-xZnxFe2O4 into the poliester matrix in the determined proportions under variable electric field were also examined and compared under the same conditions. 
Co1-xZnxFe2O4, one of the additives, was synthesized by polyol method, coated with oleic acid in order to prevent agglomeration. Structural analysis of Co1-xZnxFe2O4 as a result of determination by X-Ray Diffraction method (XRD) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FT-IR) method; It shows that the particles are obtained as single phase and cubic spinel structure coated with oleic acid. The surface properties were examined with SEM images and it was observed that there was a completely spherical but inhomogeneous particle distribution. The behaviour of Co1-xZnxFe2O4 under variable electric field was investigated by dielectric spectroscopy depending on temperature, frequency and particle concentrations. It shows that the variation of the dielectric constant of the particles with frequency is a general behaviour that fits Koop's phenomenological theory. It has been seen that the variable field conductivity fits Jonscher's total conductivity equation. It has been determined that the Correlated Barrier Hopping (CBH) conductivity mechanism seen in the structure disappears with the increase in the amount of zinc in the particles, and the Small Polaron Tunnelling mechanism is dominant in the structure.
The behaviour of polypyrrole under variable electric field was also investigated depending on temperature and frequency in order to observe the change it caused in the poliester matrix. It has been observed that polypyrrole behaves in accordance with Koop's phenomenological theory. It has been seen that there are two regions where the variable field conductivity increases independent of the increasing frequency and depending on the frequency increase, and the conductivity fits Jonscher's total conductivity equation. It has been determined that the dominant conductivity mechanism in the structure in the high frequency region is quantum mechanical tunnelling.
The behaviour of poliester matrix composite polymer films under variable area was investigated under the same conditions. It was observed that the dominant behaviour in the films changed with the increase of the polypyrrole additive and exhibited the characteristic features of polypyrrole. It was observed that the dielectric constant increased with the increase of the polypyrrole additive and the conductivity mechanism dominant in the structure changed depending on the amount of polypyrrole additive. While the dominant conductivity mechanism in films with 1-4% additives was Overlapping Large Polaron, it was determined that more than one conductivity mechanism was dominant in composite films with an additive amount of 10% and more than 10%.