Grafitten Elde Edilen Grafen Oksit Yolu İle Grafen İplik Üretimi

Abstract

Bu projenin amacı sivil ve askeri uygulamalarda kullanılabilecek özelliklere sahip grafen ipliklerin, ucuz grafit hammaddesinden oksidasyonla elde edilen grafen oksit (GO) dispersiyonu üzerinden üretilmesidir. Grafen iplik üretimi ilk kez 2011 yılında Çin’de gerçekleştirilmiş ve sonrasında Amerika, Çin ve Kore’de bu konuda kapsamlı araştırmalar yapılmakta olup, henüz büyük çaplı ticari üretim aşamasına gelinememiştir. Grafen iplikler, halen üretilen karbon fiberlere nazaran daha hafif, esnek, bükülebilir, kolayca fonksiyonel grup takılabilir ve daha düşük maliyetlidir. Bu nedenle, grafen iplik üretiminin endüstriyel ölçekte başarılması sonrasında, özellikle fiyat avantajı yüzünden karbon fiberlerin yerini alması beklenmektedir. Çalışılan proje iki bölümdür: İlk bölümde, önce grafit oksit ve bunun eksfoliasyonu (grafen tabakaların birbirinden ayrılması) ile grafen oksit (GO) dispersiyonları sentezlenerek bu konuda literatürde daha önce verilen yöntemlerin verimleri karşılaştırılmıştır. GO verimlerinin yüksek çıkmasını sağlayan parametreler saptanmış ve üretilen GO’in ortalama partikül büyüklüğü üzerinde kontrol sağlanmıştır. Ultrases ve yüksek basınçlı CO 2 reaktörü sistemi kullanılarak eksfoliasyon denemeleri de yapılmıştır. M. Tour-Silva yöntemi kullanılarak yapılan GO üretiminde, projede hedeflenen oksidayon verimi olan % 70 üzerine çıkılmıştır. Projenin ikinci bölümünde, sentezlenen GO dispersiyonları bir enjektöre bağlı iğneden belirli bir hızda, koagülasyon (topaklaştırma) banyosu içerisine basılması ve bu esnada GO partiküllerinin birbirlerine fiziksel çekimle bağlanması sonucu GO ipliklerin eldesi, ardından kurutma, kimyasal indirgeme ve tekrar kurutma ile grafen ipliklerin üretimi gerçekleştirilmiş ve tüm parametreler optimize edilmiştir. Koagülasyon banyolarında polar solventler, ve ayrıca içinde emülgatör ve tuz çözülmüş sulu çözeltiler kullanılmıştır. Gerek GO kaplamaların ve ipliklerin, gerekse de indirgenmiş grafen ipliklerin yapısı FTIR, SEM, SEM-EDS ve XRD ile incelenmiştir. Projede elde edilen en iyi mekanik ve elektriksel özellikler, grafitten M. Tour-Silva-150 yöntemiyle hazırlanan 16 mg/ml GO dispersiyonundan, çekme gerilimi 1.5 oranında ve İPA banyosunda elde edilmiştir. Üretilen GO ipliklerin, HI/asetik asit ile kimyasal indirgenmesi ile elde edilen grafen iplikler % 5.1 uzamaya sahip olup, bunların çekme dayanımı 256 MPa, Young modülü 25.3 GPa ve elektriksel iletkenliği ise 1.45 x10 4 S/m’dir. Bu değerler grafen iplik üretilen birçok çalışmada rapor edilen değere göre daha iyidir. Projemizde, ilk elde edilen grafen ipliklerin çekme dayanımı 89 MPa değerlerinde iken, sistem parametreleri optimize edilerek 256 MPa seviyesine kadar yükseltilirken, elektriksel iletkenlik değerinin ise 0.15 x10 4 S/m değerinden maksimum 2.5 x10 4 S/m değerine kadar arttırılması başarılmıştır.