Esnek ve iletken kompozit iyonojellerin derin ötektik çözücü sisteminde sentezlenmesi ve gerinim duyarlı sensör uygulamalarındaki kullanımının incelenmesi
Synthesis of flexible and conductive composite ionogels using deep eutectic solvent system for strain sensitive wearable sensor applications
Yazar: BURAK KAAN KARATAŞ
Danışman: PROF. DR. GÖKÇEN DEMİREL
Ankara Hacı Bayram Veli Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Derin ötektik çözücüler = Deep eutectic solvents

Özet:
İletken hidrojeller, biyouyumlu olmaları, uygun seviyedeki Young modül değerleri ve muhteşem elektriksel iletkenlik özelliklerinin kombinasyonu sayesinde esnek elektronik ve giyilebilir sensör alanında büyük bir ilgi görmektedir. Bununla birlikte, hidrojellerin yapısı gereği su içeriği açısından zengin oluşu düşük ve yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerindeki kayıplar nedeniyle uygulama alanlarında kullanımlarını sınırlamaktadır. Bu tez çalışmasında, çözücü ortamı olarak derin ötektik çözücü (DES) ve elektriksel iletken polimer malzeme olarak Polianilinin (LAP@PANI) ana iskeleti Poliakrilamitten oluşan bir iyonojel tasarlandı. Tasarladığımız iyonojel kendinden birçok farklı yüzeye (cam, plastik, kauçuk, kağıt, yaprak, metal) yapışabilen, sıcaklık toleransı yüksek (-20 ve 50 °C), kendi kendini onarabilen, mekanik özellikleri yönünden dayanıklı ve sağlam aynı zamanda da esneklik özelliklerinin kombinasyonunu bir arada sergilemektedir. Çözücü ortamı su olan yalın ve kompozit hidrojel olarak isimlendirilen hidrojeller, DES temelli iyonojel ile özellikleri arasında karşılaştırma yapılabilmek için kontrol hidrojelleri olarak sentezlenmiştir. Sentezlenen hidrojellerin ve iyonojelin özellikleri üzerinde etkisi olan her bir malzemenin farklı miktar ve derişimleri optimize edilerek kendi arasında mukayese edilmiştir, bu sayede birçok özellik yönünden optimum bir iyonojel elde edilerek esnek ve giyilebilir sensör olarak kullanıma uygun seviyeye getirilmiştir. İyonojel ve hidrojellerin yapısı XRD, SEM, FTIR spektroskopisi ile karakterize edilmiştir. Mekanik dayanıklılığı çekme testleri, düğüm ve çentik atma, delinme testi, ağırlık kaldırma ile test edilmiş olup, karşılaştırılmalı olarak mukayese edilmiştir. Sıcaklık toleransının jellerin kullanımına etkisi iletkenliklerindeki değişim ile incelenmiştir. İyonojelin oda sıcaklığında iletkenliği 0,01 S/m, 50 °C deki iletkenliği 0,08 S/m olarak ölçülmüştür. İyonojelin kendi kendini iyileştirme testi sıcaklık etkisine bağlı olarak iletkenlik ve çekme testleri ile test edilmiştir.  0 ve 50°C vakum etüvünde bekletilen iyonojel kendi kendini onarımının ardından başlangıçta sergilediği iletkenliği ve esnekliği özelliklerinde bir kayıp sergilemeyerek kendi kendini büyük bir oranda onardığını gösterilmiştir. Tüm bu özellikleri ile bu iyonojeller insan hareketlerini anlık olarak izlenebilmesinde giyilebilir sensör olarak kullanılma potansiyeli sergilemektedir.

Abstract:
Conductive hydrogels are of great interest in the field of flexible electronics and wearable sensors due to their combination of biocompatibility, favorable Young's modulus and excellent electrical conductivity. However, the fact that hydrogels are rich in water content due to their structure limits their use in application areas due to the loss of mechanical properties at low and high temperatures. In this thesis, we designed an ionogel consisting of deep eutectic solvent (DES) as the solvent medium and Polyacrylamide as the main skeleton of Polyaniline (LAP@PANI) as the electrically conductive polymer material. The ionogel we designed exhibits a combination of self-adhesion to many different surfaces (glass, plastic, rubber, paper, sheets, metal), high temperature tolerance (-20 and 50 °C), self-healing, durable and robust in terms of mechanical properties, and flexibility. Hydrogels named as plain and composite hydrogels with water as the solvent medium were synthesized as control hydrogels to compare their properties with DES-based ionogel. Different amounts and concentrations of each material that have an effect on the properties of the synthesized hydrogels and ionogel were optimized and compared among themselves, thus obtaining an optimum ionogel in terms of many properties and making it suitable for use as a flexible and wearable sensor. The structure of ionogels and hydrogels were characterized by XRD, SEM, FTIR spectroscopy. Mechanical strength was tested by tensile tests, knot and notching, puncture tests, weight lifting and comparative comparisons were made. The effect of temperature tolerance on the use of gels was studied by the change in their conductivity and tested at -20°C room temperature and 50°C. The conductivity of ionogel at room temperature was measured as 0.01 S/m and at 50 °C as 0.08 S/m. The self-repair test of ionogel was tested by conductivity and tensile tests depending on the temperature effect. The ionogel, which was kept in 0 and 50°C vacuum oven, did not exhibit any obvious loss in its conductivity and flexibility properties that it initially exhibited after self-repair and showed that it repaired itself to a great extent. With all these features, it has been successfully used as a wearable sensor to monitor human movements instantaneously.