Selülozik atıklardan hareketle iletken kompozit eldesi karakterizasyonu ve bazı uygulamaları

Abstract

Bilim ve teknolojinin hızlı bir şekilde ilerlemesi ve sürekli artan çeşitli tüketim ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla son yıllarda yeni ve pratik pek çok ürünün geliştirilmesini sağlamıştır. İletken polimer endüstrisinin tekstil bilimi ile iş birliğine girmesi ile savunma, sağlık, iletişim, otomasyon amacıyla kullanılabilecek tekstil ürünleri, endüstri, askeri, uzay, tıp gibi birçok alanda rol almaya başlamıştır. İletken polimerlerin kullanım alanları, elektrolüminesans, mikroelektronikler, tekstil, yarı iletken çipler, entegre devreler, piller, sensörler, antistatik kaplamalar ve ambalajlar olarak sıralanabilir. Bunlara ek olarak, transistörler, televizyon ekranları ve güneş panelleri, ısı jeneratörleri ve elektromanyetik kalkanlama, elektroaktiviteyi kullanan elektriksel indikatörler, LED, biosensör tipi materyallerin yapılarında iletken polimerler kullanılmaktadır. Günümüzde, kullanılan iletken polimerleri PPy, PCz, PANI, PTh olarak sıralayabiliriz. Tüm bunların yanısıra iletken polimerlerin düşük mekanik özellikleri, çözünemez olmaları kullanım amaçlarını kısıtlamaktadır. İletken tekstil, iletken polimerlerin kaplanması ile elektriği iletme özelliğine sahip bir kumaş anlamına gelmektedir. Bu, tekstilin yapısal ve mekanik özelliklerinin ve iletken polimerlerin elektriksel özelliklerin kombinasyonunu sağlar. İletken filmin inceliği, polimerin sentezlenme süresi ve oksidant konsatntrasyonuna bağlı olarak değişir ve mikron ile ifade edilir. Elde edilen (tekstil/iletken polimer) kompoziti birçok kullanım alanı sunmaktadır. Tekstilin mekanik ve elastik özellikleri, elektriksel özelliğin avantajları ve biyouyumluluk özellikleri birleştirildiğinde bu kompozitler elektromanyetik kalkanlama, geniş bant dalga absorpsiyonu, statik yük dağıtma, biyomedikal ve doku mühendisliğinde kullanılabilmektedir. Doğal lifler ve iletken polimerlerden doğal lif/iletken polimer kompozit eldesine dair öncülük edebilecek detaylı çalışma olmaması tezin çıkış amacı olmuştur. Doğal liflerin kimyasal yöntemle çözeltide oluşturulan iletken polimerlerle kaplanması ile elde edilecek kompozitlere, doğal lifler ile esneklik, iletken polimerler ile de iletkenlik özelliği kazandırılması kurgulanmıştır. Ekonomik, esnek, hafif, aşındırıcı olmayan ve iletken özellikte olması amaçlanan iletken/doğal kompozitlerin literatüre kazandırılması hedeflenmiştir. Kapasitörler, basit bir anlatımla elektronların kutuplaşarak elektriksel yükü bir elektrik alan içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşturulan pasif bir elektronik devre elemanıdır. Elektrokimyasal kapasitörler veya başka bir deyişle süperkapasitörler, temelde kapasitör gibi davranan ancak yüksek enerji ve güç yoğunluğu bakımından kapasitörlerden ayrılan enerji depolama sistemleridir. Elektrokimyasal kapasitör ya da süperkapasitör olarak bilinen bu yeni tip enerji depolama sistemleri birçok araştırmaya konu olmuştur. Süperkapasitöreler, pil ve kapasitörlerin kullanılamadığı yüksek enerji ve güç yoğunluğu gerektiren uygulamalar için bir alternatif olarak önem kazanmakta ve yük tutma kabiliyetlerini arttırmak için birçok araştırma yapılmaktadır. Bu araştırmalar da özellikle elektrot malzemesi üzerine yoğunlaşmaktadır. Pillere oranla enerjiyi daha hızlı bir şekilde alıp dağıtabilmektedir. Ancak süperkapasitörlerin enerji depolama kapasitesi pillere oranla çok düşüktür. Şarj edilip boşaltılma döngüsünü sonsuz sayıda gerçekleştirebilir. Fakat piller şarj edilebilme özelliklerini belirli döngü sayısına ulaştıktan sonra kaybetmektedirler. Ek olarak süper kapasitörlerin giyilebilir şarj depolama devreleri için en ideal adaylar olduğu düşünülmekte ve bu yönde çalışmalar yapılmaktadır. Tez kapsamında Türkiye'de yetiştirilen ürünlerden elde edilen doğal lifler (pamuk, luffa, enginar, muz) ve teknoloji alanında ilerleme gösteren iletken polimer teknolojisinden faydalanarak doğal lif/doğal lif esaslı yüzey-iletken polimer kompoziti elde edilecektir. Tezde kullanılacak doğal lifler (enginar, pamuk, muz ve luffa), yerli tarımsal gövde atıklarından elde edilmiştir. Kullanılan doğal liflerin tamamı, çevreye dost, düşük yoğunluklu, aşındırıcı olmayan ve ekonomik açıdan kolay elde edilebilir liflerdir. Tez kapsamında kullanılacak iletken polimerlerden PCz literatürde iyi kapasitif özelliği ile, PPy iletkenliği, kimyasal stabilitesi ve kolay sentezlenebilirliği ile, PANI suda çözünebilmesi ve iletken tekstillerde en çok tercih edilen polimer olması ile, PEDOT iyi iletkenlik özelliklerine sahip olması ile raporlanmıştır. Enginar, pamuk, muz ve luffa bitki atıklarının PCz, PANI, PPy, PEDOT iletken polimerleri ile kimyasal polimerizasyon yöntemi ile doğal lif/iletken kompozitleri elde edilmiş ve elde edilen kompozitlerin kritik olan elektriksel iletkenlik, kapasitif, mekanik, termal ve fiziksel özellikleri, FTIR, TGA, 4-nokta iletkenlik, SEM, çekme-kopma analizleri ile karakterize edilmiştir. Optimum koşulları sağlayan doğal lif ve iletken polimer çifti kompoziti EL/PEDOT iletken polimeri ile elde edilmiştir. 12.8 S/cm ile en yüksek iletkenlik oksidan olarak FeCl3 kullanılarak EL/PEDOT(K) kompoziti ile elde edilmiştir. Devam eden çalışmalarda EL/PEDOT(K) elektrot olarak kullanılmış ve EDOT ile elektrokimyasal polimerizasyon gerçekleştirilmiştir. Elde edilen elektroktif EL/PEDOT(K)/PEDOT(E) kompozitinin elektrokimyasal karakterizasyonu CV ve EIS yöntemleri ile analiz edilmiştir. Detaylı karakterizasyon, bu kompozitin kapasitör olarak kullanılması için kimyasal polimerizasyonda 0,03 M EDOT ve 0,9 M FeCl3 kullanılması gerektiğini ve ardından 0,03 M EDOT'ta 10 döngü uygulanarak elektropolimerizasyona devam edilmesi gerektiğini göstermiştir. Tüm sonuçlar, EL atığının, şarj depolama, biyosensör, elektronik cihazlar gibi çeşitli elektronik uygulamalar için potansiyel olarak uygun malzeme olan sürdürülebilir EL/PEDOT(K)/PEDOT(E) iletken kompozitlere dönüştürülebileceğini göstermiştir. Aynı zamanda elde edilen sürdürülebilir doğal lif/iletken polimer kompozitlerinin esnek ve iletken yapıları dolayısıyla giyilebilir şarj depolama devreleri açısından değerlendirilmek üzere kapasitif özellikleri incelenmiştir. Bu doğrultuda bu çalışmada kullanılan EL ve muz liflerinden ML elde edilen esnek ve iletken kompozitleri kapasitör uygulamasında kullanılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. EL ve ML üzerine EDOT'in polimerizasyonu ile elde edilmiş EL/PEDOT ve ML/PEDOT kompozitlerinin süperkapasitör davranışı incelenmiştir. Karakterizasyonlar CV, GCD ve EIS yöntemleri ile ölçülmüştür. EL/PEDOT ile elde edilen sonuçlar raporlanmıştır. EL/PEDOT 5 mV s-1'de 369 mF cm-2 olarak ölçülen yüksek kapasitans özelliği göstermiştir. Buna ek olarak iki EL/PEDOT iletken kompoziti anot ve katot olarak kullanılmış ve jel elektrolitle bir süperkapasitör elde edilmiştir. Cihazın kapasitif özelliği 50 µA'de 43 mF cm-2, enerji yoğunluğu 60 mWh m-2 ve 736 mW m-2, güç yoğunluğu hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, enginar atığından elde edilen, çok çeşitli fiber şekilli enerji depolama cihazlarına, ideal bir çevre dostu alternatif elektrot sunmaktadır.