Farklı çevre koşullarında polietilen bazlı Bi2O3 ile güçlendirilmiş nanokompozit şeritlerin dielektrik, mekanik özelliklerinin incelenmesi ve yapay zeka ile tahmini
Investigation of dielectric and mechanical properties of polyethylene based Bi2O3 reinforced nanocomposite strips in different environmental conditions and estimation with artificial intelligence
Yazar: NAZLICAN ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR ; PROF. DR. KADİR ESMER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tezde, iki polietilen matrisin elektrik ve mekanik özelliklerini geliştirmeye yönelik olarak ilgili matrisleri Bi2O3 nano parçacıkları ile güçlendirerek çok işlevli nano kompozit malzeme üretmeye odaklanılmıştır. Bu doğrultuda, en yaygın kullanılan polietilen çeşitlerinden olan alçak yoğunluklu polietilen (LDPE) ile yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) seçilmiştir. Bu polimerlere solvotermal yöntem ile sentezlenen Bi2O3 nano parçacıkları ilave edilerek nano kompozit filmler üretilmiştir. Bi2O3 parçacıkları ve üretilen nano kompozitler çeşitli yöntemlerle karakterize edilmiştir. Kompozitlerin frekansa bağlı elektriksel özellikleri 𝜀′ ve 𝜀′′ bağlamında incelenmiştir. Bi2O3 katkısı LDPE ve HDPE'nin mekanik dayanımını geliştirirken; sadece LDPE'nin enerji depolama kabiliyetini iyileştirmiştir. Ardından, deneysel olarak üretilmemiş ve ağırlıkça farklı Bi2O3 içeren HDPE temelli nano kompozitlerin 𝜀′ ve 𝜀′′ parametreleri makine öğrenmesi ile tahmin edilmiştir. Ayrıca, gerek saf polimer matrislerin gerekse de dielektrik ve mekanik özellikler açısından optimum katkı olan %0,5 Bi2O3 katkısı için sıcaklık, nem ve ışık etkisiyle dielektrik ve mekanik özellikleri deneysel olarak incelenmiştir. Sıcaklık ve nemin, saf LDPE ve saf HDPE'nin elektriksel polarizasyonunu azalttığı gözlenmiştir. Diğer taraftan, yaşlandırma sürecinin saf LDPE'nin mekanik dayanımını arttırırken; HDPE'nin mekanik dayanımını olumsuz etkilediğini göstermiştir. LDPE/%0,5 Bi2O3 nano kompozitinin artan nem ile enerji depolama yeteneğini geliştirirken, artan sıcaklık ile 𝜀′ düşmüştür. Mekanik dayanımı ise sıcaklığın artmasıyla azalmıştır. Gerek deneysel gerekse de makine öğrenme verileri ele alındığında, saf HDPE ve HDPE matrisli nano kompozitlerin sıcaklık, nem ve ışık gibi çevresel koşullara dayanıklı dielektrik ve mekanik özellikleri ile gelecekteki kompozit endüstrisinde büyük ölçüde yer alacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In this thesis, it was focused on producing multifunctional nanocomposite materials by reinforcing the matrices with Bi2O3 nanoparticles to improve the electrical and mechanical properties of two polyethylene matrices. In this context, low-density polyethylene (LDPE) and high-density polyethylene (HDPE), which are the most widely used polyethylene types, were chosen. Nanocomposite films were produced by adding Bi2O3 nanoparticles synthesized by solvothermal method to these polymers. Bi2O3 particles and the obtained nanocomposites were characterized by various methods. The frequency dependent electrical properties of the composites were investigated in terms of ε' and ε''. While Bi2O3 doping improved the mechanical strength of LDPE and HDPE it was only developed the energy storage ability of LDPE. Then, 𝜀′ ve 𝜀′′ parameters of HDPE based nanocomposites that were not produced experimentally and includes with different Bi2O3 by weight were estimated by machine learning. In addition, the dielectric and mechanical properties of both pure polymer matrices and 0.5% Bi2O3, which is the optimum additive in terms of dielectric and mechanical properties, were experimentally investigated under the influence of temperature, humidity and light. It was observed that temperature and humidity reduced the electrical polarization of pure LDPE and pure HDPE. On the other hand, it was shown that the aging process increased the mechanical strength of pure LDPE while it negatively affected the mechanical strength of HDPE. The energy storage ability of LDPE/0.5% Bi2O3 nanocomposite improved with increasing humidity, while 𝜀′ decreased with increasing temperature. The dielectric constant also decreased with temperature. The mechanical strength decreased with increasing temperature. Considering both experimental and machine learning data, it is thought that pure HDPE and HDPE matrix nanocomposites with dielectric and mechanical properties resistant to environmental conditions such as temperature, humidity and light will have a great place in the future composite industry.