Nafion esaslı nanoliflerinin geliştirilmesi
Development of nafion based nanofibres
Yazar: RUMBIDZAI ETINA ZIZHOU
Danışman: Assoc. Prof. Dr. AHMET ÇAY
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Tez çalışmasının amacı yakıt hücrelerinde kullanılma potansiyeline sahip Nafion esaslı nanoliflerin geliştirilmesidir. Elektrolif çekim yöntemi ile tek başına Nafion'dan nanolif elde edilememektedir. Bu nedenle taşıyıcı polimer kullanılması gereklidir. Tez çalışması kapsamında taşıyıcı polimer olarak polivinil alkol (PVA), polietilen oksit (PEO) ve termoplastik poliüretan (TPU) seçilmiştir. İlk aşamada, Nafion/taşıyıcı polimer/çözgen karışımları ile farklı karışım oranlarında elektrolif çekimi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen nanoliflerin morfolojileri SEM analizi ile incelenmiştir. Elde edilen nanoliflerdeki Nafion oranı taşıyıcı polimer tipine göre değişmektedir. En yüksek Nafion oranı PEO ile sağlanmıştır. Diğer yandan en ince lifler PVA ile elde edilmiştir. İkinci aşamada Nafion esaslı nanoliflerin, yakıt hücrelerinde kullanılabilirliği incelenmiştir. Bu aşamada en ince nanoliflerin elde edildiği PVA taşıyıcı polimer olarak seçilmiştir. Çünkü lif çapı inceldikçe daha iyi oryantasyon ve daha yüksek yüzey alanı elde edilmektedir. PVA ve PVA/Nafion nanolifleri üretilmiştir. PVA'nın sudaki dayanımının artırılması için membranlar stabilize edilmiştir. Ayrıca PVA'ya proton iletkenlik özelliği kazandırmak için sülfonlama işlemi uygulanmıştır. Stabilizasyon ve sülfonlanma FTIR analizi ile doğrulanmıştır. Nanoliflerin su ve metanoldeki dayanımları, oksidatif kararlılıkları ve iyon değiştirme kapasiteleri test edilmiştir. Isıl işlem ile stabilize edilmiş PVA/Nafion nanoliflerinin kararlılık açısından en iyi sonuçlar verdiği ve iyon değiştirme kapasitesinin de ticari Nafion® 115 membrana yakın olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak ısıl işlemle stabilize edilmiş PVA/Nafion nanoliflerinin yakıt hücrelerinde kullanım potansiyelinin bulunduğu ortaya konmuştur.

Abstract:
The aim of this thesis work was to develop Nafion based nanofibres for the potential use in fuel cells. The electrospinning of pure Nafion is not possible. Thus a carrier polymer should be used. Poly(vinyl alcohol) (PVA), poly(ethylene oxide) (PEO) and thermoplastic polyurethane (TPU) were selected as carrier polymers in this study. In the first stage of the study, Nafion/carrier polymer/solvent mixtures with different mixing ratios were electrospun. Morphology of the resultant nanofibres were characterised by SEM analysis. Nafion amount in the resultant nanofibres were dependent on the carrier polymer type. The highest concentration of Nafion in the nanofibres was obtained by the electrospinning with PEO. The finest bead-free nanofibres were obtained with PVA. In the second stage the availability of nafion based nanofibres in fuel cells was investigated. The finest nanofibres were obtained with PVA thus it was selected to be the carrier polymer. Because the finer the nanofibres, the better the alignment and the higher the surface area.  PVA and PVA/Nafion nanofibres were electrospun. To enhance water stability the membranes were stabilised. Moreover to provide proton conductivity the membranes were sulfonated. Stabilisation and sulfonation were proved by FTIR analysis. Water, methanol and oxidative stability and ion exchange capacity of nanofibres were tested. It was observed that thermally stabilised PVA/Nafion nanofibres have adequate stability and ion exchange capacity was found to be close to those of commercial Nafion® 115 membrane. In conclusion, potential use of thermally stabilised PVA/Nafion nanofibres in fuel cells were revealed.