Karbon lif üretiminde stabilizasyon reaksiyonunun ilerlemesinde poliakrilonitril tov prekürsörlerinin termal ve morfolojik karakterizasyonu
Thermal and morphological characterization of polyacrylonitrile tov precursors in the progress of stabilization reaction in carbon fiber production
Yazar: GİZEM İNCE KURT
Danışman: DOÇ. DR. ZEHRA YILDIZ ; DR. OĞUZ ERYILMAZ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Karbon fiberler piyasada hâkim prekürsör olan PAN olmak üzere birkaç prekürsörden yapılır. Karbon lifleri çok sınırlı kombinasyonlarda işlenmeye bağlı olarak yüksek gerilme mukavemetine, yüksek modüle (yaklaşık 1000 GPa teorik sınıra kadar) ve düşük yoğunluğa sahiptir. Prekürsörün hem yapısı hem de bileşimi, ortaya çıkan karbon liflerinin özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Karbon fiber üretimi için temel süreçler benzer olsa da farklı prekürsörler, gelişmiş performans elde etmek için farklı işleme koşulları gerektirir. Farklı poliakrilonitril (PAN) prekürsörlerinin yapısının evrimi, özelliklerin pre-oksidasyon, pre-karbonizasyon ve karbonizasyon sırasındaki değişiklikleri, sürekli ısıtma ile karakterize etmek için yüksek sıcaklık ve farklı katlarda diferansiyel tarama kalorimetrisi (DSC) kullanılarak ayrıntılı olarak incelenmiştir. 190 ila 240°C uygun sıcaklık ve zamanın belirlenmesi için PAN prekürsörlerinin termal davranışını incelemek önemlidir. Prekürsörün kimyasal yapısındaki değişimler FTIR (Fourier dönüşümlü kızılötesi) analizi ile morfolojik (yüzey analizi, yoğunluk, lif çapı vb.) ve elementel yapısındaki değişimler ise SEM (taramalı elektron mikroskobu) ile detaylı olarak araştırılmıştır. Prekürsörlerin kristal faz değişimleri, amorf/kristalin alan dağılımları, stabilizasyon endeksi hesaplamaları XRD (X-ışını difraksiyonu) ile elementlerin bağlanma enerjilerinin analizleri ise XPS (X-ışını fotoelektron spektroskopisi) ile gerçekleştirilmiştir. Ayrıca tek lif mukavemet testi ile stabilizasyon parametrelerinin (sıcaklık ve süre) lif mukavemetine olan etkileri de incelenmiştir.

Abstract:
There are various precursors used for producing carbon fibers, but PAN is the one that is most commonly employed. Depending on a few combinations of the structure and processing, carbon fibers have excellent tensile strength, high modulus (up to the theoretical limit of about 1000 GPa), and low density. The characteristics of the final carbon fibers are strongly influenced by the precursor's structure and composition. While the basic procedures for producing carbon fiber are the same, different precursors need different processing conditions to work better. The evolution of structure, and the changes of properties during the pre-oxidation, precarbonization, and carbonization of different polyacrylonitrile (PAN) precursors were first studied in detail using high-temperature and different times differential scanning calorimetry (DSC) to characterize with continuous heating from 190 to 240°C. The changes in the chemical structure of the precursor were investigated in detail by FTIR (Fourier transform infrared) analysis, and the changes in the morphological (surface analysis, density, fiber diameter, etc.) and elemental structure were investigated in detail by SEM (scanning electron microscope). Crystal phase changes, amorphous/crystalline area distributions, and stabilization index calculations of the precursors were performed with XRD (X-ray diffraction), and the analysis of the binding energies of the elements was performed with XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). In addition, the effects of a single fiber strength test and stabilization parameters (temperature and time) on fiber strength were also investigated. It is essential to study the thermal behaviour of PAN precursors so that proper temperature and time are determined.