Grafen-polimer nanokompozitlerin emülsiyon polimerizasyonu yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis of graphene-polymer nanocomposites via emulsion polymerization and characterization
Yazar: MEHMET DERYA ÖZEREN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HALE BERBER YAMAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Grafen karbon esaslı 2 boyutlu malzemeler sınıfında bulunan ve elektriksel, mekanik ve termal özellikleri bakımından oldukça üstün özellikler gösterebilme potansiyeli bulunan bir malzemedir. sp2 bağ yapısına sahip olan bu malzeme, günümüzde bilinen en yüksek dayanıma sahip malzemedir. Aynı zamanda spesifik yüzey alanının (2630 m2/g) diğer malzemelere göre oldukça yüksek olması bu malzemenin potansiyel uygulama alanlarını oldukça çeşitlendirmektedir. Ancak grafen, kısıtlı kullanıma sahip olmasından dolayı, en çok polimer nanokompozit üretimine dayalı araştırmalarda tercih edilmektedir.
Grafenin bir nano katkı olarak kullanıldığı polimer nanokompozitlerin üretiminde en çok karşılaşılan problem, grafenin polimer matris içerisinde iyi dağıtılamaması ve buna bağlı elde edilen nanokompozitin özelliklerinin beklenenden oldukça düşük olmasıdır. Bu sorunu çözmek adına yapılan çalışmalar genel olarak grafen tabakalarının yüzey modifikasyonuna veya yüzey aktif maddeler kullanılarak grafenin veya grafen oksitin matris içinde dağılmasını arttırmaya yöneliktir. Bu yaklaşımlar kısa sürede etkili olsa da; iyi grafen dağılımlı kompozitin ömrü istenilen kadar uzun olmamaktadır. Daha etkili bir yaklaşım ise; matris ile grafenin kovalent bağlanarak oluşturdukları bir kompozit malzemenin üretilmesi ve kararlılığının sağlanmasıdır.
Bu çalışmanın temel amacı, grafenin polimer matris içerisinde homojen dağılımının ve kararlılığının sağlanarak polimer kompozitin koloidal, yapısal, termal, mekanik ve elektriksel özelliklerinin geliştirilmesidir. Bu amaçtan yola çıkarak; öncelikle grafitten Hummers yöntemi kullanılarak grafen oksit (GO) üretilmiş ve sonrasında 2-hidroksi metil metakrilat (HEMA) monomeri ile fonksiyonlandırılmasının gerçekleşebilmesi için klorlama işlemi uygulanmıştır. Bu işlem ile GO tabakalarının uçlarında yer alan karboksilik asit grupları önce asit klorür yapısına dönüştürülmüş daha sonra bu yapı üzerinden HEMA bağlanmıştır. İkinci aşamada ise; HEMA ile fonksiyonlandırılmış GO nanotabakaları metil metakrilat (MMA) ve bütil akrilat (BuA) monomerleri ile emülsiyon polimerizasyonu yöntemi kullanılarak reaksiyona sokulmuş ve polimer nanokompozit lateksler ve bu latekslerin ince filmleri hazırlanmıştır. Elde edilen grafenik yapıların ve nanokompozitlerin özellikleri X-ışını kırınım yöntemi (XRD), Fouirer transform infrared spektrofotometresi (FTIR), ultraviyole-görünür ışık spektrofotometresi (UV-vis), taramalı elektron mikroskobu (SEM), termogravimetrik analiz (TGA), zeta potansiyeli ve tanecik boyutu analizi yöntemleri ile incelenmiştir.

Abstract:
Graphene is carbon based material with 2D structure and has outstanding theoretical potential with its electrical, mechanical and thermal properties. Graphene has sp2 bond and it is the strongest material in the world that is known so far. It has also 2630 m2/g specific surface area which provides variable potential application areas as a nanocomposite. Otherwise graphene has its own limitations because of its own specific properties and it is generally preferred with polymers to produce polymer nanocomposites with greater properties.
The huge problem of the graphene is homogeneous distribution in the matrix and that brings much lower properties than expected. To solve that problem, researcher have used surfactants to lower the surface tension and used functional groups to increase the distribution in the matrix. Besides it is effective in the short term it causes the kararlıity problems in the long term. In this manner covalent functionalization is crucial to solve the issue about dispersibility with creating stable bonds further it generate more settled composites.
The main purpose of this research is the homogeneous distribution and kararlıity of graphene inside the polymer matrix and increasing the colloidal, thermal, mechanical and electrical properties of polymer nanocomposite. Firstly, Graphene oxide is produced with Hummers method and chlornation reaction is applied to functionalize via hydroxyl methacrylate (HEMA) with the exchange reaction of chlorine ions. Secondly, GO functionalized with HEMA is used to synthesize of polymer nanocomposite via in situ emulsion polymerization with butyl acrylate (BuA) and methyl methacrylate (MMA) and polymer latexes and films are prepared. X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), ultraviolet visible light (UV-vis), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), zeta potantial and particle size analysis are used for characterization of these materials.