Kuvvete duyarlı nanotüp/polimer bazlı elektroeğrilmiş esnek nanoliflerin sentezi ve elektromekanik performansının incelenmesi
Synthesis of force sensitive carbon nanotube/polymer based electrospun flexible nanofibers and investigation of electromechanical performance
Yazar: ŞULE PINAR CİNFER
Danışman: PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULKADİR ŞANLI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Elektroeğirme yöntemi = Electrospinning method ; Piezorezistif basınç = Piezoresistive pressure ; Sensörler = Sensors ; Yüzey aktif ajanlar = Surface active agents

Özet:
Esnek basınç/gerinim sensörleri son yıllarda geniş kullanım alanları sebebiyle birçok alanda karşımıza çıkmaktadır. Özellikle giyilebilir sensör ve E-deri olarak kullanımları ile dikkat çeken sensörler insan sağlığının izlenmesi konusunda önem kazanmıştır. Esnek basınç/gerinim sensörleri çalışma mekanizması açısından üç ana başlıkta incelenebilmektedir: piezoelektrik, kapasitif, piezorezistif. Bu mekanizmaların arasından piezorezistif sensörler üretim ve uygulama kolaylığı sebebiyle daha fazla tercih edilmektedir. Piezorezistif sensörler yapı olarak; esnek bir baz yapı ve iletken katkı maddelerinden oluşmaktadır. Sensör üzerine yüklenen basınç veya gerilme ile iletken yapının kendi arasındaki bağlantı noktaları ve dağılımı değişerek direnç değişimine sebep olur. Çalışma mekanizması, basınca veya gerilime bağlı olarak görülen bu direnç değişiminin sinyallere çevrilmesi ile tamamlanmaktadır.
Taban malzeme olarak elastomer malzemeler, iletken katkı malzemeler olarak ise karbon nanotüp (KNT), grafen gibi karbon bazlı metal nano iletkenler yoğun olarak kullanılmaktadır. Sensör üretimi için en yaygın kullanılan yöntem; polimer çözeltisinin film haline getirildikten sonra karbon bazlı iletken çözelti içerisinde kaplanmasıdır. Karbon bazlı iletkenlerin çözelti içerisinde dağıtılması problem olmaktadır. Bu problemin çözmek için yüzey aktif ajanlar kullanılmaktadır. Homojen bir karbon bazlı çözelti üretmek için çoğunlukla anyonik yüzey aktif ajan olan sodyum dodesil sülfat (SDS) kullanılmakta olup çalışmalarda KNT/SDS oranı değişiklik göstermektedir. Sunulan tez çalışmasında KNT/SDS oranının homojen bir sensör için optimize edilmesi ve KNT/SDS oranının sabit tutularak konsantrasyonun sensör performansına etkisinin gözlemlenmesi amaçlanmıştır. Termoplastik poliüretan (TPU) çözeltisi elektroeğirme ile film haline getirilmiş ve belirlenmiş KNT/Yüzey Aktif Ajan (YAA) çözeltileri içerisine daldırılarak kaplanmıştır. Aynı deney prosesleri anyonik ve katyonik yüzey ajanları arasındaki farkı belirlemek amacıyla katyonik bir yüzey aktif ajan olan setrimonyum bromür (CTAB) ile de gerçekleştirilmiştir.
Karakterizasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar incelendiğinde pürüzsüz fiber üretiminin gerçekleştiği ve KNT'lerin başarılı bir şekilde fiberlerin üzerine kaplandığı belirlenmiştir. Filmlerin tümünde KNT konsantrasyonun artışına bağlı olarak direncin düştüğü görülmüştür. Çekmeye bağlı olarak direnç değişimleri incelendiğinde performansı en yüksek sensörün 5,84 GF ile TPU/50KNT/500SDS kodlu film olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Flexible pressure/strain sensors have emerged in many areas in recent years due to their wide usage areas. The sensors, which attract attention with their use as wearable sensors and E-skin, have gained importance in monitoring human health. Flexible pressure/strain sensors can be examined under three main headings in terms of their working mechanism; piezoelectric, capacitive, piezoresistive. Among these mechanisms, piezoresistive sensors are more preferred due to their ease of production and application. Piezoresistive sensors consist of a flexible base structure and conductive additives. With the pressure or tension loaded on the sensor, the connection points and distribution of the conductive structure change, causing a change in resistance. The working mechanism is completed by converting this resistance change due to pressure or voltage into signals.
Elastomer materials are used as the base material, and carbon-based metal nanoconductors such as carbon nanotube (CNT) and graphene are used extensively as conductive additive materials. The most common method for sensor fabrication is coating the polymer solution in a carbon-based conductive solution after filming. The dispersion of carbon-based conductors in solution is a problem. Surface active agents are used to overcome this problem. Sodium dodecylsulfate (SDS), an anionic surfactant, is mostly used to produce a homogeneous carbon-based solution, and the CNT/SDS ratio varies in studies. In the presented thesis, it is aimed to optimize the CNT/SDS ratio for a homogeneous sensor and to keep the CNT/SDS ratio constant and to observe the effect of concentration on sensor performance. Thermoplastic polyurethane (TPU) solution was formed into films by electrospinning and coated by immersion in optimized CNT/surfactant solutions. The same test processes were also carried out with cetrimonium bromide (CTAB), a cationic surfactant, to determine the difference between anionic and cationic surface agents.
When the results obtained from the characterization studies were examined, it was determined that smooth fiber production took place and CNTs were successfully coated on the fibers. In all of the films, it was observed that the resistance decreased depending on the increase in CNT concentration. When the resistance changes due to strain were examined, it was determined that the sensor with the highest performance was the TPU/50KNT/500SDS coded film with 5.84 GF.