Karbon nanotüp esaslı yüksek performanslı liflerin üretim yöntemleri, mekanik ve yapısal özellikleri ve uygulama alanları
Production methods, mechanical and structural properties and application areas of carbon nanotube based high performance fibers
Yazar: ÜLKÜ KÖSE
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KARACAN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering

Özet:
Karbon; amorf karbon, grafit, elmas ve karbonanotüp olarak farklı yapılarda
bulunabilmektedir. Karbon nanotüpler yapısal açıdan bakıldığında tek ya da daha çok
grafen levhalardan yapılı, içi boş bir silindir olarak düşünülebilir. Karbon nanotüpler
genellikle, grafen duvar sayısına göre sınıflandırılırlar. Tek duvarlı karbon nanotüp ve
çok duvarlı karbon nanotüp olarak. Teorik olarak karbon nanotüpler doğada bilinen
malzemelerden daha güçlü ve serttir. Karbon nanotüpler yüksek mekanik dayanıma,
nanotüplerin geometrilerine bağlı olarak değişebilen elektronik davranışa, olağanüstü
ısıl iletkenliğe ve yüksek yüzey alanına sahiptirler.
Karbon nanotüpler genel olarak üç yöntemle üretilirler. Bunlar; ark boşaltımı, lazer
aşındırma ve kimyasal buhar depolamadır.
Karbon Nanotüp Liflerin Üretimi; 50 mikrometreden 200 milimetre uzunluğa kadar
karbon nanotüp lifleri CVD metodu kullanılarak TDKNT sentezinden direk olarak lif
üretimi, elektrostatik olarak bileşenlerin uyarılması ve ultra ince liflerin üretiminde
kullanılan elektrospin ile lif üretimi, eriyikten çekim ve çözeltiden çekim metodları
olarak iki ana başlık altında toplanan geleneksel lif eğirme metodları ile lif
üretilmesidir.
İki ana başlık altında ele alınan geleneksel lif eğirme ile Karbon Nano tüplerin
üretilmesini incelersek; eriyikten çekilen kompozit liflerde maliyet bileşeni en aza
indirmek ve özelliklerinde önemli iyileşme sağlamak için TDKNT gibi
nanomateryallerde takviye malzemeleri olarak kullanılabilir. Çözeltiden çekilen
TDKNT lifleri; TDKNT/Sıvı kristal polimer kompozit lifler, TDKNT/yüzey aktif
çözeltiden üretilen lifler, TDKNT/ süperasit çözeltiden üretilen lifler olup çözeltiden
eğirme prosesinin ilk adımı TDKNT için sorun olmaz çünkü solvent içinde çözünebilir.
Karbon nanotüpten iplik üretiminden kısaca bahsedecek olursak; düz ve pürüzsüz bir
substrat oluşturularak, üzerinde katalizör birikmesi sağlanır ve fırına yerleştirilir. Fırın
belirlenen sıcaklıkta ısıtılır. Karbon içerikli gaz karışımı fırın içinde korunur. Katalizör
sıcaklığı ile fırın sıcaklığı arasındaki farka ve karbon içerikli gazın basıncının kontrol
altında tutulmasına dikkat edilmelidir. Substrat üzerinde dizeler halinde büyüyen
nanotüplerden iplik eğirmesi yapılır.
Bir ipliğin sağlamlığı sadece eğirme prosesine bağlı değil, aynı zamanda çekim yapılan
ormandaki KNT'lerin çapı, boyu ve yoğunluğu gibi özellikler ile orman kalitesine de
bağlıdır.
KNT ipliklerinin mekanik özelliklerini iyileştirmek için, eğirme sonrası büküm
uygulanabilir. Eğirme sonrası büküm KNT liflerini birbirine daha çok yakınlaştırır ve
iplik çapı azalır böylece KNT'ler arası yük transverini iyileştiren van der Walls ve
sürtünme kuvveti artar. Bu durum da daha iyi yük transferi ve daha yüksek yoğunluk
sağlar. Dolayısı ile ipliklerin dayanımı iyileştirilmiş olur. Ayrıca eğirme sonrası büküm
sayesinde temas yüzeyi arttığı için iletkenlikte de iyileşme meydana gelir.
Üretilen iplikler; düğümleme sırasında mukavemetini kaybetmezler. İplikler serbestçe
tutabilir ve kumaş halinde dokunabilir. KNT iplikler mükemmel tokluk, mekanik,
yapısal, yüzey ve elektrik özellikleri sayesinde bir çok uygulamada kullanılmasına
imkan verir.
Karbon nanotüpler; yüksek uzunluk/çap oranları, nanoboyutlu olmaları ve yüksek
elektriksel iletkenlikleri nedeniyle kompozit malzeme üretimi için mükemmel
adaylardır. Bu özelliklerin bir araya gelmesiyle KNT'ler, polimerlerin mekaniksel,
elektriksel ve termal özelliklerinin arttırılması amacı ile polimer/KNT kompozitlerinin
hazırlanmasında kullanılır.
Elektronik cihazlar üzerinde yapılan endüstriyel ve akademik araştırmalar esas olarak;
düz panel görüntüleme, lambalar, dalgalanma korumasını sağlayan gaz deşarj tüpleri ve
X-ışını ve mikro dalga jeneratörleri için saha emisyon elektron kaynakları olan
TDKNT'ler ve ÇDKNT'leri kullanma üzerine odaklanmıştır.
Yüksek yüzey alanı, hassasiyet ve gözenekliliğe, ayrıca daha kısa tepki süresine sahip
olmaları nedeniyle gaz sensörü olarak, biyo-uyumluluğu ile biyolojik uygulamalarda
biyoprob ve biyosensör olarak, özellikle su içerisinde çözünmemesinden dolayı vücut
içerisinde aşı, ilaç taşınmasında ve biyosensör uygulamalarında kullanılmaktadır. Çok
çeşitli endüstriyel uygulamalarda düşük voltaj yapay kaslar büyük önem taşımaktadır.
Bu uygulamaların yanında özellikle yüksek yüzey alanına sahip olmaları nedeniyle
hidrojen enerji teknolojilerinde KNT'lerin yeri oldukça önemlidir.

Anahtar Kelimeler: Nanoteknoloji, karbon nanotüpler, karbon nanotüplerin üretim
yöntemleri, karbon nanotüplerin uygulama alanları, karbon
nantüp esaslı lif ve iplik

Abstract:
Amorphous carbon, graphite, diamond and carbon nanotubes are the main forms of
carbon. From a structural point of view, carbon nanotubes can be considered to be made
from one or more graphene sheets, which in turn can be considered as a hollow
cylinder. Carbon nanotubes are generally classified according to the number of
graphene walls. These are single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon
nanotubes. Theoretically, carbon nanotubes are stronger and harder than any material
found in nature. Carbon nanotubes have high mechanical strength; the nanotubes may
vary depending on the geometry of electronic behavior, extraordinary thermal
conductivity and a high surface area.
Carbon nanotubes are produced by three methods in general. These are; arc discharge,
laser ablation and chemical vapor storage.
Production of Carbon Nanotube Fibers can be summarized as follows; the synthesis of
carbon nanotube fibers using CVD method resulting in lengths ranging from 50
micrometers up to 200 millimeters in length, direct fiber production through synthesis
of SWCNT, resulting in ultra fine fibers and, the use of electrospining, melt spinning
and solution spinning methods are the main traditional techniques used.
Manufacturing of carbon nanotubes using conventional fiber spinning methods are
closely examined under two main headings. Cost component in the melt spinning of
composite fibers can be minimized using reinforcement materials such as SWCNT nano
materials to provide significant improvements in the properties.
SWCNT fibers from the solution spinning; SWCNT/ The liquid crystal polymer
composite fibers, SWCNT/ Fibers produced from the surfactant solution, SWCNT/ The
fibers produced from super acid solution are the first steps of the spinning process of
SWCNT, which is not a problem for SWCNT because of its solubility in the solvent
solutions.
The formation of yarn from carbon nanotube is mentioned briefly; a smooth flat
substrate is used for the accumulation of catalyst located in the oven. The oven is heated
at a specified temperature. The carbon-containing gas mixture is injected in the furnace.
The difference between the temperature of the furnace and the temperature of the
catalyst together with the carbon containing gas pressure should be kept under control.
CNT yarn spinning is made from grown nanotubes on the substrate.
The strength of the CNT yarn not only depends on the spinning process but also on the
properties of the CNT forest including diameter, length, density and quality of the
environment.
To improve the mechanical properties of CNT yarn, twisting after spinning can be
applied. Twisting after spinning makes the CNT fibers get closer together and
consequently the diameter of the yarn decreases. This process increases the friction
between CNT fibers by improving the load transfer between the single filaments and
eventually the friction force increases. This process also provides a better load transfer
and a higher density. Therefore the strength of the yarns is improved. In addition to
twisting after the spinning process, an improvement in the conductivity occurs due to
the increase of the surface contact.
CNT yarns do not lose their strength during the knotting process. The yarn can be
woven into the fabric and can hold freely. CNT yarns show excellent toughness,
mechanical, structural properties allowing the use in many applications due to their
surface and electrical characteristics.
Carbon nanotubes; high length/diameter ratios, nano-sizes and due to their high
electrical conductivity, are excellent candidates for the production of composite
materials. When these features come together, the CNTs are used during the
preparation of polymer/CNT composites for the improvement of mechanical, electrical
and thermal properties.
Electronic devices used in industrial and academic research, for example, flat panel
display, lamps, gas discharge tubes and surge protection, X-ray and microwave
generators, electron sources for field emission, are focused on using SWCNT and
MWCNT.
Due to their high surface area, high sensitivity and porosity, together with a shorter
response time as the gas sensor, in biological applications as bio-probe and the biocompatibility
of the biosensor, insolubility in water, CNTs are used within the body in
drug and vaccine delivery, as well as biosensor applications. In various industrial
applications low voltage artificial muscles are very important.
Apart from these applications, due to their high surface area, the CNTs are particularly
important in the hydrogen energy storage technologies.

Keywords: Nanotechnology, carbon nanotubes, production methods of carbon
nanotubes, application areas of carbon nanotubes, carbon nanotube based yarn