Nanofiller olarak kullanılan karbon nanopartiküller arasında karbon nanotüpler (CNT'ler) hem teorik hem de deneysel olarak belirlenen üstün termal, mekanik ve elektriksel özelliklere sahiptir. 

MSc. Özlem Ağaç

Ar-Ge Mühendisi/Nanografi Nano Teknoloji

Böylece, olağanüstü özellikleri nedeniyle, birçok uygulamada kullanılırlar. Bununla birlikte, CNT'ler ortalama 1nm çapa ve birkaç mikrometre genişliğine sahiptir. Bu nedenle, CNT'lerin endüstriyel uygulamalarda kullanılması neredeyse imkansızdır. Bu sorunun üstesinden gelmek için, CNT'leri makro-ağlara (buckypaper olarak da adlandırılır) üretmek için farklı teknikler kullanılmıştır. Buckypaper (BP), makroskopik seviyelerde ince bir kümelenme veya CNT ağıdır.

Giriş

Buckypaperlar, esas olarak van der Waals etkileşimleri nedeniyle gözenekli ağlar oluşturan, rastgele dolanmış CNT'lerin ince filmleridir. Van der Waals etkileşimleri nedeniyle, CNT'lerin topaklanarak yapışkan bir buckypaper oluşturma eğilimi vardır. Buckypaperlar basit yöntemlerle üretilir ve CNT ve fullerenlerden üretilen ilk makroskopik düzenlemelerdir. Buckypaper'ların keşfinden sonra, BP'lerin mekanik, elektriksel, kimyasal ve termal özellikleri geniş çapta incelenmiştir. Büyük çapa sahip MWCNT’lerde Van der Waals kuvvetleri yapıda daha az etkili olduğundan buckypaperın düşün yapışkanlık özelliğine ve düşük çekme mukavemetine sahip olmasına neden olmaktadır. Ancak, gerilme mukavemeti, polimer ilave edilerek veya MWCNT'lerin işlevselleştirilmesiyle bir dereceye kadar arttırılabilir. Daha uzun, saf, dar duvarlı CNT, yüksek gerilme mukavemeti değerlerine sahiptir ve mekanik olarak güçlü bir yapıya sahiptir. 

Buckypaper Nedir?

Buckypaper, bir insan saçı çapının yaklaşık 1 / 50000'ü büyüklüğüne sahip olan böyle ince bir malzemedir. Nanotüp kalitesi, süspansiyon konsantrasyonu, dispersiyon kalitesi, filtreleme teknikleri ve nanotüplerin manyetik hizalanması gibi ek filtreleme yaklaşımları, buckypaper'ların özellikleri için son derece önemli parametrelerdir ve bu parametreler, buckypaper üretimi sırasında dikkate alınmalıdır. Genel olarak, ekstra saf, daha dar, daha uzun CNT'ler, buckypaperların gerilme mukavemetini arttırır. Mekanik özelliklerinin yanı sıra, buckypaper'lar yüksek derecede termal iletkenliğe sahiptir. Ayrıca, BP'ler iyi bir elektrik iletkenliğine sahiptir, bakır veya silikon gibi elektrik iletebilirler. Ek olarak, buckypaper düşük optik yansıtma özelliğine sahiptir.

Buckypaper Sentezi

Buckypapers birkaç basit yöntemle hazırlanabilir. Bu çeşitli teknikler farklı tipte BP materyalleri üretmek için geliştirilmiştir. Bazı teknikler yüksek mekanik mukavemete sahip ağlar üretmek için kullanılırken, bazı yöntemler termal, elektriksel ve optik özelliklere odaklanır. Buckypaper oluşumunda, iki ana adım söz konusudur, yani CNT nanopartiküllerinin uygun çözücülerde dağıtılması ve filtrasyon işlemidir.

İlk olarak, CNT'ler saflaştırılır ve daha sonra bir süspansiyon elde etmek için sulu ortam içinde dağıtılır. Süspansiyon, yüzeyinde CNT'lerin tutulduğu gözenekli bir zardan filtrelenir ve optik olarak yoğun buckypaper membran oluşturur. Buckypaper kurutulur ve daha sonra gözenekli destekten çıkarılır. CNT'leri düzenlemek için, filtrasyon işlemi kullanılır.

Tipik olarak CNT'ler, fulleren, amorf karbon, grafitik nanopartiküller ve diğer metalik nanopartiküller gibi karbonlu malzemelerle kontamine olur. Buckypapers işleme adımındaki dispersiyon ve saflaştırma, buckypaper'ın hem yapısını hem de özelliklerini etkiler. CNT dispersiyonu için aşağıdaki adımlar kullanılabilir;

(i) CNT yüzeyi, uygun çözücü kullanılarak kimyasal uyumluluğu arttırmak için kovalent olarak işlevselleştirilir;

(ii) polimer, yüzey aktif madde veya DNA moleküllerinin kullanımı;

(iii) kesme karıştırma ve ultrasonikasyon gibi mekanik işlemlerin kullanılması.

İlk Buckypaper İmalatı

İlk buckypaper sentezi 1998 yılında Smalley adında bir bilim adamı tarafından yapılmıştır. İlk önce CNT'ler, Triton-X 100 yüzey aktif maddesi ile fonksiyonelleştirilmiş ve daha sonra büyük CNT demetini parçalamak için ultrasonik banyoya konmuştur. Sulu çözelti içinde dağıtılan nihai CNT'ler, vakum filtrasyonu yoluyla gözenekli bir membrandan süzülmüştür. Kağıt, yüzey aktif maddeyi uzaklaştırmak için metanol ile yıkanmış ve daha sonra fitre kağıdından sıyrılmıştır. Bu adımları uygulayarak buckpaper elde edilmiştir.

Karbon Nanotüpler hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Buckypaper Üretim Yöntemleri

Tek Duvarlı Karbon Nanotüp Levhalar İçin Damla Kurutma Teknikleri

Bu yöntemde, SWCNT'ler su ve bir yüzey aktif madde ile karıştırılır ve daha sonra bir cam üzerine damlatılır. Daha sonra damlalar, ortam sıcaklığında kurutulur. Bu tekniğin optik olarak saydam, ince (100 nm) ve iletken tabakalar veya filmler yaptığı varsayılmaktadır. Filmleri iletken hale getirmek için ve nanotüp katmanları arasındaki etkileşimi arttırmak için ve yüzey aktif maddeden kurtulmak için kuruyan CNT kabuk kaynatılır ve iletkenliğini geliştirmek için SWCNT oranı artırılır.

Yönlendirilmiş CNT'ler için Domino İtme Tekniği

Bu yöntem, buckypaper'ın elektriksel ve termal özelliklerini arttırır. Bu teknikte, MWCNT'ler kullanılır. Kimyasal buhar biriktirme tekniği (CVD), 10 cm çapında silikon alt tabaka üzerinde dikey MWCNT'leri büyütmek için kullanılır. MWCNT dizilerinin üst yüzeyine mikro gözenekli bir membran yerleştirilir ve sabit basınçta preslenir. Bu adım birden çok kez tekrarlanmalıdır. MWCNT'ler van der Waals etkileşimleri yardımıyla hizalanır ve nanotüp ağı veya buckypaper oluşturmak için düzleştirilir. Buckypaper'ların oluşumundan sonra, silikon substrat çıkarılır ve daha sonra kağıt, etanol içinde bekletilerek mikro gözenekli zardan soyulur.

Tüpler Arası Çapraz Bağlama ile Buckypaper Oluşumu

Çapraz bağlama ile üretilecek olan buckypaper su ile yıkanır ve kalanı filtre kağıdında tutulur. Sonra, 1,4-benzoquinone suda çözünür ve 1 saat sonikasyonda tutulur. Filtrede bulunan buckypaper üzerinde birkaç kez geçirilir. Çapraz bağlama için, filtrasyon işlemi sırasında filtrasyon sisteminde hava kabarcıklarının üretilmesi gerekir. Bundan sonra, tüpler arası çapraz bağlanmış buckypaper filtreden soyulur ve kurutulur. Bu teknik, CNT bağlarını çapraz bağlayarak buckypaper ağının mevcut transfer yeteneklerini ve tüpler arası gerilmeyi artırmaya yardımcı olur. Bu nedenle, buckypaper'ın elektriksel ve mekanik özelliklerini geliştirir ve bu çok işlevli malzemeleri yeni tür mühendislik uygulamaları için kullanılabilir hale getirir.

Buckypaper'ın Uygulama Alanları

Buckypaper için olası kullanımlar hala araştırılmaktadır, ancak pratik uygulamaları zaten ilginçtir. Buckypaper'ın endüstride veya aşağıda listelenen diğer alanlarda bazı uygulamaları vardır.

• Buckypaper'lar, yangından korunmada kullanılır; yoğun, kompakt karbon nanotüpleri veya karbon fiber tabakası tarafından ısının verimli yansıması nedeniyle yangın direncini önemli ölçüde artırır.
• Bir bileşik bir uygulamada elektrik yüküne maruz kalırsa, bilgisayar ve televizyon ekranlarını aydınlatmak için buckypaper kullanılabilir. Daha enerji tasarruflu, daha hafif olabilir ve mevcut katot ışınlı tüp (CRT) ve sıvı kristal ekran (LCD) teknolojisinden daha düzgün bir parlaklık seviyesine izin verebilir.
• Individual karbon nanotüpler bilinen en termal iletken malzemelerden biri olduğundan, buckypaper'lar, bilgisayarların ve diğer elektronik ekipmanların ısıyı şu anda mümkün olandan daha verimli bir şekilde dağıtmalarını sağlayacak ısı alıcılarının yapımında kullanılabilir.
• Filmler ayrıca uçaklardaki elektronik devreleri ve cihazları elektromanyetik parazitlerden koruyabilir. Benzer şekilde, bu filmler askeri uçakların radarla tespit edilebilen elektromanyetik "imzalarını" korumasına izin verebilir.
• Buckypaper, mikropartikülleri hava veya sıvı içinde hapsetmek için bir filtre membranı olarak işlev görebilir, çünkü buckypaper'daki nanotüpler çözünmezdir ve çeşitli fonksiyonel gruplarla işlevselleştirilebilir, böylece bileşikleri seçici olarak çıkarabilir veya bir sensör olarak işlev görebilir.
• Buckypaper, sinir hücreleri gibi biyolojik dokuları büyütmek için kullanılabilir ve belirli hücre tiplerinin büyümesini teşvik etmek için elektrikli veya işlevsel hale getirilebilir.
• Buckypapers, yüksek elektrik iletkenlikleri nedeniyle süper kapasitörler lityum iyon piller ve vanadyum redoks akışlı piller için elektrot malzemesi olarak kullanılabilir.
• Buckypaper'lar yapay kaslarda kullanılabilir.
• Buckypaper kompozitler, yeterince yüksek miktarlarda ve ekonomik olarak uygun bir fiyata üretildikleri takdirde etkili bir zırh kaplama malzemesi olarak kullanılabilirler.

Örümcek Ağı, Grafen ve Karbon Nanotüp ilişkisi hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Sonuç

Buckypaper mukavemet, hafiflik, dayanıklılık ve yüksek elektrik gibi belirli özelliklere sahiptir. Bu malzemeler, gelişmiş elektrik iletkenliği, reolojik kontrol özellikleri, gelişmiş mekanik özellikler, termal özellikler ve alev geciktirme gibi diğer kompozit malzemelere yeni işlevler ekler. Buckypaper'ın bazı olağanüstü özellikleri olmasına rağmen, oldukça yeni bir malzemedir ve özellikleri geliştirmek ve dezavantajları hafifletmek için daha fazla araştırma yapılmalıdır. Gerçek yaşam uygulamalarında kullanımını sağlamak için özelliklerini geliştirmek ve üretim maliyetini düşürmek için hala birçok araştırma yapılmaktadır. Gelecek yıllarda, bu malzeme benzersiz özellikleri nedeniyle teknoloji dünyasını yenileyecektir.

Daha fazla bilgi almak için blog yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.

Referanslar

1. Zaheen Ullah Khan, Ayesha Kausar & Hidayat Ullah (2016) A Review on Composite Papers of Graphene Oxide, Carbon Nanotube, Polymer/GO, and Polymer/ CNT: Processing Strategies, Properties, and Relevance, Polymer-Plastics Technology and Engineering.

2. Nasir, A.; Kausar, A.; Younus, A. Polymer/graphite nanocomposites: Physical features, fabrication and current relevance. Polym. Plast. Technol. Eng. 2015 Nasir, A.; Kausar, A.; Younus, A. Polymer/graphite nanocomposites: Physical features, fabrication and current relevance. Polym. Plast. Technol. Eng. 2015.

3. Putz, K.W.; Compton, O.C.; Palmeri, M.J.; Nguyen, S.T.; Brinson, C. High-nanofiller-content graphene oxide-polymer nanocomposites via vacuum-assisted self-assembly. Adv. Funct. Mater. 2010.

4. Thostenson, E.T.; Ren, Z.; Chou, T.-W. Advances in the science and technology of carbon nanotubes and their composites: A review. Compos. Sci. Technol. 2001.

5. Shimotani, K.; Anazawa, K.; Watanabe, H.; Shimizu, M. New synthesis of multi-walled carbon nanotubes using an arc discharge technique under organic molecular atmospheres. Appl. Phys. A: Solids Surf. 2001.

6. Kumar, M.; Ando, Y. Chemical vapor deposition of carbon nanotubes: a review on growth mechanism and mass production. J. Nanosci. Nanotechnol. 2010.

7. Zhu, W.; Zeng, C.; Zheng, J.P.; Liang, R.; Zhang, C.; Wang, B. Preparation of buckypaper supported Pt catalyst for PEMFC using a supercritical fluid method. Electrochem. Sol. Stat. Lett. 2011.

8. Zhang, J.; Jiang, D.; Peng, H.-X.; Qin, F. Enhanced mechanical and electrical properties of carbon nanotube buckypaper by in situ cross-linking. Carbon 2013.

9. Whitby, R.L.D.; Fukuda, T.; Maekawa, T.; James, S.L.; Mikhalovsky, S.V. Geometric control and tuneable pore size distribution of buckypaper and buckydiscs. Carbon 2008.

10. Kukovecz, A.; Smajda, R.; Konya, Z.; Kiricsi, I. Controlling the pore diameter distribution of multiwall carbon nanotube buckypapers. Carbon 2007.

11. Duggal, R.; Hussain, F.; Pasquali, M. Self-assembly of single-walled carbon nanotubes into a sheet by drop drying. Adv. Mater. 2006.

12. Structural Properties of Chemically Functionalized Carbon Nanotube Thin Films, G. Trakasis, D. Tasis, C. Galiotis, Institute of Chemical Engineering and High Temperature Processes, Foundation of Research and Technology Hellas, 10 June 2013.