Karbon tabanlı nanomalzemelerin sentezi, karakterizasyonu, reolojisi, ısıl iletkenliği ve kararlılığı
Synthesis characterization thermal rheological and stability of carbon based nanomaterials
Yazar: FATİH ERAVCU
Danışman: DOÇ. DR. KERİM YAPICI
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Nanoakışkan, 100 nm ve daha küçük boyutlarda ki metal, metal oksit ya da karbon tabanlı nanoparçacıkların genelde Newton kuralına uyan (su, etilen glikol, makine yağı vb.) akışkanlar içerisine düşük derişimlerde dağıtılmasıyla oluşturulan, süspansiyon akışkanlarına verilen isimdir. Nanoakışkanlar otomotiv sanayisi, savunma, mikroelektronik, nükleer, uzay ve biyomedikal olmak üzere birçok alanlarda uygulama potansiyeli mevcuttur. Diğer bir ifade ile nanoakışkanlar ısıtma ya da soğutma süreçlerinin olduğu birçok endüstride (kimya, gıda, malzeme vb.) geleneksel çalışma akışkanı olarak kullanılan su, etilen glikol, makine yağı vb. akışkanların yerine ve biyoteknolojide ilaçların istenilen bölgeye hedeflenerek taşınmasında kullanılabilecek en güçlü adaydır. Nanoakışkanlar üstün özelliklere ve birçok uygulama alanlarına sahip olmalarına karşın özellikle metal ve metal oksit nanoparçacıklar yüksek enerji yüzeylerinden dolayı kümeleşme eğilimlerinde olup taban akışkanı içerisinde kararlılıklarını kaybederek çökmektedirler.Bu durum metal ve/veya metal oksit nanoparçacıkların pratikte kullanılma potansiyellerini azaltmaktadır. Yüksek yüzey alanına, yüksek ısıl ve elektriksel iletkenliğe, yüksek mekanik sertliğe, optik transpanlığa ve farklı taban akışkanları içerisinde üstün kararlılık özelliğine sahip olan grafen tabanlı nanoparçacıklar metal ve/veya metal oksit nanoparçacıklar yerine yukarıda belirtilen uygulamalarda kullanılabilecek en büyük adaydır. Bu kapsamda yüksek lisans tezi grafen tabanlı grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit, karbon nanotüp nanoşerit ve asit ile muamele edilmiş farklı boyutlardaki çok duvarlı karbon nanotüp nanoparçacıkların sentezlenmesini, karakterizasyonunu ve kapsamlı ısıl, reolojik ve kararlılık özelliklerinin belirlenmesini amaçlamaktadır. Grafen tabanlı nanoparçacıkların sentezlenmesinde literatürde günümüze kadar önerilmiş olan üç farklı Hummers metodu; i) klasik Humnners, ii) modifiye Hummers ve iii) iyileştirilmiş Hummers metodları kullanılmış ve bu üç metod ile sentezlenen grafen tabanlı nanoparçacıklar literatürde ilk defa kapsamlı olarak termal, reolojik ve kararlılık özellikleri bakımından karşılaştırılmıştır. Kütlece farklı bölüntülerde deiyonize (DI) su taban akışkanı içerisine dağıtılarak üretilen grafen tabanlı nanoakışkanların ısıl iletkenlikleri ve reolojik özellikleri sırası ile KD2 Pro ısıl iletkenlik ölçer cihazı ve Kinexus model reometre ile gerçekleştirilmiştir. Buna karşın üretilen nanoakışkanların kararlılık analizleri Malvern Zetasizer Nano Z ile ölçülen zeta potansiyel ve Shimadzu marka spektrofotometre ile ölçülen görünür bölge absorbans değerleri ile belirlenmiştir. Bunlara ilaveten Antonpaar DMA 4200 yoğunluk ölçer cihazı ile zaman bağımlı ölçülen nanoakışkanların yoğunlukları ile de kararlılık analizi gerçekleştirilmiştir.

Anahtar kelimeler: Grafen, Nanoakışkan, Reoloji, Isıl iletkenlik, Kararlılık

Abstract:
Nanofluids are defined as the dispersion of the nanosized metal, metal oxide or carbon based particles in a conventional heat transfer fluid such as water, ethylene glycol, mixed of ethylene glycol and water, engine oil etc. Due to their higher thermal properties, nanofluids are likely to be considered an effective heat transfer fluids in various applications including automotive, defense, microelectronics, nuclear, space and bio-medicine. In other words nanofluids can be considered as potential candidate for heat transfer fluids in various industries instead of conventional ones. In spite of their superior properties and wide variety of application, nanoparticles have tendency to form agglomeration in suspended medium due to high surface energy. This unfavorable situation leads to decrease usability of metal and metal oxide nanoparticles in practical applications. The fundamental physical properties of graphene especially superior mechanical strength with a Young's modulus of 1100 GPa, high planar surface area, 2630 m2g-1, high thermal conductivity, 5000 Wm-1K-1, high carrier mobility, 10000 cm2V-1s-1 and capacity make it a favorable candidate for heat transfer applications. The fundamental physical properties of graphene especially superior mechanical strength with a Young's modulus of 1100 GPa, high planar surface area, 2630 m2g-1, high thermal conductivity, 5000 Wm-1K-1, high carrier mobility, 10000 cm2V-1s-1 and capacity make it a favorable candidate for heat transfer applications than that of the metal or metal oxide based nanomaterials. Hence the aim of the present thesis is to synthesize and characterize of the carbon based nanomaterials including graphene oxide, graphene nanoribbons (GNR) and acid treated multiwalled carbon nanotubes. Besides it is aimed to comprehensive investigation of rheological, thermal and stability properties of the water based carbon nanofluids. There are mainly three methods employed to fabricate graphene nanosheets. These are mechanical exfoliation, chemical vapor deposition (CVD) on the metal substrates and chemical or thermal reduction of graphene oxide (GO). Graphene oxide (GO) is a single atomic layered material can be produced from the oxidizing graphite powder with well known and widely employed method of Hummers proposed. In the present thesis GO has been synthesized by three different Hummers methods including classical, modified and improved. Thermal conductivity and rheological measurements of water based nanofluids containing different mass percent of Graphene nanoparticles have been carried out by KD 2 Pro and a stress controlled (Kinexus Pro) rheometer respectively. On the other hand stability of these nanofluids have been determined by measuring zeta potantial (Malvern Zetasize Nano Z) and spectral analyzing (Shimadzu UV-VIS). Besides, stability of graphene based nanofluids have also been determiden by measuring time dependent density of them by density meter (Antonpaar DMA 4200).

Key words: Graphene, Nanofluids, Rheology, Thermal conductivity, Stability