Elektrik iletkenliğe sahip yeni nesil boyanın ısıl iletkenlik özelliklerinin belirlenmesi
Determination of thermal conductivity of new generation electrically conductive paint
Yazar: FATMA TUĞÇE ŞENBERBER
Danışman: PROF. DR. SABRİYE PİŞKİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektriksel iletkenlik = Electrical conductivity ; Endüstriyel boyalar = Industrial dyes ; Termal iletkenlik = Thermal conductivity ; Toz karakterizasyonu = Powder characterization ; Yarı iletkenlik = Semiconductivity

Özet:
Boya genellikle dekoratif, korozyondan önleme ve mühendislik amaçlı kullanılan; pigment, çözücü, bağlayıcı, çoğaltıcı ve uygun katkı malzemeleri karışımına verilen genel bir terimdir. Boyalar doğaları gereği iletken özelliğe sahip değildirler; ancak teknolojik gelişmelerin de katkılarıyla günümüzde boyaya farklı özellikler kazandırılabilmektedir. 
İletkenlik direnci, bir iletkenin elektrik akımına karşı ne ölçüde direnç gösterdiğinin bir ölçüsüdür. İletkenlik direnci, 10-5 – 10-9 Ω.cm aralığında olan boyalar literatürde iletken boya olarak tanımlanmaktadır. İletkenliğin artması başlıca iletkenlik ağının oluşumunu sağlayan uygun ortamının geliştirilmesiyle sağlanır. Bu tez çalışması kapsamında boya bileşimine farklı yarıiletken metal oksitler ilave edilerek farklı kompozisyonlara sahip boya numuneleri hazırlanmıştır. Bu numuneler arasından iletkenliği en iyi olan kompozisyon üzerinde çalışılarak elektriksel iletken boya elde edilmiştir. Boya örneklerinin rahat sürülmesi, çabuk kuruması, homojen kalınlık dağılımı göstermesi ve ısıl iletkenlik katsayısının uygun olması boyanın uygulanabilir olması üzerinde durulan önemli noktalar olarak belirlenmiştir.
Farklı kompozisyonlarda hazırlanan boya karakterize edilip optimum iletkenlikte boya üretimi gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan boya örneklerinin karakterizasyonu aşamasında; kafes yapılarının belirlenmesi için X-Işınları Kırınımı analizi (XRD), atomları arası bağ titreşimlerinin belirlenmesi için Fourier transform infrared spektroskopisi (FT-IR), malzemenin sıcaklık karşısındaki tepkilerinin incelenmesi için termal analiz (TG-DTA), morfolojik incelemeler için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve yüzey alanı ve porozite ölçümü için BET analizi tekniklerine başvurulmuştur. Karakterize edilen en uygun iletkenlik değerine sahip iletken boya örneği, farklı kalınlıklarda (15, 25 ve 40 µm) sürülerek güç – zaman, sıcaklık – zaman ilişkileri incelenmiştir. Boya formülasyonunun belirlenmesinden sonra,  boya ve seramik elektrik akımının taşınmasını sağlayan iletken şeritlerle birleştirilerek, bahsedilen kaplama malzemesinin ve iletken şeritlerin bir arada tutulmasını ve sabitlenmesini sağlayan kaplama tabanı ile ısıtıcı bir sistem tasarlanmıştır. Aynı zamanda seramik, boya ve iletken şeritlerin birleştirilmesi sırasında farklı ısıl genleşme katsayılarına sahip malzemelerin çatlama, yanma, kokma benzeri sorunlarının önüne geçmek amacıyla uygun polimer reçine seçilmiştir. Seçilen polimer malzemenin karakterizasyonu, özellikle termal davranışı, tasarlanan sistem açısından önem taşımaktadır.
Hazırlanan formulasyonların analiz sonuçları ışığında en uygun kompozisyon olarak tespit edilen Ç-1 kodlu boya örneği termal analiz sonuçlarına göre, hazırlanan optimum elektriksel iletkenlikteki boya örneğinin 430°C'ye kadar bozunmadan dayanabildiği görülmüştür. Bu sıcaklık değeri TSE standartlarından 63335-1 standardına göre limit değerleri karşılar niteliktedir. Ayrıca Ç-1 kodlu en uygun bileşime sahip boya örneğinin farklı sıcaklılarda kurutulan numunelerinin XRD sonuçları da kristal yapının sıcaklıktan etkilenmediğini destekler niteliktedir. Üretilen boyanın yüzey alanı 3.63 m2/g olan tespit edilmiş örneğin, 20 µm altı parçacık boyutuna sahip olduğu ve ağır metal içeriğinin bulunmadığı belirlenmiştir. Ayrıca boya filminin kalınlığının artmasıyla elektriksel iletkenliğin de arttığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Paint is a mixture of pigment, solvent, binder, extender and appropriate additives that is generally used for decorative, corrosion prevention and engineering purposes. Paints do not have an inherently conductive property; however with the help of technological developments it is possible to add this and other properties to the paints.
Resistivity (conductive resistance) is a property that quantifies how strongly a conductor opposes the flow of electric current. Paints having a resistivity value in the range of 10-5- 10-9 Ω.cm are defined as conductive paints in the literature. Conductivity can be increased mainly by constructing an appropriate environment for the formation of a conductivity network. In the scope of this thesis, paint samples of different compositions were prepared by adding different semiconductor metal oxides to the paint composition. Electrical conductive paint was obtained by working on the sample having the best conductivity. Easy application, fast drying, homogenous thickness distribution and a proper thermal conductivity coefficient were defined as the important points for the paint to be applicable.
Paints of different compositions were characterized and the paint with an optimum conductivity was produced. During the evaluation of the paint samples X-Ray diffraction (XRD) was used to determine the cage structure, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) was used to determine vibrations between the bonds of the atoms, thermal analysis (TG-DTA) was used to investigate the reactions of the materials to temperature, scanning electron microscopy (SEM) was used for morphological screening, and BET analysis was used for the measurements of surface area and porosity. The evaluated paint sample having the best conductivity value was applied at different thicknesses (15, 25 and 40 µm) and power-time and temperature-time relationships were investigated. After determining the paint formulation, paint and ceramic were combined with conductive strips that facilitate the transmission of electric current, and in order to hold the aforementioned coating material and conductive strips together and immobilize them a heating system with a coating base was designed. At the same time a proper polymer resin was chosen to prevent problems such as cleavage, burning and odor of the materials with different thermal expansion coefficients that can be encountered during the assembly of ceramic, paint and conductive strips. The characterization of the selected polymer material, especially its thermal behavior, is important for the designed system.
The thermal analysis results of the Ç-1 coded paint sample, which was identified as the most appropriate composition according to the results of the analyses of the prepared formulations, indicated that the prepared paint sample having the optimum electrical conductivity could withstand up to 430°C without any degradation. This temperature value meets the limit values according to the standard 63335-1 of TSE standards. Moreover the XRD results of the samples taken from the Ç-1 coded paint sample and dried at different temperatures also showed support for the observation that the crystal structure was not affected by the temperature. It was determined that the produced paint has a surface area of 3.63 m2/g and particle size less than 20 µm without any presence of heavy metals. The electrical conductivity was also observed to increase as the thickness of the film was increased.