Establishing multifunctional graphene fibers for smart textiles

thumbnail.default.alt
Tarih
2020
Yazarlar
Çakar, Özer
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Özet
Gelişen teknoloji ile birlikte elektronik cihazlar hemen hemen her insanın hayatında önemli rol oynamaktadır. 1990'lı yılların sonlarına doğru ortaya çıkan akıllı tekstiller de tekstil alanındaki teknolojik gelişmelerin elektronik ile harmanlanmasının bir sonucudur. Araştırmacılar akıllı tekstil kavramını çevresel uyarıları algılayan ve bu uyarılara da gerekli tepkiyi verebilen tekstiller olarak tanımlamaktadırlar. Tekstil yapısına elektronik cihaz/devre entegrasyonu sonucunda akıllı tekstillerin özellikle savunma sanayi gibi kullanıcıdan gerçek zamanlı bilgi alınmasını gerektiren uygulamalarda kullanım alanları oldukça genişlemiştir. Tüm bu gelişmeler doğrultusunda ve hızla ilerleyen akademik çalışmalar neticesinde ortaya çıkan ileri seviye malzemeler ve bu malzemelerin kullanımları da akıllı tekstiller için önemli gelişmeler içermektedir. Bu ileri seviye malzemeler sınıflandırılacak olursa; • Polimer bazlı, • Metal bazlı, • Karbon bazlı malzemeler olmak üzere 3 kategori altında incelenebilir. Her bir kategorideki malzemeler birbirine göre farklı avantaj ve dezavantaja sahip olduğu için akıllı tekstil uygulamalarında hep yer almışlardır. Bu kategoriler arasında karbon bazlı malzemeler ise sahip oldukları üstün mekanik özellikleri, çevresel stabiliteleri, elektriksel iletkenlikleri ve işlenebilirliklerinden dolayı diğer kategorilere göre daha fazla dikkat çekmektedir. Grafenin (2004) keşfinden sonra nano boyutta sahip olduğu üstün mekanik dayanım (1 TPa), elektriksel iletkenlik (~ 104 S m-1), çevresel stabilite ve düşük maliyetli ve çevre dostu üretim yöntemleri sayesinde karbon bazlı malzemeler arasında birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Grafenin sahip olduğu bu özellikler karbon atomlarının sp2 hibritleşmesi yapması sonucu ortaya çıkan 2 boyutlu yapısından dolayı kaynaklanmaktadır. Tüm bu özellikleri makroskopik boyuttaki bir yapıda da sahip olabilmek için araştırmacılar arasında çok yoğun çaba sarf edilmektedir. Bugüne kadar 3 boyutlu olarak adlandırılabilecek film, top, tüp vb. birçok grafen yapısı elde edilmiştir. Elde edilen bu yapılar sahip oldukları boyutsal kısıtlamaları nedeniyle kısıtlı kullanım alanları bulmuşlardır. 2012 yılında grafen fiberin elde edilmesiyle 3 boyutlu grafen yapılarında yeni bir çağ başlamıştır. Özellikle grafen fiberlerin akıllı tekstil uygulamalarında yer bulması ve çarpıcı özellikler sergilemesiyle birlikte grafen fibere gösterilen ilgi günden güne artarak devam etmiştir. Bu çalışma GO fiber üretimi, üretim parametrelerinin optimizasyonu, karakterizasyonu ve redüksiyonu ile nihai ürün olarak rGO fiber üretimine dayanmaktadır. Ayrıca elektriksel iletkenliğin daha yukarı seviyelere çekilmesi için Ag NWs katkılama üzerine de çalışılmıştır. Bu kapsamda bu tez çalışması üç ana bölümde incelenebilir; • LC fazındaki GO sulu solüsyonundan GO fiber üretimi, optimizasyonu ve karakterizasyonu • Üretilen GO fiberlerin redüksiyonu, optimizasyonu ve karakterizasyonu • Ag NWs katkılama optimizasyonu ve karakterizasyonu Çalışmanın ilk bölümü öncelikle farklı konsantrasyonlara sahip garafen oksit sulu çözeltilerinden ıslak eğirme metoduyla fiber üretimini kapsamaktadır. Fiber üretimi için gerekli likit kristal faz davranışına sahip solüsyon konsantrasyonunun belirlenmesinin ardından farklı ıslak eğirme proses parametreleri ile fiber üretimi, optimizasyonu ve karakterizasyonu ile ilk bölüm çalışmaları son bulmuştur. Islak eğirme metodunda sabit bir basınç altında pıhtılaştırma banyosuna enjekte edilen GO sulu solüsyonu çözücü değiştirme mekanizması ile fiber formda katılaşır ve çökelir. GO yapısı gereği polar bir malzemedir ve polar olmayan çözücülerde dağılım göstermez. Pıhtılaştırma banyosu hazırlanırken en çok dikkat edilen hususlardan birisi de pıhtılaştırma banyosunun polar özellik göstermemesidir. Bu sebeple pıhtılaştırma banyosunda etanol ve saf su karışımına kalsiyum klorür tuzu ilave edilmiştir. Banyodan alınan fiberler kalıntı kimyasallardan arındırılmak üzere çeşitli sıvılarla yıkanmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde, ilk bölümde elde edilen veriler eşliğinde GO fiberlere redüksiyon işlemi ile GO – rGO dönüşümü uygulanmıştır. Redüksiyon işlemi için ise sulu askorbik asit ve sulu hidroiyodik asit çözeltileri ile farklı parametrelerde kimyasal ve farklı süre ve vakum altında termal redüksiyon uygulanmıştır. Uygulanan redüksiyon işlemleri sonucunda elde edilen rGO fiberlere gerekli karakterizasyon çalışmaları uygulanmış ve en optimum koşullar belirlenmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise ilk iki bölümde elde edilen bilgiler doğrultusunda farklı ağırlık oranlarında Ag NWs katkılaması gerçekleştirilen GO solüsyonundan fiber eğirme işlemi gerçekleştrilmiştir. Elde edilen fiberlerin elektriksel özellikleri incelenmiş olup mekanik ve elektriksel iletkenlik değerleri üzerindeki Ag NWs etkisi incelenmiştir. Sentezlenen malzemelerin özelliklerinin araştırılabilmesi için bazı karakterizasyon teknikleri kullanılmıştır. GO ve rGO fiberlerin çap bilgilerini tayin edebilmek için optik mikroskop kullanılmıştır. Fiberlerin morfolojik özelliklerini anlayabilmek için SEM cihazı kullanılmıştır ve GO katmanlarının fiber ekseni boyunca nasıl bir yönelim gösterdiği gibi bilgilere ulaşılmıştır. Aynı zamanda SEM analizi sırasında EDS analizi ile yapıdaki var olan elementler tayin edilmiştir. Raman ve FTIR karakterizasyonları ile de redüksiyon işleminin ardından yapıdaki kusurlu olarak adlandırılan oksitli yapıların varlığını nitel olarak elde edip redüksiyon işleminin ne kadar başarılı olduğu sonucuna varılmıştır. XRD analizi ile de redüksiyon işlemi sonrasında rGO tabakaları arasındaki mesafenin azalarak mekanik dayanım ve elektriksel iletkenlik değerlerindeki artışın sebebi net olarak anlaşılmıştır. Fiberlerin mekanik dayanım testi için ise UTM cihazı kullanılmıştır. 4-nokta iletkenlik cihazı ise elektriksel iletkenlik değerlerini elde edebilmek için kullanılmıştır. Tüm bu karakterizasyon işlemleri GO, rGO ve Ag NWs katkılı fiberlere ayrı ayrı uygulanmış ve sonucunda en etkin fiber üretim parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmada, akıllı tekstil uygulamalarında kullanımı amaçlanan makroskopik boyutta grafen üretimi fiber formda gerçekleştirilmiştir. Sıvı kristal fazındaki GO sulu solüsyonundan ıslak eğirme yöntemi ile GO lifleri elde edilir ve daha sonra kimyasal ve termal indirgeme ile rGO liflerine dönüştürülür. Üretimi yapılan fiberlerin dokuma işlemi sırasında gerekli olan esneklik için mekanik ve fonksiyonellik açısından gerekli elektriksel iletkenlik özellikleri akıllı tekstil uygulmalarında uygulanabilirliğini değerlendirmek için test edilmiştir. GO fiberlerin birim şekil değişimi (%11.63) değeri sonucunda esnekliğinin literatürdeki en iyi sonuç olduğunu kanıtlamıştır. Bu sonuç neticesinde dokunulabilirlik açısından yeterli esnekliğin sağlandığı anlaşılmıştır. Ayrıca, indirgeme işlemlerinden sonra beklendiği gibi, sp2 hibritleşmesi yapan karbon atom yapısının elektron hareketliliği neticesinde elde edilen yüksek elektriksel iletkenliği (2.24 × 105 S m-1) akıllı tekstil sistemlerinde istenen fonksiyonelleştirmenin uygulanabileceğini göstermiştir. Ek olarak, liflerin elektrik iletkenliğini daha da arttırmak için Ag NWs katkılama yapılmıştır. Tüm bu sonuçlar neticesinde makroskopik boyutlu rGO liflerinin, algılama ve reaksiyon kabiliyetine sahip giyilebilir elektronik olarak kabul edilen sistemlere uyarlanması, savunma sanayiindeki giyilebilir teknolojilerin taleplerini karşılamak için iyi bir yaklaşımdır.
The recent developments on smart textiles have gained acceleration in the 1990s due to the efforts of electronics integration. Definition of the smart textile is textile-based system reacting to environmental stimuli, and the achieved electronics integration to these systems expand the use of smart textiles in various fields, especially in defence industry where the recent demands for developing electronic wearables to get real time information from the field personnel. Besides electronics integration, the material development such as polymer-based, metal-based, and carbon-based materials also play a crucial role. The properties of these materials such as electrical conductivity, mechanical and environmental stability, processability facilitate the electronics integration to smart textiles and even replace the electronics. The carbon-based materials are considered as promising candidates in this field. Especially the discovery of graphene in 2004, which is the 2D sheet form of sp2 hybridized carbon atoms, attracted many researchers to this field because of their properties such as high mechanical strength (~1 TPa) and electrical conductivity (104 S m-1). In addition, the low cost and environment friendly production methods of graphene make it the one of the main research areas in terms of smart textile development for wearable technologies. In order to have all these features in a macroscopic scale, a great effort was put by the researchers. So far, many graphene structures such as film, ball, tube, etc. can be called 3D or macroscopic scale. These structures have limited areas of use due to their dimensional constraints. With the acquisition of graphene fiber in 2012, a new era began in macroscopic scale of graphene. Especially with the presence of graphene fibers in smart textile applications and exhibiting striking features, the interest in graphene fiber has continued to increase day by day. This thesis here was hypothesized on graphene oxide (GO) fiber production with optimization and characterization of production parameters as well as the optimization of reduction procedures for reduced graphene oxide (rGO) fibers. In addition, doping with silver nanowires (Ag NWs) was studied to increase the electrical conductivity. In this context, this thesis can be examined in three main chapters; • Production, optimization, and characterization of GO fibers from GO aqueous solution in liquid crystal phase • Reduction, optimization, and characterization of spun GO fibers • Optimization and characterization of Ag NWs doping The first part of the study primarily involves the production of GO fiber by wet spinning method from GO aqueous solutions with different concentrations. After the determination of the solution concentration, the first part was completed with fiber production, optimization, and characterization with different process parameters. The aqueous solution of GO was injected under a constant pressure into the coagulation bath and precipitates in fiber form by the solvent – exchange mechanism. GO is a polar material and does not disperse in non-polar solvents, so one of the most important points when preparing the coagulation bath is that the coagulation bath does not exhibit polarity. For this reason, calcium chloride salt was added to the mixture of ethanol and deionized water in the coagulation bath. The fibers taken from the bath were washed with various liquids to remove residual chemicals. In the second part of the study, GO - rGO conversion was applied to the GO fibers by reduction process. For the reduction process, aqueous ascorbic acid and aqueous hydroiodic acid solutions were used and thermal reduction was applied the GO fibers with different time and vacuum conditions. The characterization studies were conducted on the rGO fibers obtained by the reduction processes and the optimum conditions were determined. In the last stage of the study, the fiber spinning process was carried out from the GO solution which was doped with Ag NWs in different weight ratios according to the information obtained in the first two sections. The mechanical and electrical properties of the fibers were investigated and the effect of the Ag NWs was examined. Some characterization techniques were used to investigate the properties of the synthesized materials. Optical microscopy was used to determine the diameter of the fibers. In order to understand the morphological properties of the fibers, the scanning electron microscopy (SEM) was used. At the same time, during the SEM analysis, the elements in the structure were determined by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) analysis. After reduction, the effect of reduction by Raman spectroscopy and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) was investigated. X-Ray diffraction (XRD) analysis showed that the distance between the graphene layers decreased and the increase in mechanical strength and electrical conductivity values were clearly explained after reduction. Universal testing machine (UTM) was used for the mechanical testing of the fibers. 4-point probe was used to obtain electrical conductivity values. All these characterization processes were applied to GO, rGO and Ag NWs doped fibers separately and the most effective fiber production parameters were determined. The thesis here is hypothesized on revealing the graphene in macroscopic scale, which is fiber form into smart textile applications. The GO in LC phase were spun to get GO fibers by wet-spinning method, and subsequently converted into rGO by chemical and thermal reduction. The mechanical performance regarding the stability and flexibility for weaving into fabrics, and electrical properties such as conductivity were tested to evaluate the applicability for smart textiles. The mechanical test of GO fiber results showed that failure strain (11.63%) brings flexibility as well as weavability as desired. Besides, as it is expected after the reduction processes, the electron mobility of sp2 hybridized carbon atomic structure provided high electrical conductivity (2.24 × 105 S m-1). In addition, doping with Ag NWs has been carried out to further increase the mechanical strength of the fibers. Adapting macro-scale rGO fibers to wearable electronic systems with sensing and reaction capabilities may be an alternative to meet the demands of wearable technologies in the defense industry.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2020
Anahtar kelimeler
Akıllı malzemeler, Intelligent materials, Akıllı tekstil, Smart textile, Elektronik, Electronics, Giysiler, Clothes, Lif teknolojisi, Fiber technology, Lifler, Fibers, Savunma endüstrisi, Defence industry, Tekstil malzemeleri, Textile materials, Yeni teknolojiler, New technologies
Alıntı