Politiyofen, polipirol ve poliindol esaslı kompozitlerin sentezi, yapısal ve elektriksel özelliklerinin belirlenmesi
Synthesis of polythiophene, polypyrrole and polyindole based composites, determination of their structural and electrical properties
Yazar: SEDA ERDÖNMEZ
Danışman: DOÇ. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Elektriksel özellikler = Electrical properties ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Günlük hayatımızın her alanında polimerlerden üretilmiş malzemelerle karşılaşmaktayız. Paketleme ürünleri, elektriksel izolasyon malzemeleri, araba tekerlekleri, yapıştırıcılar, su şişeleri gibi birçok ürün, polimerik malzemelerden üretilmektedir. Polimerler keşiflerinden itibaren uzunca bir süre yalıtkan olarak bilindiğinden, kullanım alanları da hep yalıtkanlığın arandığı uygulamarla sınırlı kalmıştır. 1977 yılında ise, iletken polimerlerin keşfi ile polimerlerin gelecekte pek çok uygulamada metallerin yerini alabileceği düşünülmeye başlanmıştır. Bu motivasyonla araştırmacılar metallere kıyasla daha ucuz, hafif, fiziksel ve kimyasal açıdan daha kararlı ve kolay işlenebilme avantajlarına sahip iletken polimerler üretme üzerine odaklanmışlardır. 
Özellikle 1980'li yılların sonlarından itibaren, iletken polimerler üstün elektriksel ve optik özellikleri ve düşük maliyetleri nedeniyle ışık yayan diyotlar (LED), transistörler, entegre devreler vb. yarıiletken devre elemanlarında geniş bir kullanım alanına sahip olmuştur. Ayrıca iletken polimerlerin şarj edilebilir piller, akıllı camlar, güneş pilleri, sensörler gibi birçok uygulama alanı bulunmaktadır.
Araştırmacılar, böylesi geniş bir uygulama alanına sahip iletken polimer malzemelerin özelliklerini geliştirmek adına, son yıllarda yoğun çalışmalar yapmaktadırlar. Özellikle iletken polimerlerin yapısal, fiziksel, elektriksel ve optik özelliklerinin geliştirilmesi adına, farklı katkı maddelerinin polimer yapısına eklenmesiyle elde edilen polimer kompozit araştırmaları son yirmi yılda büyük hız kazanmıştır. Bu bağlamda, bu tez çalışmasında temel olarak üç farklı iletken polimer (Politiyofen (PTh), Polipirol (PPy) ve Poliindol (PIn)) ve farklı katkı maddeleri (Sodyum Meta Silikat, Boraks, Volkanik Kayaç ve Nano Boyutlu Tungsten oksit) ile polimer kompozitler hazırlanarak; polimerlerin elektriksel parametrelerindeki değişimler detaylı olarak incelenmiştir. 
Tez çalışması iki aşamadan oluşmaktadır; ilk aşamada ticari olarak elde edilen mikro boyutlardaki katkı maddeleri (Sodyum meta silikat, Boraks ve Van'daki bir volkanik bölgeden toplanmış Volkanik kayaç) kimyasal polimerizasyon yöntemi ile sentezlenmiş yukarıda belirtilen iletken polimerlere mekanik olarak karıştırılarak kompozit yapılar elde edilmiştir. İkinci aşamada ise, katkı maddesi hidrotermal sentez yöntemiyle nano boyutta sentezlenerek polimerlere yine mekanik olarak karıştırılmıştır. Elde edilen kompozitlerin yapısal özellikleri Taramalı Elektron Mikroskopisi ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi ile belirlenmiştir. Ayrıca, ilk iki aşamada üretilen toz halindeki kompozitler, hidrolik pres cihazıyla tablet formuna getirilerek elektriksel özellikleri frekansa bağlı olarak empedans analizörü ile tespit edilmiştir. 
Sonuç olarak, üretilen kompozitlerin dielektrik parametrelerinde önemli değişimler gözlenmiştir. PTh-katkı kompozitlerinin dielektrik sabiti değeri saf PTh'ye göre 1.2 ila 4.6 kat, PIn-katkı kompozitlerinin dilelektrik sabiti değeri saf PIn'ye göre 1.3 ila 3.5 kat, PPy-katkı kompozitlerinin dielektrik sabiti değeri saf PPy'ye göre 1.1 ila 50000 kat arasında artmıştır. Ayrıca PTh-mikro katkı kompozitleri içinde yüksek dilelektrik sabiti gösteren örneklerin düşük dielektrik kaybına sahip oldukları belirlenmiştir. Yüksek dielektrik sabiti ve düşük dielektrik kaybına sahip malzemeler kondansatör uygulamaları için aranan malzemelerdir. Bu bakımdan, yüksek dielektrik sabitine sahip ilgili kompozitlerin kondansatör uygulamaları için uygun birer materyal olduğu söylenebilir. Bunun yanı sıra, PIn ve PPy-katkı kompozitlerinde yüksek dielektrik sabiti gösteren örneklerin yüksek dielektrik kayıp değerine sahip olduğu gözlenmiştir. Bu özelliklerinden dolayı bu kompozitler ise dekuplaj kondansatör uygulamalarında kullanılabilir. Ayrıca, hazırlanan kompozit malzemelerin iletkenliklerinde de önemli değişimler belirlenmiştir. İletkenlikteki en önemli etki PPy-%50VB kompozitinde gözlenmiştir. Bu kompozitin iletkenliği saf PPy'nin iletkenliğine göre yaklaşık 1510 kat artmıştır. Bunun dışında, diğer kompozitlerin iletkenliklerinde de 1 ila 640 kat arasında artış gözlenmiştir. Bu açıdan, ilgili kompozitlerin, yüksek iletkenliğin arandığı polimer uygulamalarında kullanılabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In almost every area of our daily lives, we encounter materials made of polymers. Many products, such as packaging products, electrical insulating materials, car wheels, adhesives, water bottles, are produced from polymeric materials. Since polymers have been known as insulators for a long time since their discoveries, their use has always been limited to insulating applications. In 1977, with the discovery of conductive polymers, it was thought that polymers could replace metals in many applications in the future. With this motivation, researchers have focused on producing conductive polymers that have the advantages of being cheaper, lighter, physically and chemically stable and easier to process than metals.
In particular, since the late 1980s, conductive polymers have been widely used in light emitting diodes (LEDs), transistors, integrated circuits, semiconductor circuit components due to their superior electrical and optical properties and low cost. Additionally, conductive polymers have many applications such as rechargeable batteries, smart glasses, solar cells, sensors and etc.
Researchers have been working hard in recent years to develop the properties of conductive polymer materials with such a wide range of applications. In particular, polymer composite research has been accelerated over the last two decades by adding different additives to the polymer structure to improve the structural, physical, electrical and optical properties of conductive polymers. In this context, by using three different conductive polymers (polythiophene (PTh), polypyrrole (PPy) and polyindole (PIn)) and different additives (Sodium meta silicate, Borax, Volcanic rock, nano tungsten oxide) polymer composites were prepared and the changes in the electrical parameters of polymers were examined in detail. Chemical polymerization method was also used in the synthesis of conductive polymers.
The thesis consists of two stages; In the first stage, commercially available micro-sized additives (Sodium meta silicate, Borax and Volcanic rock collected from the volcanic regions of Van) were mechanically mixed to the above-mentioned conductive polymers which sensitized by chemical polymerization method and the composite structures were obtained. In the second stae, the additive was synthesized in nano-size by hydrothermal method and mechanically mixed into polymers. The structural properties of the composites were investigated by Scanning Electron Microscopy and Forurier Transform Infrared Spectroscopy, electrical properties were determined by frequency-dependent impedance measurements.
As a result, significant changes in the dielectric parameters of the produced composites were observed. The dielectric constant value of PTh-additive composites increased (1.2-4.6)times in comparison with PTh. The dielectric constant value of PIn-additive composites rised (1.3-3.5) times by comparison PIn and the dielectric constant value of the PPy-additive composites increased (1.1-50000) times in comparison with PPy. In addition, it was determined that the samples showing high dielectric constants in PTh-micro additive composites had low dielectric loss. Materials with high dielectric constant and low dielectric loss are the materials required for capacitor applications. In this regard, it can be said that these composites with high dielectric constant are suitable for capacitor applications. In addition, high dielectric loss values of PIn and PPy-additive composites with high dielectric constant were observed. Due to these properties, these composites are suitable for decoupling capacitor. In addition, significant changes in the conductivity of the composite materials were determined. The most important effect in conductivity was observed in PPy-50% VB composite. The conductivity of this composite was increased by 1510 times compared to the conductivity of pure PPy. Moreover, the conductivity of the other composites increased between 1 and 640 times. In this respect, it is thought that the related composites may find application area in polymer applications where high conductivity is sought.