Sodyum metaborat dekahidrat (boraks) katkılı pmma polimer kompozitlerin mikrodalga özelliklerinin geliştirilmesi
The development of microwave properties of sodium metaborate decahydrate (borax) pmma polymer composites
Yazar: FUAT BERKE GÜL
Danışman: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Boraks = Borax ; Boraks dekahidrat = Borax decahydrate ; PMMA =

Özet:
Poli (metil metakrilat) (PMMA), yüksek mukavemet ve ısı direncine sahip, iyi mekanik özellikler gösteren ve yüksek aşınma direncine sahip bir termoplastik polimerdir. Yüksek optik geçirgenliği sayesinde camsı akrilat olarak adlandırılan PMMA, mor ötesi ışınlara ve hava koşullarına karşı da dayanıklıdır. Bu gibi özellikleri sayesinde esnek cam üretiminde, gıda sanayinde, sağlık uygulamalarında, otomotiv ve uçak sanayinde, mor ötesi ışın ve radyasyon zırhlama uygulamalarında karşımıza çıkmaktadır.  PMMA'nın sahip olduğu olumlu özelliklerin arttırılması, daha geniş bir kullanım alanına yayılması ya da belirli alanlarda özelleştirilmiş kullanım alanına yerleştirilmesi için PMMA kompozitleri üretilmektedir. PMMA matrisine metallerin, nanomalzemelerin ya da seramiklerin eklenmesi ile bu kompozitler oluşturulabildiği gibi kaplama ve çok katmanlı tabakalar eklenerek de PMMA polimer kompozitleri ortaya çıkarılmaktadır. Bu çalışmada PMMA polimerinin avantajlı özelliklerinin arttırılması amacıyla Sodyum Metaborat Dekahidrat (Na2B4O7.10H2O) katkısı PMMA matrisine yapılmıştır. Endüstride Tinkal olarak adlandırılan kısa adı ise Boraks olan Sodyum Metaborat Dekahidrat, sabun, dezenfektan ve deterjan üretiminde, yapışkanlık, dayanıklılık ve yumuşaklık katması amacıyla kozmetik ürünlerde, korozyon engelleyici olması sebebiyle metallerin kaplanmasında ve bakır, kurşun ve demir gibi metallerin atıklarından geri kazanılmasında kullanılmaktadır. Bu tez çalışmada bu özelliklerinin yanı sıra cam sanayinde camın sertliğini, yüzey sertliğini ve viskozitesini arttırması sebepleriyle de tercih edilmiştir. PMMA esnek cam ya da akrilik cam gibi düşünüldüğünde PMMA'nın sertliğini ve yüzey özelliklerini arttıracağı tespit edilmiştir. Ağırlıkça farklı miktarlarda Boraks takviye edilmiş (%2, %5 ve %10) PMMA ile katkısız PMMA örnekleri bu tez çalışmasında üretilmiştir. Atom Transfer Radikal Polimerizasyon yöntemi kullanılarak üretilen örneklerin iç yapılarının, bağlarının ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi amacıyla X-ışınları Kırınım (XRD) analizi, Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektrometre analizi, Raman analizi, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) analizi, Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) analizi yapılmıştır. Sentezlenen polimer kompozitlerin yüzey özelliklerinin tespit edilmesi amacıyla  Taramalı Elektron Mikroskobu ve Stereomikroskop görüntüleri alınmıştır. Temas açısı ölçümü testi, Ses Üstü (Ultrasonic) testi, ve Sertlik testi fizikel özellikleri hakkında bilgi edinilmesi ve Radyo dalgaları ve Mikrodalgalar testleri ise elektiksel ve manyetik özellikleri ile elektromanyetik dalgalara karşı da davranışlarının incelenmesi amaçlarıyla gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Boraks katkısının PMMA içerisinde homojen bir şekilde dağılım gösterdiğini ve Boraks katkısı miktarının artması ile bir miktar topaklaşma ortaya çıktığını göstermektedir. Bu topaklaşmalar yüzey enerjisinin ve yüzey sertliğinin artmasına neden olarak PMMA'nın daha hidrofilik bir yüzeye sahip olmasına ve yüzeyin daha çok su tutmasına neden olmuştur. PMMA/Boraks polimer kompozitlerinin yüzey sertliği artarken elastiklik karşıtı dayanımı da yükselmiştir. Dielektrik değerlerin tüm ölçüm aralığın çok düşük farklar ile değişmesi PMMA/Boraks polimer kompozitlerinin kapasitans (sığa) içerisinde dielektrik (yalıtkan) malzeme olarak görev almasının önünü açmaktadır. Mikrodalgalara karşı yansıtma oranı düşük ve geçirme oranı yüksek olan PMMA, X-bandı (8.2 – 12.4 GHz) içerisinde belirli bant aralıklarında kuvvetli absorblama özelliği göstermiştir. Bazı frekans değerlerinde yüksek elektromanyetik absorblama ve minimum yansıtma göstermesi katkısız PMMA ve Boraks katkılı PMMA'ların bant söndüren filtre olarak kullanılabilmelerini sağlamaktadır. Ayrıca düşük yansıma katsayısı ve yüksek geçirme katsayısı ağırlıkça farklı oranlarda Boraks içeren PMMA/Boraks malzemelerinin iletişim ve telekomünikasyon uygulamalarında rol almalarına olanak vermektedir. Geri dönüş kaybınınn genellikle 10 dB civarında olduğu örnekler 4G ve 5G teknolojilerine uyum sağlayacak şekilde uyarlanabilirler. Ayrıca uzay araçlarının iletişimi esnasında kullanılan antenler için gerekli olan yüksek ve düşük sıcaklık dayanımı, proton, nötron, beta parçacıkları ile X ve Gama ışınlarına karşı radyasyon dayanımı, yüksek mukavemet ve  iyi elektromanyetik dalga geçirgenliği özelliklerinin bulunması nedeniyle PMMA/Boraks polimer kompozitleri uzay araçlarının, sondaların ve teleskopların anten ya da vericilerinde kaplama malzemesi olarak kullanılabilir.
Yüksek frekans bölgesinde görev alan cihazlar üzerine gerçekleştirilen çalışmalar, teknolojik araştırmaların ilgi çekici konuları arasında yer almaktadır.  Bu konudaki karşılaşılan temel zorluklardan birisi de bu cihazların telekomünikasyon enerji sistemlerinde birbirine uyum sağlayarak görev yapabilmesidir. Yüksek frekans bölgesinde çalışan, her noktada çok sayıda alıcı ve vericinin, IoT uygulamalarındaki kullanımı durumunda, sisteme tek başına bakılacak olursa, bir nebze küçük ancak, milyonlarca veya milyarlarca cihaza bakıldığında ise telekomünikasyon enerji sistemlerinin birbirine entegre olarak görev yapabilmeleri için  yüksek frekans bölgesinde çeşitli dalga boylarını filtreleyebilen uygun termoplastik kompozitlerin geliştirilmesinin ihtiyacının önemi, ciddi ölçüde ortaya çıkmaktadır. Ancak, bu frekans bölgesinde çalışmak zorunda olan malzemelerin kullanımında halen yapısal karakterizasyon yönünden çeşitli teknolojik zorluklar bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında geliştirilen bu malzeme ile sağlanan filtreleme ile daha yüksek veri hızı, daha büyük veri transferi ve veri işlemesi sağlayabilecek telekomünikasyon enerji sistemlerde kullanıma uygun bir malzeme geliştirilmeye çalışılmıştır.

Abstract:
With the development of technology, the use of electromagnetic waves has become very important and this importance continues to increase day by day. Non-ionized electromagnetic waves (radio waves, microwaves, infrared rays, and visible rays) are used by devices such as antennas, televisions, telescopes, mobile communication devices, and Radio Waves Detection and Arranging(RADAR). Radio waves and microwaves are divided into bands in certain frequency ranges for better processing. According to the generations (3G, 4G, 5G, etc.), communication networks work in different bands, while radar devices exchange data in different bands. In order for these devices and systems to be used more effectively and efficiently in current technology areas, the materials in the structure of the system or that help the system to work should be carefully selected. While the importance of transmittance and reflection in communication, image, and sound transmission, and information detection with electromagnetic waves are of great importance, the importance of absorption, ie absorption/damping of these waves, is more prominent in radar technologies. The materials used in the mentioned technologies; can be metals, polymers, and their composites. Especially in recent years, metal components added to polymer matrices or nanoparticles added to polymer matrix are composites that are frequently investigated in the production of Radio Waves Absorbing Material or Radar Absorber Material (RAM). PMMA, a thermoplastic with properties such as high mechanical strength, high optical permeability, strong resistance to wear, and good thermal resistance, was preferred as a polymer, and Borax additive was added to the PMMA matrix to investigate its properties. It was aimed to investigate the characteristic, structural, physical, and chemical properties of PMMA, also known as glassy acrylic, by adding Borax, which is known to increase the hardness and surface energies of glass surfaces. In order to examine the structural properties and bonds, X-Ray Diffraction (XRD) analysis, X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Fourier Transform Infrared analysis, and Raman analysis were performed. Microwave tests have been carried out to determine magnetic and electrical properties. Scanning Electron Microscope (SEM) and Stereomicroscope images were obtained in order to display surface properties. Thermal properties were determined by Thermogravimetric Analyzes (TGA) and Differential Scanning Calorimeter (DSC), while elastic properties were determined by Ultrasound Testing and Shore-D Hardness Test. Water holding capacity, surface properties, and hydrophilicity-hydrophobicity were determined by the Contact Angle Test. The results obtained with XRD, XPS, and FTIR indicate that the Borax additive spreads homogeneously in PMMA and forms bonds and Borax is compatible with the PMMA polymer matrix. In XRD analysis, peak values found at angles of 13, 30, and 42° indicate the presence of PMMA, while peak values found indicate Borax contribution. The crystallite sizes were calculated by using these peaks in Bragg's Law. The results of the XPS analysis show the bonds formed between C, O, B, and Cu and the types of bonds (single, double, or triple bond) based on the binding energies of the atoms. Waves corresponding to the peak values revealed in FTIR and Raman analyzes indicate the bonds between C, O, and H occurring in PMMA, and the peak values occurring at wavenumbers of 985 and 810 cm-1 indicate the bonds between B, O, and H. The results of these analyzes indicate that the ATRP method is a suitable method for the synthesis of PMMA polymer and PMMA / Borax polymer composite and that the necessary bonds are formed and Borax shows a good distribution in the PMMA matrix. The ATRP method is one of the chain-growth polymerization techniques and it is a known polymerization method that allows the additives added to the controllable polymers to distribute and bond homogeneously with polymers. Stereomicroscope images show some agglomeration in PMMA with the increasing amount of Borax. Agglomeration increased surface roughness and caused an increase in surface energy. These results are consistent with the results obtained from Contact Angle. Contact Angle results show that the contact angle value of non-additive PMMA, which is 80.1°, decreases with the rising amount of borax and this value is 74.2° for 10% PMMA / Borax polymer composite. Thus, it has been observed that the Borax additive creates a more hydrophilic surface on PMMA and creates a surface with better water holding capacity. Shore-D hardness test shows that hardness increases with the addition of Borax to PMMA, but hardness values decrease with the increase of agglomeration on the surface. The highest hardness value was seen in the 2% Borax doped PMMA sample. However, the hardness of all samples with Borax added indicates a higher value than PMMA without additive. Density values increased as the amount of Borax in PMMA increased and PMMA / Borax composites became denser. As a result of Ultrasound Testing performed by sending transverse and longitudinal sound waves on PMMA matrix samples, Poisson ratio, Microhardness, Young Modulus, Shear Modulus, and Bulk Modulus values of non-additive PMMA and PMMA / Borax composites were found. While the Poisson ratio for PMMA without additives was 0.359, it decreased to 0.348 in the 10% PMMA / Borax sample. Elasticity (Young) Modulus increased from 5.185 GPa to 6.234 GPa, and Microhardness increased from 0.179 GPa to 0.215 GPa. The increase in borax contribution caused the Shear Module to increase from 1.907 GPa to 2.293 GPa and the Bulk Module from 6.141 GPa to 7.383 GPa. TGA and DSC results were effective in determining the thermal properties. TGA results show 5% mass loss of non-additive PMMA as 238 ° C, while mass loss has decreased to 179 ° C in 10% PMMA / Borax polymer composite. The decrease from non-additive PMMA to 10% Borax doped PMMA at 10% mass loss was from 324 ° C to 287 ° C. While 20% mass loss temperatures decreased from 365 C to 357 ° C, 30% mass loss is between 377 ° C and 372 ° C. Looking at the DSC results, the glass transition temperature slightly increased in 2% and 5% doped Borax doped PMMA samples, while it decreased slightly in 7.5% and 10% PMMA / Borax samples. The melting temperature was found close for each sample around 395 ° C. In this study, the effects of radio waves on PMMA and PMMA / Borax materials were investigated by two different methods. The first method measures the behavior of samples when exposed to frequencies in the 500 MHz - 50 GHz range. This method was carried out to find the Dielectric Constants of the samples. As a result of the tests performed in the range of 500 MHz - 50 GHz, the Dielectric Constants of the non-additive PMMA and PMMA / Borax composites have been subjected to minor changes in this frequency range. It has also stored a significant amount of energy in the 25 GHz - 50 GHz range. Thus, in a wide frequency range, PMMA and its Borax doped polymer composites can be used as dielectric materials in capacity (capacity). As the second method, the tests performed in the X-Band (8.2 - 12.4 GHz) of microwaves were also used to determine the electrical and magnetic properties of the samples produced in this study. The Relative Dielectric Constant is in the range of 2 and 3 with varying in the X band interval. Among the samples that produce unchanged dielectric constant values in certain frequency ranges in the X-band, especially the 10% PMMA / Borax samples are the material with the most stable dielectric values in this band. Considering the magnetic permeability, the 10% PMMA / Borax polymer composite with a permeability coefficient of 1 is again the sample with the most stable magnetic permeability in the X-band. The behavior of the undoped PMMA and the different amounts of Borax doped PMMA samples against microwaves, which constitute the main lines of this thesis, are discussed in terms of absorption, reflection, and transmission aspects. It has been observed that with the absorption direction, the energy of microwaves is converted into heat energy, and the waves are kept in the material. Considering the reflection, absorption, and transmission rates, it is seen that all samples reflect 0% at certain frequency ranges, although there is a difference for each sample. Samples with very high transmission rates perform 100% transmission in one part of the X-band. Absorption values show that the samples have high absorption properties at certain frequencies. Particularly, 2% by weight Borax doped PMMA sample gives 27.1% of 11.6 - 11.8 GHz range and an absorption rate of 24.3% in the range of 12.3 - 12.4 GHz. These results show that PMMA matrix containing no additive and different amounts of Borax absorbs effectively in narrowband gaps and thus it is understood that these samples can be used as a band quenching filter. Reflection loss values indicate that effective losses occur in wide ranges for all samples, while the largest impact area is in the non-additive PMMA sample, while the best reflection loss value with -40.45 dB is 10% PMMA / Borax sample. Return loss results are usually at the value of -10 dB but have reached peak values in some bands. Maximum return loss was seen in 2% PMMA / Borax polymer composite with -75.79 dB at 9.04 GHz. Samples, where the return loss is generally around 10 dB, can be adapted to accommodate 4G and 5G technologies. In addition, due to the high and low-temperature resistance required for antennas used during the communication of spacecraft, radiation resistance against protons, neutrons, beta particles, and X and Gamma rays, high strength, and good electromagnetic wave permeability, PMMA / Borax polymer composites are and it can be used as a coating material for antenna or transmitters of telescopes.