Stabilizasyon İşleminin Karbon Nanoelyafın Fiziksel Ve Kimyasal Özelliklerine Etkileri

Abstract

Hızla gelişen kompozit malzemelerin ve teknik tekstillerin ana malzemesi olan karbon elyafı, üstün yorulma ve korozyon dayanımının yanı sıra yüksek mekanik özellikler ve modülüs, üstün sertlik, mükemmel elektrik ve termal iletkenlik özelliklerine sahiptir. Yüksek karbon içeriğine sahip olan PoliAkrilonitril (PAN), karbon elyafı üretiminde kullanılan en popüler polimerdir. Electrospinning nanoelyaf üretimi için kullanılan basit ve düşük maliyetli bir yöntemdir. Stabilizasyon ve karbonizasyon olarak adlandırılan ısıl işlemler PAN nanolifinden karbon nanoelyaf (CNFs) üretimi için uygulanır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi (FTIR), Elektron Dağılımlı X-Ray (EDX) ve mekanik analizler CFNs’nin özelliklerini saptamak için kullanılan karakterizasyon metotlarıdır. Halkalaşma, dehidrejenizasyon, çapraz bağlanma ve oksidasyon reaksiyonlarının gerçekleştiği stabilizasyon işleminde CNFs’nin son özellikleri saptanmaktadır. Oksijen bu reaksiyonların gerçekleşmesi için öncemli bir başlatıcı olduğundan, bu işlemler atmosfer şartlarında gerçekleştirilir. Stabilizasyon işleminden sonra okside edilmiş PAN nanolifleri 900 ̊C’den 1500 ̊C’ye kadar inert atmofer şartlarında argon gazı kullanılarak karbonize edilmiştir. CNFs’nin son özellikleri stabilizasyon işleminin parametrelerine bağlı olduğundan, bu işlem CNFs üretiminde en önemli aşamalardan bir tanesidir. Bu çalışmadaki amaç stabilizasyon parametrelerinin okside edilmiş PAN nanoelyafının ve CNFs’nin ortalama lif çapına, lif morfolojisine ve özelliklerine olan etkisinin incelenmesidir. Buna bağlı olarak optimum proses parametreleri belirlenmiştir.

Carbon fibers (CFs) due to their high mechanical strengths and modulus, superior stiffness, excellent electrical and thermal conductivities, strong fatigue and corrosion resistance properties, have been started to gain attention by researchers in the last decades. PolyAcrylonitrile (PAN) with high carbon yield is the most popular polymer in CFs production. Electrospinning is a straightforward and cost-effective method to produce nanofibers. Heat treatments called stabilization and carbonization are carried out in order to manufacture carbon nanofibers (CNFs) from PAN nanofibers. Characterization methods, such as scanning electron microscope (SEM), Fourier Transform Infra Red (FT-IR), Electron Dispersive X-Ray (EDX), and mechanical analyses should be performed to understand the properties of CNFs. Stabilization, consisted of four chemical reactions including cyclization, dehydrogenation, cross linking and oxidation, is the process that principally determines the final structure and mechanical properties of the carbon nanofibers. Stabilization is carried out under air atmosphere because oxygen is an important gas to initiate the mentioned reactions. After stabilization, PAN nanofibers are heated up to 900 – 1500 °C in an inert atmosphere (argon) to obtain CNFs. Stabilization is one of the most important processes in carbon nanofiber production because properties of final product are very relevant to process parameters. In this work, the aim is to determine the effect of stabilization parameters on average fiber diameter, fiber morphology and properties of stabilized PAN and CNFs. Depending on these result, optimum prosess conditions was designated.