Fullerenol/üretan Yağı Kompozitin Üretimi Ve Özellikleri

Abstract

Fullerenler, karbon atomlarından oluşan altıgen ve beşgen yüzleri içeren kapalı kafes yapısındaki moleküllerdir. Genel formülü, n altıgenlerin sayısı olmak üzere, C2n+20 ile ifade edilir. 1985 yılında keşfedilen bu yapılar modern bilimdeki en ilginç moleküllerden biri olarak tanımlanabilir. Fulleren sadece estetik görünümlü karbon allotropu olmak dışında sıra dışı özelliklere sahip bir moleküldür. Ancak bu özellikler fullerenin az çözünebilir ve işlenebilir olması dolayısıyla kısıtlanmaktadır. Araştırmaların başında polimerik matrisin içine gömülerek ortaya çıkarılan karışımlar ve bileşikler hem polimer özellikleri açısından (iyi çözünebilirlik ve işlenebilirlik) hem de fulleren özellikleri açısından (optik, manyetik ve iletkenlik) incelenmiştir. Ancak fullerenlerin ve polimerlerin birbirleriyle uyumsuz olması ve birbirlerine yapışmaması polimerik Matris içinde büyük fulleren parçacıklarının birikmesine sebebiyet vermiş ve bu durum oluşan malzemenin kullanım performansının düşük olma riskini ortaya çıkarmıştır. Bu problemlerin çoğu fullerenlerin modifiye edilmesiyle çözülmektedir. Modifiye edilmiş fullerenmolekülleri saf fullerenlerin çoğu özelliğini barındırmaya devam etmekle birlikte yaygın olan organik maddelerde çözülmesini kolaylaştırarak ileri çalışmalara daha uygun hale getirmiştir. Fullerenve polimerin uygun, fonksiyonel gruplarla modifiye edilmesi fulleren ve polimerler arasında güçlü bir etkileşim meydana getirmekte ve fullerenin polimer matrisi içinde iyice yayılmasını ve güçlü bir şekilde yapışmasını sağlamaktadır. Fullerenol olarak adlandırılan yapı hidroksillenme yöntemiyle oluşmuş olup, kolay reaksiyona girme özelliğinin yanı sıra yüksek çözünürlülüğe ve kararlılığa sahiptir. Bu özelliklerinden dolayı modifiye edilmiş fullereni polimer zincirlerine aşılamak malzemenin kullanabilirliğini arttırmak açısından önemli bir yer tutmaktadır. Çünkü fullerenol ve polimer birleştiğinde çözünürlüğünün ve işlenebilirliğinin artması yanı sıra kullanışlı malzemeler oluşumuna da sebebiyet vermektedir. Polimer malzeme üretimi yaygın olarak petrol bazlı kaynaklardan yapılmaktadır.Ancak petrol kaynaklarının kısıtlı olması, petrol fiyatlarının gün geçtikçe artmasıve petrolün yanması sonucu oluşan karbon monoksit gazlarının çevreye vermiş olduğu zararlardan dolayı, bilim insanları yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmeye başlamıştır. Bitkisel yağlar bu yenilenebilir kaynakların en önemli olanlarından biridir. Bitkisel yağların ana bileşeni trigliseritler olup bu yapılar gliserinin ve üç yağ asidinin esterleşmesi ile oluşmaktadır. Üretan yağlar kısmi gliseridler ile diizosiyanat arasında gerçekleşen reaksiyonlar sonucu oluşur. Diizosiyanatlar alifatik veya aromatik yapıda olabilirler. Kullanılan monomerler doğrudan ürün özelliklerine etki etmektedir. Bu tezde fullerenol ve ayçiçek yağının gliseroliz reaksiyonu ile oluşturulan kısmi gliserid karışımından kompozit malzeme oluşturulmuş ve bu malzeme yüzey kaplama özellikleri yönünden incelenmiştir. Sözü edilen malzemenin üretiminde ilk aşamada fullerenin kısmi gliserid ile kovalent bağ oluşturmasını sağlayacak bir yüzey modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu yüzey modifikasyonunda benzen içinde çözünmüş fulleren molekülü NaOH ile tepkimeye sokulmuştur. Tepkime hava ortamında gerçekleştirilmiş ve tetrabutilamonyum hidroksit katalist olarak kullanılmıştır. Elde edilen fullerenol molekülünün yapısı FT-IR ile incelenmiştir. Tepkimede oluşan OH moleküllerinin sayısını hesaplayabilmek için ise TGA analizi yapılmıştır. Daha sonra ayçiçek yağının gliserol ile alkoliz reaksiyonu sonucunda kısmi gliserid elde edilmiştir. Daha sonraki aşamada ise fullerenol molekülü ve kısmi gliserid kovalent bağla bağlanmış ve yüzey kaplama malzemesi elde edilmiştir. Hazırlanan fullerenol-üretan yağı kompozit malzemenin kimyasal yapıları FT-IR ile incelenmiştir. Buna ek olarak, numunelerin termal özellikleri TGA ve DSC analizleriyle izlenmiştir. Elde edilen kompozit malzemenin ısıl kararlılığının klasik üretan yapıdan daha az olduğu gözlenmiştir. Ayrıca elde edilen kaplama malzemesinin film özellikleri ASTM standartlarına uygun şekilde kuruma zamanı, esneklik, su, asit ve baza dayanıklılık testleri ile incelenmiştir.

Fullerenes are members of organic molecules which are formed by carbon allotropes. Theyproved not only to be new carbon allotrope with esthetic appearance but also a molecule of many talents possessing a wide range of different properties. They are widely used in industrial application due to its physical, chemical and electrochemical properties in recent years. However, the wide application of fullerenes is impeded by their almost complete incompatibility with water and aqueous solution. In early stage of its research, it was embedded into polymeric matrix. Resulting products have been studied for combined properties of fullerene and polymer. However, incompatibility between fullerene and the polymer matrix leads to formation of large fullerene aggregates. These problems are sorted out by modification of the fullerene which retain many of characteristic properties of pristine fullerene but are easier to dissolve in common organic solvents. Several functional groups have been attached exohedrally onto fullerene surface via, hydrogenation, halogenation, radical addition, and hydroxylation and go on. Hydroxyl derivatives have been studied most extensively. These types of fullerene were named as fullerenol. They have attracted great deal of interest because of its easy synthesis, high solubility and stability. The produce of polymers from renewable resources is recentlyhave much attentionand scientist has focused on theuse of cheap, biodegradable, and renewable startingmaterials in order to reduce petroleum dependence and the detrimental affects on the environment. Vegetable oils and fatty acids areone of the cheapest and most abundant biological sourcesavailable in large quantities, and their use as starting materialshas many advantages, including low toxicity and inherentbiodegradability. In recent years, extensive work has been doneto develop polymers from triglycerides or fatty acids as the maincomponent. The ultimate aim of this thesis is to synthesis of fullerenol urethane oil composite and to determine its film properties. For this purpose, first fullerene molecules were converted to fullerenol molecules by the reaction of fullerene with aqueous NaOH in the presence of tetrabutylammonium hydroxide, the most effective catalyst. The structure of prepared fullerenol was investigated by using FT-IR. “OH” groups which attached on the fullerene surface was determined by TGA analysis. Then, partial glyceride was prepared by sun flower oil and glycerol by glycerolysis reaction. After that fullerenol molecules were covalently bounded to partial glyceride. Thermal and structural properties of final products have been systematically investigated using techniques including FT-IR, DSC and TGA. Also, film properties such as flexibility, water resistance, acid resistance, alkali resistance and drying time were determined according to ASTM.