POLİ(HİDRİDOKARBİN) KATKILI POLİ(SİLİN-KO-KARBİN) POLİMERLERİNDEN TOZ SİLİSYUM KARBÜR ÜRETİMİ
PRODUCTION of POWDER SILICON CARBIDE from POLY(HYDRIDOCARBYNE) DOPED POLY (SILYNE-CO-CARBYNE) POLYMERS
Yazar: ESEN KAYALICA
Danışman: PROF. DR. YUSUF NUR
Hatay Mustafa Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Endüstri amaçlı üretilen seramikler fiziksel ve kimyasal özellikleri nedeniyle bilim adamlarının ve sanayicilerin ilgisini çekmiştir. Endüstriyel seramikler elmas, elmas-benzer-karbon (DLC), silisyum karbür (SiC), silisyum oksikarbür (SiOC) ve silisyumdioksit (SiO2) gibi seramikler olup bunlar en yaygın kullanılan örnekleridir. Üretilen seramiklerin şeklinin, yapısının, üretim koşullarının ve morfolojisinin kontrolü çok istenilen önemli bir parametredir. Bilindiği üzere bu sert seramik malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri işlenmelerini veya şekillendirilmelerini zorlaştırmaktadır. Yani sahip olduğu özellikler bu seramiklerin iğne şeklinde, çubuk şeklinde, fiber yapısında veya bir yüzeyde film olarak üretilmesini zorlaştırmaktadır. Polimerlerden çeşitli morfoloji ve formlarda seramik üretimi ile bu sorunların aşılması için birçok çalışmalar yapılmakta ve gelecekte uygulanma potansiyeli yüksek bir yöntem olarak ön plana çıkmaktadır. Polimerden seramik üretimi seramik ön polimerler (ceramic precursors) adı verilen özel bir polimer grubu ile yapılabilmektedir. Bu amaçla kullanılan en yaygın polimer grupları polikarbin, polisilan ve polisilinlerdir. Seramik ön polimerlerin kimyasal yapıları üretilmek istenilen seramik yapısına benzemektedir. Poli(hidridokarbin) (PHC) polimeri elmas yapısına benzeyen polikarbin polimer grubundandır. Poli(silin-ko-karbin) veya polikarbosilan (PSK) polimerleri ise SiC yapısına benzeyen polisilin grubundandır. Polimerlerin inert atmosferde ve atmosferik basınç altında ısıl işlenmeleri ile kolaylıkla seramiğe dönüşmektedirler. Seramik ön polimerlerin diğer bir avantajı da yaygın ve ucuz organik çözücülerde çözünmeleridir. Çözünen bu polimerler istenilen şekil ve kalınlıkta, istenilen yüzeye film olarak kaplanabildikleri gibi lif olarakta üretilebilirler. Bunların yanında seramik ön polimerler, çok çeşitli üretim metodları ile sentezlenebilmektedirler. Sonokimyasal, Grignard ve elektrokimyasal yöntemler bilinen yaygın sentez yöntemleridir. Sonokimyasal yöntemde kullanılan reaktiflerin patlayıcı (örneğin havadaki nem ile tepkime veren NaK metal alaşımı) olması ve özel ekipmanlara ihtiyaç duyulması nedeniyle sanayide ve başka alanlarda kullanımını sınırlamaktadır. Grignard reaktifleri ile yapılan kimyasal sentez ise zor ve verimi çok düşük bir yöntemdir. Elektrokimyasal yöntem basit, tehlikesiz ve büyük miktarlarda üretime olanak sağlayan yüksek verimli bir yöntemdir. Tezde, PHC ile PSK polimerleri elektrokimyasal yöntemle önceki çalışmalarda olduğu gibi üretildiler. PHC, kloroform ve hekzaklor etan monomerleri kullanılarak 6V potansiyel altında sentezlendi. PSK ise 1,2-bis(triklorsil) etan monomeri kullanılarak 8V potansiyel altında sentezlendi. Polimerlerin karakterizasyonu UV/Vis, FTIR ve 1H-NMR spektroskopik yöntemleri ile TGA ve DSC ısıl analiz yöntemleri kullanılarak yapıldı. Polimerlerin belli bir kütle oranlarında karışımları hazırlandı ve seramik üretimi bir tüp fırında, argon gazı atmosferinde 24 saat sinterlenmeleri ile gerçekleştirildi. Elde edilen toz malzemelerin morfolojik yapıları optik mikroskop ve SEM ile aydınlatıldı. Seramik malzemelerin kristal yapıları da X-Ray spektroskopisi kullanılarak yapıldı.

Abstract:
Industrial ceramics are ceramics such as diamond, diamond-like-carbon (DLC), silicon carbide (SiC), silicon oxycarbide (SiOC), and silicon dioxide (SiO2), the most widely used examples. Controlling the shape, structure, production conditions and morphology of the produced ceramics is an important parameter that is highly desired. As it is known, the physical and chemical properties of these hard ceramic materials make it difficult to process or shape them. In other words, the properties it possesses make it difficult to produce these ceramics as needle-shaped, rod-shaped, fiber-structured or as a film on a surface. Many studies are carried out to overcome these problems with the production of ceramics in various morphologies and forms from some special polymers, and it stands out as a method with a high potential to be applied in the future. Ceramic production from polymers can be made with a special polymer group called ceramic precursors. The most common polymer groups used for this purpose are polycarbyne, polysilane and polysilyne. The chemical structures of ceramic prepolymers are similar to the desired ceramic structure. Poly(hydridocarbyne) (PHC) is a one of the polycarbyne polymer group, which resembles a diamond structure. Poly(silyne-co-carbyne) or polycarbosilane (PSK) polymers are from the polysilyne group, which has similar structure with a SiC. Therefore, they are easily converted into ceramics by heat treatment of polymers in inert atmosphere and under atmospheric pressure. Another advantage of ceramic precursors is that they dissolve in common and inexpensive organic solvents. Thus, these polymers can be produced in any shape and thickness, as a film on the desired surface, or as a fiber. In addition, ceramic prepolymers can be synthesized by a wide variety of production methods. Sonochemical, Grignard and electrochemical methods are common synthesis methods. Since the reagents used in the sonochemical method are explosive (for example, NaK metal alloy that reacts with moisture in the air) and special equipment are needed, thus these limit to use these production methods in industry and other areas. Chemical synthesis with Grignard reagents is a difficult and very low yield method.The electrochemical method is a simple, non-hazardous and highly efficient method that allows large quantities of production. In the thesis, PHC and PSK polymers were produced by the electrochemical method as in previous studies. PHC was synthesized using chloroform and hexachloroethane as monomers under 6V potential. PSK was synthesized using 1,2-bis(trichlorosilyl) ethane monomer under 8V potential. Characterization of polymers was performed using UV/Vis, FTIR and 1H-NMR spectroscopic methods and TGA and DSC thermal analysis methods. Mixtures of polymers were prepared at certain mass ratios and then ceramic production was carried out by sintering them in a tube furnace under argon atmosphere for 24 hours. The morphological structures of the obtained powder materials were illuminated by optical microscope and SEM, the crystal structures of ceramic materials were also made using X-Ray spectroscopy.