Development of sustainable nanocomposites withcarbon-based hybrid nano-additives
Karbon tabanlı hibrit nano-katkılarla sürdürülebilirnanokompozitlerin geliştirilmesi
- Tez No: 987002
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Biyokompozit substrat, Hibrit kompozit, Karbon nanofiber, Nanokompozitler, Polimer kompozitler, Biocomposite substrates, Hybrid composite, Carbon nanofiber, Nanocomposites, Polymer composites
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İleri teknolojilerin gelişimi, çoklu işlevlere ve benzersiz özelliklere sahip malzemeler gerektirir. Nanokompozitler, istenen özelliklere sahip yeni malzemelerin oluşturulmasına yardımcı oldukları için oldukça ilgi çekicidir. Nanomalzemelerin birleştirilmesinde ve seçici olarak lokalizasyonunda önemli bir faktör, iki veya daha fazla malzemenin birleştirilmesi yoluyla malzemeyi nano ölçekte manipüle etme yeteneğidir. Bir matristeki nanopartiküllerin işlevi, diğer faktörlerin yanı sıra nanopartiküller ve matris arasındaki etkileşimler tarafından belirlenir. Özellikle polimerik matris ve nano dolgu maddelerinin dahil edilmesi, daha verimli ve özgün bileşenlerin ortaya çıkmasına yol açar ve bu da yeni özelliklere sahip yeni akıllı malzemelerin üretilmesine olanak tanır. Nanoteknolojinin ilerlemesiyle birlikte, karbon nanotüpler (CNT), grafen, kuantum noktaları, inorganik nanopartiküller ve daha fazlası dahil olmak üzere çok çeşitli çok işlevli malzemeler, nanokompozitler oluşturmak için dolgu maddesi olarak kullanılabilir. Bu malzemelerin çok yönlülüğü ve çeşitli alanlardaki potansiyel uygulamaları gösterilmiştir. Örneğin, CNT'ler ve grafen, olağanüstü mekanik özellikleri ve elektriksel iletkenlikleri nedeniyle iyi bilinmektedir. Bu karbon bazlı nanomalzemelerle, artırılmış mukavemet ve azaltılmış ağırlık sunan kompozitler oluşturmak, havacılık ve otomotiv endüstrilerindeki kullanımlarının önemli bir yönüdür. Tez beş ana bölümden oluşmaktadır ve şu şekilde yapılandırılmıştır: Birinci bölüm, biyobazlı poli(laktik asit)/polikaprolakton (PLA/PCL) polimer karışımlarında yaygın olarak kullanılan grafen nanoplakalar (GNP'ler) ve CNT'ler gibi karbon bazlı nanodolguların kullanımı üzerine bugüne kadar yürütülen çalışmalara genel bir bakış sunmaktadır. İkinci bölüm, birinci bölümün araştırma bulgularını tamamlamakta ve hem CQD'ler hem de CNT'ler ile güçlendirilmiş hibrit PLA/PCL biyopolimer karışımları üzerine deneysel çalışmaları içermektedir. Üçüncü ve dördüncü bölümler birbirini tamamlamakta ve e-tekstil uygulamalarında karbon nanomalzemelerin kullanımı üzerine yayınlanmış makalelerin kopyalarını içermektedir. Tezin ikinci bölümünde, CQD'ler ve CNT'ler ile güçlendirilmiş PLA/PCL biyopolimer karışımları üzerine deneysel bir çalışma ve bu iki nanomalzemenin kompozit özellikleri üzerindeki etkileşimi hakkında bilgi verilmektedir. PLA ve PCL'nin 60/40 oranındaki bir karışımı, sentezlenen CQD'ler ve fonksiyonelleştirilmiş CNT'lere çeşitli oranlarda çözelti olarak prob sonikasyonu ve DMF'de manyetik karıştırıcı kullanılarak hibrit PLA/PCL bazlı biyo-nanokompozitler hazırlamak için kullanıldı. Bu katkı maddelerinin oranlarının nihai ürün kompozitinin elektriksel, termal ve morfolojik özellikleri üzerindeki etkisi incelendi. %0,4-0,66 oranında CNT içeren kompozit malzemelerde, CQD'ler eklendiğinde iletkenliğin arttığı, bu da CQD'lerin nanotüplerde bir ağ yapısı oluşturduğu anlamına gelmektedir. Ayrıca, TGA ve DTG sonuçları, CQD'lerin CNT'lerin etkisini iyileştirdiğini ve kompozitin termal kararlılığında bir artış sağladığını göstermektedir. Dahası, CQD'ler PLA/PCL karışımının kristalleşme ve eriyik özelliklerini iyileştirmiştir. Morfolojik olarak, CQD'lerin eklenmesi, daha homojen ve pürüzsüz bir yapı elde etmek için PLA/PCL kompozitlerinin gözenek yapısının boyutunu küçültmüştür. Üçüncü ve dördüncü bölümler e-tekstil uygulamaları üzerine yapılan araştırmalara dayanmaktadır. Bu bağlamda, üçüncü bölümde su bazlı GNP/SDBS/PVA dispersiyon karışımının kimyasal özelliklerini tartışan ilk çalışma tanıtılmıştır. XPS analizi ve FTIR analizi ile ortaya çıkarılan C C pikinin konumundaki değişim, GNP ve SDBS yüzey aktif madde ile PVA SDBS bağlanması arasında sıkı bir kimyasal bağlantı olduğunu göstermiştir. Raman analizi ve XPS tarafından C-C pikinin konumundaki değişim, GNP ve SDBS arasında güçlü bir kimyasal etkileşim sürecinin varlığını göstermiştir. FTIR analizi de PVA ve SDBS arasında bağlanma olduğunu göstermiştir. SDBS'nin çözelti dispersiyonu ve grafenin kararlılığındaki etkinliğini belirlemek için UV-vis spektroskopisi, SDBS'nin çözeltinin dispersiyonunu ve kararlılığını artırdığını ortaya koymuştur. Üçüncü bölümde, su bazlı bir grafen çözeltisi ile ulaşılabilir bir ölçekte fonksiyonel etekstiller yapılmış ve açıklanmıştır. Pamuklu kumaşı daldırma-emdirme-kurutma işlemiyle kaplamak için, yüzey aktif madde olarak sodyum dodesil benzen sülfonat (SDBS) ve bağlayıcı olarak polivinil alkol (PVA) yardımıyla su bazlı GNP dispersiyonları elde edilmiştir. Bulgular, liflerin ve grafen dispersiyonunun iyi etkileşime girdiğini ve dolayısıyla grafen kaplı kumaşın çekme mukavemetinin, saf kumaşa kıyasla %60'a kadar arttığını ortaya koymaktadır. 7 kaplama döngüsünden sonra, kaplanmış kumaşın tabaka direncinin yaklaşık 1,9 (kΩ/sq) olduğu bulunmuştur. Ayrıca, grafen kaplı kumaşın direncindeki, artan çekme gerilimiyle değişim de incelenmiştir. Grafen kaplı kumaşın yıkanması üzerine yapılan testler, 7 yıkama döngüsünden sonra kumaşın iletkenliğinin, işlem görmemiş pamuklu kumaşın 109 katı olduğunu ortaya koymuştur. Termal kamera ile ısıtma ve soğutma yoluyla GNP, kumaşların termal davranışı üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir. Ayrıca, Raman spektrumları, GNP'lerin kumaş liflerine dahil edildiğini ve adsorbe edildiğini göstermiştir. SEM analizinde, grafen ve kumaş arasındaki yapışma kuvvetinin yüksek olduğu ortaya çıkmıştır. E-tekstil malzemesi, grafen kaplı kumaşın mekano-kimyasal kararlılığı, elektriksel ve ısıl iletkenlik özellikleri gibi daha ileri uygulamalarda kullanılabilir. Son olarak, tezin dördüncü bölümü, grafen dispersiyonunun pamuklu giysilere uygulanması ve kumaşın termal ve elektriksel özelliklerinin incelenmesiyle ilgiliydi. Kaplanmış kumaşın 7 kaplama döngüsünden sonra iletkenliğinin yaklaşık 1,9 (kΩ/sq) iletken olduğu bulunmuştur. Ayrıca, yıkama testinde grafen kaplı kumaşın iletkenliği, değiştirilmemiş pamuklu kumaşa göre 10^9 kat daha fazlaydı. Mekanik testler sırasında gözlemlenen değişiklikler, grafen kaplı pamuklu kumaşın çekme dayanımının %60'a kadar artmasıydı. Grafenin, aşamalı ısıtma ve soğutma analizlerinde pamuklu kumaş üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. SEM ve Raman analizleri de lifler ve grafen dispersiyonu arasında güçlü bir etkileşim olduğunu göstermiştir. Beşinci ve son bölümde, hem biyobazlı PLA/PCL esaslı biyo-nanokompozitler hem de grafen kaplı iletken kumaşlar birlikte değerlendirilerek, çalışmanın bütününe ilişkin sonuçlar ortaya konmuştur. CQD ve CNT içeren hibrit sistemlerin, kompozitlerin elektriksel ve termal özelliklerini iyileştirirken aynı zamanda morfolojiyi de kontrol edebildiği gösterilmiştir. Benzer şekilde, su bazlı GNP dispersiyonları ile elde edilen iletken kumaşların, mekanik dayanımı artırılmış, yıkanabilir ve termal olarak ayarlanabilir e-tekstil malzemeleri üretimi için uygun bir platform sunduğu sonucuna varılmıştır. Bu tez kapsamında elde edilen bulgular, sürdürülebilir, hafif ve çok işlevli akıllı malzemelerin ve e-tekstil uygulamalarının geliştirilmesi için hem malzeme tasarımı hem de proses ölçeklenebilirliği açısından yol gösterici niteliktedir. Aynı bölümde, gelecekteki çalışmalar için çeşitli öneriler de sunulmuştur. PLA/PCL bazlı biyo-nanokompozitlerde, CQD ve CNT oranlarının daha geniş bir aralıkta optimize edilmesi, farklı yüzey fonksiyonelleştirme stratejilerinin denenmesi ve uzun dönem kararlılık ile geri dönüşüm/yeniden işlenebilirlik davranışlarının incelenmesi önerilmektedir. E-tekstil tarafında ise, grafen kaplı kumaşların ölçeklenebilir kaplama proseslerinin geliştirilmesi, farklı kumaş türleri ve örgü yapıları üzerinde benzer çalışmaların yapılması, uzun süreli yıkama, aşınma ve gerçek kullanım koşulları altında performans takibinin gerçekleştirilmesi tavsiye edilmektedir. Ayrıca, hem biyo-nanokompozitler hem de e-tekstil malzemeleri için çevresel etkilerin, biyobozunurluk ve yaşam döngüsü analizleriyle detaylı olarak değerlendirilmesi, tezin önerdiği malzeme ve proseslerin endüstriyel ölçekte uygulanabilirliğini destekleyecek önemli bir adım olarak sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
The development of advanced technologies necessitates materials that have multiple functions and unique properties. Nanocomposites are very interesting as they help create building of novel materials with the desired properties. The important factor in assembling and selectively localization of nanomaterials is the ability to manipulate the material at the nanoscale through the combination of two or more materials. The function of nanoparticles in a matrix is determined by the interactions between nanoparticles and the matrix, among other factors. Especially, incorporation of polymeric matrix and nanofillers leads to more efficient and original components, which allows further generates new smart materials with novel properties. With the advancement of nanotechnology, a wide variety of multifunctional materials, including carbon nanotubes (CNT), graphene, quantum dots, inorganic nanoparticles, and more, can be used as fillers to make nanocomposites. The versatility and potential applications of these materials in various fields are demonstrated. For instance, CNTs and graphene have become well-known because of their exceptional mechanical properties and electrical conductivity. Creating composites with these carbon-based nanomaterials that offer enhanced strength and reduced weight is an important aspect of their use in the aerospace and automotive industries. The thesis consists of five main chapters and is structured as follows: the first chapter provides an overview of the work conducted to date on the use of widely used carbonbased nanofillers, such as graphene nanoplates (GNPs) and CNTs, in biobased poly(lactic acid)/polycaprolactone (PLA/PCL) polymer blends. The second chapter complements the research findings of the first chapter and includes experimental studies on hybrid PLA/PCL biopolymer blends reinforced with both CQDs and CNTs. The third and fourth chapters complement each other and contain copies of published articles on the use of carbon nanomaterials in e-textile applications. In the second part of the thesis, provides information on an experimental study on PLA/PCL biopolymer blends reinforced with CQDs and CNTs and the interaction of these two nanomaterials on composite properties. A mixture of 60/40 of the PLA and PCL was used to prepare hybrid PLA/PCL based bio-nanocomposites by probe sonication as well as magnetic stirrer at DMF as the solution to the synthesized CQDs and functionalized CNTs in various ratios. The impact of the ratios of these additives on electrical, thermal and morphological properties of the end product composite was studied. In composite materials at 0.4-0.66% of CNTs, conductivity is found to improve when CQDs are added, which implies that CQDs create a network structure of the nanotubes. Moreover, the results of TGA and DTG show that CQDs complement the effect of CNTs and promote a rise in thermal stability of the composite. Moreover, CQDs enhanced the crystallization and melt properties of PLA/PCL mixture. Morphologically, the incorporation of CQDs reduced the size of the pore structure of PLA/PCL composites to obtain a more uniform and smooth structure. The third and fourth sections relied on the research carried out on e-textile applications. In this regard, the third chapter introduced the first study that discussed the chemical characteristics of a mixture of water-based GNP/SDBS/PVA dispersion. The change in the position of C C peak disclosed by the XPS analysis and FTIR analysis demonstrated a firm chemical connection between GNP and SDBS surfactant and PVA SDBS binding respectively. The fact that Raman analysis and the change in position of C-C peak by XPS indicated the presence of a strong chemical interaction process between GNP and SDBS. FTIR analysis also indicated that there was binding between PVA and SDBS. To determine the effectiveness of SDBS in solution dispersion and stability of graphene, UV-vis spectroscopy revealed that SDBS increased the dispersion and stability of the solution. In the third part, functional e-textiles were made and described at an achievable scale with a water-based graphene solution. To coated the cotton fabric through a dip-paddry process, water-based GNP dispersions were obtained with the help of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDBS) as a surfactant and polyvinyl alcohol (PVA) as a binder. The findings reveal that fibers and graphene dispersion interact well and hence, tensile strength of graphene-coated fabric increases by up to 60 percent compared to that of pristine fabric. After 7 coating cycles, the sheet resistance was found to be approximately 1.9 (kΩ/sq) of coated cloth. Besides, the change in the resistance of the graphene-coated fabric with increasing tensile strain was also examined. Tests conducted on washing of the graphene-coated fabric established that after 7 cycles of washing, of the fabric, the conductivity is 109 times that of the untreated cotton fabric. Through heating and cooling through a thermal camera, GNP produces a strong impact on the thermal behavior of fabrics. Further, Raman spectra showed that GNPs were incorporated and adsorbed into the fabric fibers. It was revealed in the SEM analysis that the adhesion force between the graphene and the fabric was high. The e-textile material can be employed to further applications in the form of mechano-chemical stability, electrical and heat conductive properties of graphene-coated fabric. Finally, the fourth section of the dissertation was about the application of graphene dispersion on cotton garment and the study of the thermal and conductivity of the fabric. The conductivity of the coated fabric after 7 coating cycles was found to be approximately; 1.9 (kΩ/sq) conductive. Besides, in the washing test, the conductivity of the graphene-coated cloth was 10^9 times greater than in the unmodified cotton cloth. During mechanical tests, the observable changes were that the tensile strength of the cotton fabric coated with graphene was to increase up to 60 percent. Graphene has been observed to have a significant effect on cotton fabric in gradual heating and cooling analyses. SEM and Raman analyses also indicated the strong interaction between the fibers and the graphene dispersion.
Benzer Tezler
- Development and optimization of natural fiber–reinforced thermoplastic compounds for sustainable lightweight automotive components
Sürdürülebilir hafif otomotiv bileşenleri için doğal elyaf takviyeli termoplastik bileşiklerin geliştirilmesi ve optimizasyonu
NARGIZ ALIYEVA
Doktora
İngilizce
2025
Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURCU SANER OKAN
- Lityum iyon piller için üç boyutlu grafen/karbon nanotüp/silisyum nanokompozit anotların geliştirilmesi
Development of three-dimensional graphene/carbon nanotube/silicon nanocomposite anodes for lithium-ion batteries
SELİN DEMİRCİ
Doktora
Türkçe
2024
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
- Farklı katyon katkılı Ceo2 bileşiklerinden elektrokimyasal yöntemle hidrojen gazı eldesi
Obtaining hydrogen gas from different cation-doped Ceo2 compounds by electrochemical method
RABİA KIRKGEÇİT KARAKELLE
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
KimyaKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET TÜMER
DOÇ. DR. HANDAN ÖZLÜ TORUN
- Biyokütleden elde edilmiş karbon tabanlı elektrotların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of carbon-based electrodes derived from biomass
SÜMEYYE ÇİÇEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER
- İletken polimer esaslı süperkapasitörlere elektrolit etkisi
Electrolyte effect on conductor polymer based supercapacitors
SELİN KARADAĞ MEMİŞ