Polimerik Malzemelerin Yanıcılığını Azaltmak için Karbon Nanotüp Kaplamaların Hazırlanışı ve Uygulamaları – I
Genel olarak çalışma kapsamında köpüklerin yanıcılığını azaltmak için ilk olarak, tek duvarlı karbon nanotüp, kararlı hale getirilmek için fonksiyonelleştirildi. Fonksiyonelleştirilmiş karbon nanotüpler, poliüretan köpük üzerine yerleştirildi.
Ek olarak polietilenimin katmanı, karbon nanotüp ve polimer tabakaları arasındaki etkileşimi destekleyerek üniform, dayanıklı ve kalın bir kaplama elde edilmesini sağladı. Polietileniminle fonksiyonelleştirlmiş tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT) ve polietilenimin köpüğün iç ve dış yüzeylerini tamamen kaplar.
Mikroskopik görüntüler, poliüretan köpük yüzey üzerindeki polietilenimin tabakası ve iyi dağılmış karbon nanotüp ağı nedeniyle güçlü polimer/ nanotüp etkileşimini doğrulamaktadır.
Katman katman (LBL) tabaka işlemi ile oluşturulan karbon nanotüp ağı, köpük vb. gibi polimerik malzemelerin alevlenebilirliğini önemli ölçüde azaltır (Örn.% 40 civarı).
1. Giriş
Tabaka-tabaka (LbL) birleştirme tekniği son yirmi yıldır ince film üretim tekniği olarak incelenmiştir [1-3]. LbL kaplamalar/ince filmler genellikle pozitif yüklü tabaka ve negatif yüklü tabakanın alternatif birikimi ile üretilirler (Bir çift pozitif ve negatif katmana iki katmanlı, BL denir)[4].
Özellikleri ve işlevsel amacı; üretim parametreleri (çözeltinin pH’si, çözelti konsantrasyonu ve sıcaklık) ve kaplamaları oluşturan malzemeler tarafından kontrol edilir [5-11]. Son zamanlarda LbL kaplamaların; pamuklu kumaşların, polimerik filmlerin ve poliüretan köpüklerin (PUF) yanıcılığını önemli ölçüde azalttığı gösterilmiştir [11-18].
Yanma sırasında, polimer/ nanopartikül kaplamalar koruyucu bir tortu oluştururak alev yayılımını ve yangın gelişimini engeller. Araştırmalar sadece polimer LbL kaplamaların pamuklu kumaşların yanabilirliğini azaltabileceğini göstermiştir [16-18].
Bununla birlikte, nanopartikül ilave edilen kaplamalarda PUF’un yanabilirliği büyük ölçüde azaltılabilmektedir. Daha önceki çalışmalarda karbon nanofiber (CNF) ve montmorillonit kil bazlı LbL kaplamaları PUF’un maksimum ısı salınım oran pikini (PHRR) % 40 azaltmıştır [19,20].
CNF esaslı kaplama doğal olarak polietilenimin (PEI) ve poli (akrilik asit) (PAA)’nın inter-difüzyonu nedeniyle katlanarak büyümüştür. Kil esaslı kaplama; CNF esaslı kaplamanın aksine, yavaş ve doğrusal bir büyümeye sahiptir [10], ancak bu alev geciktirme (FR) teknolojisinin ticarileştirilmesi için pratik değildir.
Bununla birlikte, büyüme oranı üç katmanlı teknik kullanıldığında belirgin bir şekilde hızlanır ve kil bazlı kaplama kalınlığı bu biriktirmeden sonra 1 μm’ye kadar çıkmıştır [20]. Geleneksel kil esaslı LbL kaplamaları kil platelet ve polielektrolit arasında elektrostatik çekim kullanır ki bu çok zayıf bir etkileşimdir.
Üç tabaka biriktirme tekniği kil tabakasından sonra, ek bir polielektrolit tabaka bırakarak elektrostatik çekim ve hidrojen bağını birleştirir. Bu durum kaplamada kilin korunmasına yardımcı olur ve iki polimer tabakası arasındaki karşılıklı difüzyonu sağlar.
1990 başlarında karbon nanotüplerin (CNT) bulunmasından bu yana, karbon nanotüplerin özellikleri (örneğin, küçük boyutlu ve yüksek en-boy oranı [21,22] yüksek modül [23] ve yüksek ısı iletkenliği [24]) polimerik malzemelerin performansını artırmak için cazip olmuştur.
Benzer kompozisyona ve çok daha büyük geometrilere sahip CNF’lerle karşılaştırıldığında, CNT’ler daha yüksek yüzey alanı ile birlikte üstün fiziksel özelliklere sahiptir. Son zamanlarda, CNT’ler LbL tekniği ile çöktürülmüş ve elde edilen filmlerin, çeşitli uygulamalar için mükemmel özellik geliştirdiği gözlenmiştir [25-27].
Bununla birlikte, bu CNT bazlı kaplama, alev geciktirici (FR) olarak pratik olamaz çünkü kaplamalar çok incedir (10 BL’den sonra bile 100 nm’den az).
Önceki CNF [19] ve kil temelli [20] LbL kaplamalar ile karşılaştırıldığında, MWCNT temelli kaplamanın, MWCNT boyutundan kaynaklanan önemli zorlukları vardır ve sulu çözeltilerde dağılımı ve dağılmış halinin muhafaza edilmesini zorlaştıran yüzey kimyasına sahiptir.
Araştırmacılar kovalent olmayan kararlaştırıcı ajanlar kullanarak (örneğin, yüzey aktif maddeler [28-30], suda çözünür polimerler [31-33] ve inorganik nanopartiküller [34,35]) ve CNT’leri kimyasal olarak modifiye ederek MWCNT dağılımını ve kararlılığını geliştirmişlerdir.
Kovalent fonksiyonelleştirme genellikle CNT çözünürlüğünü artırmak için tercih edilir, ancak üretim işlemi karmaşıktır ve kuvvetli asit muamelesi gerektirir. Liao ve arkadaşları kuvvetli asit muamelesiz doğrudan aminasyon yoluyla tek adımlık MWCNT fonksiyonelleştirme yöntemini araştırmıştır [36].
Fonksiyonelleştirilmiş MWCNT, herhangi bir dispersiyon ajanına gerek olmadan suda mükemmel dağılım ve kararlılık gösterir. Bu çalışmada, yüksek SWCNT (Tek duvarlı karbon nanotüp) konsantrasyonuna sahip SWCNT LbL kaplaması üzerinde durulmuştur.
Doğrudan aminasyon uygulanmış SWCNT’nin kararlılığı desteklediği, SWCNT’nin birikimi, LBL metodolojisinin avantajı ve mikroyapı ve yangın performansı da dahil olmak üzere kaplamaların önemi tartışılmıştır.
2. Materyal ve Metod
2.1. SWCNT Foksiyonelleştirilmesi ve LbL Metodolojisi SWCNT’ler ilk olarak DI suyun içinde dağılımı kolaylaştırmak ve kaplamadaki SWCNT’lerin kalıcılığını artırmak için PEI ile fonksiyonelleştirildi. SWCNT’lerin aminasyonu, Liao ve ark. tarafından uygulanan prosedüre göre hazırlandı [36].
Bir plastik şişe (500 mL) 50 g N, N-dimetilformamit (DMF), 5 g PEI ve 0.5 g SWCNT ile dolduruldu. Süspansiyona, 50 W’de 1 saat ultrasonikasyon işlemi uygulandı ve daha sonra 50°C‘de 2 gün boyunca karıştırıldı.
Fonksiyonelleştirilmiş SWCNT’ler (SWCNT-PEI), 0.20 μm’lik membran yardımıyla süzüldü ve fazla miktarda PEI ve DMF’nin uzaklaştırılması için etanol ve suyla dört kez yıkanarak süspansiyondan izole edildi. SWCNT-PEI’ler kullanımdan en az 3 gün önce desikatörde susuz kalsiyum sülfat ile kurutuldu.
DI su içindeki SWCNT-PEI süspansiyonu, 150 mL DI su ve 0.60 g SWCNT-PEI’nin plastik şişeye (250 mL) doldurulması ve 50 W’de 1 saat boyunca ultrasonikasyon işlemi uygulanmasıyla hazırlandı. Süspansiyon, DI su (450 mL) ile seyreltildi ve kaplama işlemi için hemen kullanıldı.
Doç. Dr. Fatih Şen / Biyokimya Bölümü – Fen Edebiyat Fakültesi – Dumlupınar Üniversitesi
Betül Şen / Yüksek Lisans Öğrencisi – Biyokimya Bölümü – Fen Edebiyat Fakültesi – Dumlupınar Üniversitesi
Zeynep Daşdelen / Yüksek Lisans Öğrencisi – Biyokimya Bölümü – Fen Edebiyat Fakültesi – Dumlupınar Üniversitesi
Kaynaklar:
[1] G. Decher, in: G. Decher, J.B. Schlenoff (Eds.), Multilayer Thin Films: Sequential Assembly of Nanocomposite Materials, Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2003.
[2] P. Podsiadlo, B.S. Shim, N.A. Kotov, Coord. Chem. Rev. 253 (23–24) (2009) 2835.
[3] P. Bertrand, A. Jonas, A. Laschewsky, R. Legras, Macromol. Rapid Commun. 21 (7) (2000) 319.
[4] G. Decher, Science 277 (5330) (1997) 1232.
[5] M.A. Priolo, D. Gamboa, K.M. Holder, J.C. Grunlan, Nano Lett. 10 (12) (2010) 4970.
[6] P.H.B. Aoki, D. Volpati, A. Riul, W. Caetano, C.J.L. Constantino, Langmuir 25 (4) (2009) 2331.
[7] O. Mermut, C.J. Barrett, J. Phys. Chem. B 107 (11) (2003) 2525.
[8] L. Chang, X.X. Kong, F. Wang, L.Y. Wang, J.C. Shen, Thin Solid Films 516 (8) (2008) 2125.
[9] M.A. Priolo, K.M. Holder, D. Gamboa, J.C. Grunlan, Langmuir 27 (19) (2011) 12106.
[10] Y.H. Yang, F.A. Malek, J.C. Grunlan, Ind. Eng. Chem. Res. 49 (18) (2010) 8501.
[11] Y.C. Li, J. Schulz, J.C. Grunlan, ACS Appl. Mater. Interfaces 1 (10) (2009) 2338.
[12] K. Apaydin, A. Laachachi, V. Ball, M. Jimenez, S. Bourbigot, V. Toniazzo, D. Ruch, Polym. Degrad. Stab. 98 (2) (2013) 627.
[13] Y.C. Li, J. Schulz, S. Mannen, C. Delhom, B. Condon, S. Chang, M. Zammarano, J.C. Grunlan, ACS Nano 4 (6) (2010) 3325.
[14] A. Laachachi, V. Ball, K. Apaydin, V. Toniazzo, D. Ruch, Langmuir 27 (22) (2011) 13879.
[15] G. Laufer, C. Kirkland, A.A. Cain, J.C. Grunlan, ACS Appl. Mater. Interfaces 4 (3) (2012) 1643.
[16] G. Laufer, C. Kirkland, A.B. Morgan, J.C. Grunlan, Biomacromolecules 13 (9) (2012) 2843.
[17] J. Alongi, F. Carosio, G. Malucelli, Polym. Degrad. Stab. 97 (9) (2012) 1644.
[18] F. Carosio, J. Alongi, G. Malucelli, Carbohydr. Polym. 88 (4) (2012) 1460.
[19] Y.S. Kim, R. Davis, A.A. Cain, J.C. Grunlan, Polymer 52 (13) (2011) 2847.
[20] Y.S. Kim, R. Harris, R. Davis, ACS Macro Lett. 1 (7) (2012) 820.
[21] P. Nikolaev, M.J. Bronikowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith, R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 313 (1–2) (1999) 91.
[22] J.N. Coleman, U. Khan, W.J. Blau, Y.K. Gun’ko, Carbon 44 (9) (2006) 1624.
[23] M.F. Yu, B.S. Files, S. Arepalli, R.S. Ruoff, Phys. Rev. Lett. 84 (24) (2000) 5552.
[24] C.H. Yu, L. Shi, Z. Yao, D.Y. Li, A. Majumdar, Nano Lett. 5 (9) (2005) 1842.
[25] S.W. Lee, B.-S. Kim, S. Chen, Y. Shao-Horn, P.T. Hammond, J. Am. Chem. Soc. 131 (2) (2008) 671.
[26] M.N. Hyder, S.W. Lee, F.C. Cebeci, D.J. Schmidt, Y. Shao-Horn, P.T. Hammond, ACS Nano 5 (11) (2011) 8552.
[27] S.W. Lee, J. Kim, S. Chen, P.T. Hammond, Y. Shao-Horn, ACS Nano 4 (7) (2010) 3889.
[28] C. Fantini, J. Cassimiro, V.S.T. Peressinotto, F. Plentz, A.G. Souza, C.A. Furtado, A.P. Santos, Chem. Phys. Lett. 473 (1–3) (2009) 96.
[29] N. Grossiord, J. Loos, O. Regev, C.E. Koning, Chem. Mater. 18 (5) (2006) 1089.
[30] V.C. Moore, M.S. Strano, E.H. Haroz, R.H. Hauge, R.E. Smalley, J. Schmidt, Y. Talmon, Nano Lett. 3 (10) (2003) 1379.
[31] C. Yu, Y.S. Kim, D. Kim, J.C. Grunlan, Nano Lett. 8 (12) (2008) 4428.
[32] J.H. Zou, L.W. Liu, H. Chen, S.I. Khondaker, R.D. McCullough, Q. Huo, L. Zhai, Adv. Mater. 20 (11) (2008) 2055.
[33] Y.K. Kang, O.S. Lee, P. Deria, S.H. Kim, T.H. Park, D.A. Bonnell, J.G. Saven, M.J. Therien, Nano Lett. 9 (4) (2009) 1414.
[34] L. Liu, J.C. Grunlan, Adv. Funct. Mater. 17 (14) (2007) 2343.
[35] J. Zhu, M. Yudasaka, M.F. Zhang, S. Iijima, J. Phys. Chem. B 108 (31) (2004) 11317.
[36] K.S. Liao, A. Wan, J.D. Batteas, D.E. Bergbreiter, Langmuir 24 (8) (2008) 4245
