Nanoentegre Yapısal Kompozitler

Nanoentegre Yapısal Kompozitler
Havacılık ve uzay odaklı sistemlerin yük taşıyıcı yapılarında başta hafiflik ve sağlamlık nitelikleri beraber arandığından, yüksek performans elyaf takviyeli polimer matris kompozit malzemelerin kullanımı öne çıkmaktadır. Bu farkındalık çerçevesinde Sabancı Üniversitesi, İleri Kompozit ve Polimer Süreç Laboratuvarı (Advanced Composites and Polimer Processing Laboratory-AC2PL)* bünyesinde sürekli elyaf takviyeli (karbon, cam elyaf vb. esaslı takviyeler) kompozitlerin yanısıra silika/epoksi, karbon nanotube/ epoksi ve nanofiber / epoksi polimer nanokompozit malzemelerin üretimi, araştırması ve karakterizasyonu yapmaktayız. Genel tabiriyle polimerik kompozitler yüksek mukavemet, boyut ve termal kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanıklılık ve düşük yoğunluk gibi özellikleri ile pek çok avantaj sunarlar. Mevcut avantajları ile dahi kullanımı pek çok sanayi ve teknolojik alanda gün geçtikçe yaygınlaşan kompozitlerin performans ve rekabetinin ileriye götürülmesi mümkündür. Bu doğrultuda takviye/ dolgu-polimer matris arayüz, ve katmanlı yapılarda ek olarak yükleme ve kullanım koşullarına bağlı katmanlar arası ayrışma dirençlerinin iyileştirilmesi önem ve öncelik arzeden çalışma konuları arasındadır. AC2PL araştırmacıları olarak bu iki konunun içiçe uygulama esaslı inceleme ve çalışmalarını nanoentegre yapısal kompozitler başlığı altında yürütmekteyiz. Nanoentegre yapısal kompozitler, nano ölçekte takviye ve dolguların konvansiyonel yapısal polimer kompozitlere entegre edilmesi olarak tanımlanabilir.
Takviye/dolgu-polimer matris arayüz kuvvetlendirilmesindeki dikkat edilmesi gereken hususların başında, özellikle nano-ölçekli malzeme entegrasyonu sözkonu olduğunda, takviye/dolgu kimyası ile onu saran polimer matrisin kimyası arasındaki uyumdur. Hem kompozit malzemenin bütünlüğünü sağlayan polimer matris ile uyumlu hem de nanoboyutta daha üstün mekaniksel özellik gösteren katman arayüz kuvvetlendirme nanomalzemeleri ile kompozit performansı artırılabilir. Bu noktadan hareket ederek, yüzeyinde epoksi halkaları içeren Polistirenko-glisidilmetakrilat (PSt-ko-GMA) (Şekil 1) bazlı elektrodokuma yöntemiyle üretilen nanolifler ilk aşamada saf epoksi sistemlerinde test edilmiş [1-3], daha sonrasında ise son uygulama safhası olan karbon elyaf/epoksi temelli yapısal kompozitlere entegre edilmiştir [4].


Şekil 1. Kopolimer P(St-ko-GMA) kimyasal yapısı.

Nanoliflerin üretimi için tercih edilen elektro-imalat (electrospinning), basit, ucuz ve hızlı bir üretim tekniğidir ve uygun çözücü ile hazırlanan polimer çözeltisinin yüksek DC voltaj (1-30 kV) verilerek oluşturulan elektriksel alanda nanolif elde edilmesi esasına dayanır. Nanoliflerin yapısal kompozitlerde 3 boyutlu kuvvetlendirme elemanları olarak kullanıldığı çalışmalar literatürde özellikle geçtiğimiz son 5 yılda özellikle artış göstermektedir. Buna paralel Sabancı Üniversitesinde AC2PL bünyesindeki nanoentegre yapısal kompozit çalışmalarımız üç bölüme ayrılmıştır. Araştırmanın ilk bölümünde laboratuvarda sentezlenen epoksi halkaları içeren (PSt-ko-GMA) (Şekil 2-A)ve çapraz bağlı P(Stko- GMA)/EDA (Şekil 2-B) destekli nanokompozit sistemlerin eğilme yükleri altında mekanik performansı incelenmiştir. Ağırlıkça %2 (PSt-ko-GMA) nanolif ve çapraz bağlı P(St-ko-GMA)/EDA destekli epoksi nanokompozit sistemler kullanıldığında, mekanik performansın ciddi düşüş gösterdiği camsı geçiş sıcaklığı aşıldığında, saf epoksiye göre sırasıyla 2.5 ve 10 kat daha kuvvetli nanokompozit performansı gösterilmiştir [1-2]. Bu sonuç (PSt-ko-GMA) nanolifleri epoksi bazlı yapısal kompozitlerin ara yüz kuvvetlendirmesi için referans olarak ortaya koymuştur.

Şekil 2. A


Şekil 2. B

Şekil 2. A) Elektrospinning yöntemiyle üretilmiş P(St-co-GMA) ve B) çapraz bağlanmış P(St-co-GMA)/ EDA nanoliflerin taramalı elektron mikroskopu görüntüleri

Çalışmaların ikinci aşamasında ise bilinen en mukavim tek moleküllü yapılar olan karbon nanotüpler [5], nanoliflerin kuvvetlendirilmesinde kullanılmıştır. Karbon nanotüplerin (CNTs) üstün mekanik ve elektriksel özellikleri olmasına karşın, polimer matris içinde homojen dağıtılmasındaki sıkıntılar, bu malzemelerin kompozit malzemelerin üretimindeki kullanımını kısıtlar. Bu çalışmada, CNT’lerin homojen dağılımı için "termodinamik” yasaları izleyen yaklaşım izlenmiştir. CNT’lerin grafitik duvarları ile stiren monomerinde de bulunan benzen halkalarının π-π atom yığımı (π-π stacking) ile etkileşime girdiği bilinmektedir. Bu yapılardaki π yığılması
CNT’lerin özellikle aromatik çözücü ve bazı polimerlerde dağıtılmasını kolaylaştırmaktadır. Şekil 3 teki geçirimli elektron mikroskopu imajlarından da görüldüğü gibi, elektrodokuma yöntemiyle polimer matris P(St-ko-GMA) olacak şekilde karbon nanotüp içerecek kompozit nanoliflerin de üretimi gerçekleştirilmiştir. Ağırlıkça %1 çoklu duvarlı karbon nanotüp içeren (MWCNTs) MWCNTs/P(St-ko-GMA) rasgele dağılmış kompozit nanoliflerin epoksi reçine kuvvetlendirilmesinde kullanılması göstermektedir ki yine ağırlıkça %2 kompozit nanolifin kullanılması, camsı geçiş sıcaklığı aşıldığında saf epoksiye göre 18 katlık bir artış göstermektedir [3].



Şekil 3. %1 MWCNT içeren /P(St-ko-GMA) nanoliflerin TEM görüntüsü

Nanoentegre yapısal kompozitler yaklaşımımız doğrultusunda, makro düzeyde uygulama alanı epoksi ile uyumlu olan bu kompozit liflerin epoksi bazlı karbon fiber "prepreg” esaslı kompositlerde katmanlar arayüzlerinde kullanılmasıdır (Şekil 4-A). Bu hususta (PSt-ko-GMA) ve ağırlıkça %1 MWCNTs/P (St-ko-GMA) nanolifler karbon fiber/epoksi prepreg yüzeylerine nanoölçek takviye ara katmanları olarak uygulanmış ve çok katmanlı bu kompozit yapılar (Şekil 4-B) çeşitli mekanik testlere tabi tutulmuştur. Mekanik mukavemet sonuçlarının yanında yürütülen kırılma yüzey ve yan kesit araştırmaları göstermiştir ki, nanolif takviyesi yapısal kompozitlerin kırılma şekillerini değiştirebilmekte ve kırılmayı geciktirmektedir (Şekil 5). (PSt-ko-GMA) ve %1 MWCNT/ (PSt-ko-GMA) ara katmanları kompozit bütünününde ağırlıkça %1’den daha az olmalarına rağmen, yapısal kompozitlerin katmanlar arası ayrışma (delaminasyon) direncini sırasıyla %55 ve %70 arttırmıştır [4]. Buna ek olarak, liflerin matris uyumu aynı zamanda matris çatlamasına olan direnci de sırasıyla %15 ve %25 arttırmıştır.


Şekil 4-A



Şekil 4-B

Şekil 4. A) Elektrospinning yöntemiyle prepreg yüzeylerinin üzerinde arayüzün ve B) Farklı lamina oryantasyonlarıyla çok katmanlı kompozitin yapının oluşturulması



Şekil 5. Çatlak kayma (Mod II) testi kırılma yüzeyleri A) Saf laminat yüzeyi B) MWCNT/(PSt-ko-GMA) nanolif destekli laminat yüzeyi C) MWCNT/(PSt-ko-GMA) nanolif destekli yüzeye yakından bakış D) Tek karbon fiber çevresinde oluşan deformasyon izleri E) Tipik MWNCT/(PSt-co-GMA) nanolif destekli epoksi morfolojisi.
Epoksi ile uyumlu kompozit nanoliflerin kuvvetlendirme amacıyla kullanıldığı çalışmalarımız göstermektedir ki özellikle makro düzeyde yapısal kompozitin ağırlığını arttırmayacak fakat mekanik performansını olumlu yönde değiştirebilecek arayüz tasarımı ve nanomalzeme entegrasyonu mümkündür. Nanokompozit düzeyinde yakalanan performans artışının makro düzey kompozit performansına aktarılması amacıyla gösterimlerimiz, yapısal kompozit malzemelerin arayüz tasarımında yeni bir araştırma alanı açmıştır. İleriye yönelik çalışmalarımız bakımından özellikle karbon nanotüpün entegre edildiği sistemlerde, nanolif üretimini en iyilemek ve nanotüp oranlarını artırabilmenin katkısını öngörmekteyiz. Arayüzde polimer matris ile uyumlu makro yerine nano ölçeklerde polimer liflerinin kullanımı aynı yüzey alanına dolayısıyla ürün performansına daha az miktarlarda lif kullanılarak ulaşılabilmeyi bu da son ürünün esneklik ve hafiflik gibi özelliklerinden ödün vermeden üretilebilmesini sağlayacaktır.
* Sabancı Üniversitesi bünyesindeki AC2PL’de, nano boyuttan makro boyuta kadar kompozit ve polimer işleme konularında deneysel ve kuramsal araştırmalar, deneyimli 10 ögretim üyesi-arastırmacı ve çok sayıda yüksek lisans-doktora ögrencileri tarafından yürütülmektedir. Bu kapsamda, altyapının Sabancı Üniversitesi’nde atomikten makro boyuta kadar karakterizasyon ve proses ekipmanlarindan oluştuğu laboratuvarlarda, yüksek teknoloji akıllı malzemelerin, kendi kendini tamir eden malzemelerin, yapısal kompozitlerin deneysel ve bilgisayar ortamında farklı skalalarda modellenmesi ve araştırılması, Endüstri, Kamu ve üniversite desteği ile yürütülmektedir.

Araş. Gör. Elif Özden Yenigün, Arş. Gör. Kaan Bilge, Doç. Dr. Melih Papila, Prof. Dr. Yusuf Ziya Menceloğlu
Sabancı Üniversitesi Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi
Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, İleri Kompozit ve Polimer Süreç Laboratuvarı (AC2PL)

Referanslar

1. Özden E.; Menceloğlu Y.Z.; Papila M. Proceeding in Mechanical Behavior at Small Scales — Experiments and Modeling, edited by Lou J.; Lilleodden E.; Boyce B.; Lu L.; Derlet P.M.; Weygand D.; Li J.; Uchic M.D.; Le Bourhis E.; (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2010, 1224, Warrendale, PA,), 1224-FF10-23.
2. Özden E.; Menceloğlu Y.Z.; Papila M. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2010, 2 (7), 1788–1793.
3. Özden-Yenigun E.; Menceloğlu Y.Z.; Papila M. , ACS Appl. Mater. Interfaces, 2012, 4 (2), pp 777–784.
4. Bilge K.; Özden-Yenigun E.; Simsek E. , Menceloglu Y.Z., Papila M. ,”, Composites Science and Technology, 2012, 72 (14), 1639 – 1645.
5. Iijima, S. Nature 1991, 354, 56.