Farklı geometrilerde, kendiliğinden düzenlenmeyle yüzeyi modifiye edilmiş TiO2/iletken polimer çekirdek/kabuk yapılı hibrit nanokompozitlerin kolloidal ve elektroreolojik karakterizasyonu
Colloidal and electrorheological characterizations of core/shell structured hybrid nanocomposite with different geometries obtained from self assembled surface modified TiO2/conducting polymer
Yazar: ÖZLEM EROL
Danışman: PROF. DR. HALİL İBRAHİM ÜNAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya = Chemistry ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu çalışmada, yeni elektroreolojik (ER) malzeme olarak iki bileşen arasında daha etkili yüzeyler arası etkileşimi sağlamak için kovalent bağlanma yöntemi ile çekirdekte nanotanecik ve nanoçubuk geometride TiO2 ve kabukta iletken polimer poli(3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) içeren çekirdek/kabuk yapıda hibrit nanokompozitler hazırlanmıştır. FTIR ve XPS analizleri PEDOT'un TiO2 yüzeyinde başarılı bir şekilde polimerleştiğini doğrulamıştır. TGA analizleri elde edilen nanokompozitlerin termal olarak PEDOT'dan daha kararlı olduğunu göstermiştir. XRD analizi, anataz nanotanecik-TiO2'nin alkali hidrotermal işlemden sonra titanata dönüştüğünü, nanoçubuk-TiO2/PEDOT ve nanotanecik-TiO2/PEDOT'da yapıya PEDOT'un girmesi ile TiO2'de gözlenen benzer piklerin biraz daha yayvanlaştığını göstermiştir. SEM ve TEM analizleri nanoçubuk-TiO2'nin homojen ve ince PEDOT tabakası ile kaplandığını; nanotanecik-TiO2'nin ise kümeleşmiş halde PEDOT ile kaplandığını açığa çıkarmıştır. Her iki geometrideki TiO2/PEDOT nanokompozitlerin kolloidal özellikleri üzerine pH, çeşitli değerliklerdeki elektrolitler, anyonik, katyonik ve iyonik olmayan yüzey aktif maddeler ve sıcaklık gibi parametrelerin etkileri elektrokinetik ölçümler ile incelenmiştir. Nanotanecik-TiO2, nanoçubuk-TiO2 ve TiO2/PEDOT nanokompozitlerin çeşitli hacim kesirlerinde silikon yağı içinde hazırlanan dispersiyonlarının yer çekimine karşı çökelmeme kararlılıkları belirlenmiştir. Dispersiyonların dielektrik karakteristikleri ölçülen dielektrik spektrumların Cole-Cole eşitliğine uydurulması ile tespit edilmiştir. Dispersiyonların elektrik alan altındaki görüntüleri optik mikroskop ile alınmıştır. Dispersiyonların ER özellikleri reometre ile kayma hızı kontrollü, osilasyon kayma ve sürünme-geri kazanım testleri ile araştırılmıştır. Dispersiyonların çeşitli elektrik alan kuvvetleri altında ve tanecik hacim kesirlerinde belirlenmiş akış eğrileri Cho-Choi-Jhon eşitliğine uydurulmuş ve akış karakteristikleri belirlenmiştir. Sonuçlar nanoçubuk-TiO2/PEDOT dispersiyonun nanotanecik-TiO2/PEDOT dispersiyona kıyasla daha yüksek çökelmeme kararlılığı ve daha güçlü ER aktiviteye sahip olduğunu göstermiştir. Dış elektrik alan kuvveti altında nanoçubuk-TiO2/PEDOT dispersiyonun elastiklik modülünün viskoz modülden oldukça yüksek değerde olması ve geniş frekans aralığında sabit değerde kalması dispersiyonun katımsı davranışa sahip ve titreşim sönümleme kapasitesinin olduğunu ortaya çıkarmıştır. Sonuç olarak elde edilen yeni ER akışkanın endüstriyel titreşim sönümleme amaçlı kullanılabilecek bir sıvı olarak önerilebileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, as a new electrorheological (ER) material, core/shell nanocomposites that consist of TiO2 core and conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) shell were prepared via covalent bonding to achieve thin polymer shell on TiO2 particles' surfaces and make interfacial interactions between the two components stronger. FTIR and XPS analyses confirmed successful polymerization of PEDOT on the surfaces of TiO2 particles. From the TGA analysis of the nanocomposites, thermally more stable structure than PEDOT was obtained. XRD analyses revealed that anatase nanoparticle-TiO2 converted to titanate after alkaline hydrothermal treatment. Identical but widened XRD patterns were observed for the both geometries of TiO2/PEDOT structures compared to nanoparticle and nanorod-TiO2 proofing that they were covered with PEDOT shells. SEM and TEM analyses revealed that nanorod-TiO2 particles were coated with PEDOT having a uniform and remarkably thin polymer layer on their surfaces and clustered nanoparticle-TiO2 were coated with PEDOT. Colloidal properties of both geometries of the TiO2/PEDOT nanocomposites were investigated via electrokinetic measurements under various conditions taking the effects of pH, electrolytes (with various valencies), surfactants (anionic, cationic, and non-ionic) and temperature into account. Nanoparticle-TiO2, nanorod-TiO2 and their core/shell hybrid nanocomposites were dispersed in silicone oil at various particle volume fractions and their antisedimentation stabilities against gravitational forces were determined. The dielectric characteristics of the dispersions were determined by fitting measured dielectric spectrums to the Cole–Cole equation. The images of the dispersions under applied electric field were recorded by an optic microscope. ER properties of the dispersions were studied with a rheometer under controlled shear rate, oscillatory shear and creep-recovery tests. The resulting flow curves of these dispersions were fitted via the Cho–Choi–Jhon equation and their flow characteristics were determined. The results showed that the nanorod-TiO2/PEDOT possessed improved dispersion stability and stronger ER effect than particulate one. Substantially greater elasticity modulus than viscous modulus and remaining constant over broad frequency ranges revealed that nanorod-TiO2/PEDOT dispersion was capable of exhibiting solid-like behavior and had a vibration damping capacity. As a result, it was concluded that synthesized new ER fluid can be recommended for industrial vibration damping purposes.