Polimer nanokompozitler, polimer dokuların nano ölçekli dolgu maddeleri ile birleştirildiği, mekanik, termal, geçirgenlik vb. özelliklerde artışa yol açacak ileri düzey malzemeler sınıfıdır. Bu malzemelere olan ilginin artması, ambalajlama, otomotiv, havacılık, elektronik, biyomedikal uygulamalar, boru yapımı ve diğer durumlar dahil olmak üzere endüstrinin çeşitli sektörlerinde dönüşüm yaratma potansiyellerinden kaynaklanmaktadır.
Anahtar Kelimeler: polimer nanokompozitler, polimer nanokompozitlerin sentezi, polimer nanokompozitlerin uygulanması.Polimerler, bazı sınırlamalarını ve zayıflıklarını azaltmak ve böylece uygulamalarını genişletmek için genellikle farklı boyutlardaki dolgu maddeleri ile güçlendirilir. Polimerlerin mekanik ve fiziksel özelliklerini geliştirmek için nano ölçekli dolgu maddelerinin kullanılması, çeşitli polimer kompozitlerin üretilmesine yol açmıştır. Nano ölçekli dolgular, boyutlarından en az birinde nano boyuttadır ve ayrıca çeşitli morfolojilere sahiptir. Nanobilim ve nanoteknoloji, ilginç özelliklere sahip polimer nanokompozitler elde etmek için nano ölçekte yeni dolgu maddeleri ve polimer malzeme kombinasyonları oluşturmak için benzersiz fırsatlar sağlar. Nano boyuttaki farklı şekil ve boyutlara sahip bu dolgu maddelerinin düzgün dağılımı, nano ölçekli dolgu maddeleri ile konakçı polimerler arasında birim hacim başına son derece geniş bir yüzey alanı oluşturabilmektedir. Polimer nanokompozitler, dolgu maddelerinin yüksek yüzey alanı nedeniyle konakçı polimerlere kıyasla üstün mekanik özelliklere ve fiziksel özelliklere sahiptir. Malzemenin boyutunu kontrol etmek için örneğin küresel polimer-nanopartikül sisteminin yüzey alanını tahmin ettiği kabul edilir.
Polimer nanokompozitlerin sınıflandırılması, kullanılan nanodolguların türüne ve kullanılan polimer dokusunun türüne dayanmaktadır. Bu sınıflandırmalar farklı nanokompozit türlerinin, bunların özelliklerinin ve özel uygulamalarının anlaşılmasına yardımcı olur. Bu sınıflandırmanın kısa bir açıklaması aşağıda verilmiştir:
Montmorillonit ve organik materyallerle modifiye edilmiş kil gibi kil nanopartikülleri genellikle polimer dokularda nanodolgu maddesi olarak kullanılır. Bu nanopartiküller yüksek en-boy oranına ve yüzey alanına sahiptir, bu da mekanik özelliklerde, termal stabilitede, gaz geçirgenlik özelliklerinde ve alev direncinde önemli bir iyileşmeye yol açar. İyileştirilmiş özelliklerin elde edilmesi için katmanlar arasına nüfuz edilmesi ve polimer dokudaki kil katmanlarının delaminasyonu çok önemlidir (Şekil 1).
Karbon nanotüpleri (CNT’ler) ve grafen, polimerik dokularda kullanılan popüler karbon bazlı nano dolgulardır. CNT’ler, çekme mukavemeti ve yüksek modül gibi olağanüstü mekanik özelliklere sahiptir ve bu da onları polimerlerin güçlendirilmesi için uygun kılar. Grafen, iki boyutlu bir kafes halinde düzenlenmiş tek bir karbon atomu katmanıdır. Bu malzeme olağanüstü termal ve elektriksel iletkenlik sergiler ve bu da onu iyi ısı dağılımı ve elektriksel performans gerektiren uygulamalar için ideal kılar.
Gümüş, altın ve platin gibi metal nanopartiküller, benzersiz özellikler oluşturmak için polimer dokulara dahil edilir. Metal nanokompozitler antimikrobiyal özellikler, artan elektriksel iletkenlik ve katalitik aktivite gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır.
Titanyum dioksit (TiO2) ve çinko oksit (ZnO) gibi metal oksit nanopartikülleri nano dolgu maddesi olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nanokompozitler çeşitli endüstrilerde ultraviyole ışınlara karşı koruma, kendi kendini temizleyen kaplamalar ve mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amacıyla kullanılmaktadır.
Organik kimyasal bileşiklerle modifiye edilmiş kil dahil olmak üzere organik nanopartiküller, polimer nanopartiküller ve dendrimerler, polimer dokuların özelliklerini değiştirmek için kullanılır. Bu nanokompozitler, biyomedikal uygulamalarda geliştirilmiş alev geciktiricilik, gaz geçirgenlik özellikleri ve kontrollü ilaç salınımı gibi benzersiz özellikler sergiler.
MOF/polimer nanokompozitleri, metal-organik çerçevelerden (MOF’ler) ve polimerlerden oluşan yenilikçi malzemelerdir. MOF’lar, organik ligandlarla birbirine bağlanan metal iyonlarından oluşan gözenekli yapılardır; Bu malzemeler polimerlerle entegre olduklarında özel özellikler ve uygulamalar sağlarlar. Nanokompozitlerde MOF’lar dolgu maddesi görevi görür ve mekanik, termal ve gaz emme özelliklerini arttırır; Aynı zamanda uygun işlenebilirlik sağlayan esnek ve stabil bir polimer dokusunun oluşmasına da neden olmuştur. Bu kombinasyon ayarlanabilir malzeme özelliklerine, yüksek yüzey alanına ve seçici adsorpsiyon kapasitesine yol açar. MOF/polimer nanokompozitleri gaz depolama, ayırma, kataliz, sensörler ve ilaç dağıtım sistemlerinde kullanılır. Çok yönlü yapıları ve çeşitli uygulamalarda kullanım potansiyelleri, onları çeşitli ileri teknolojiler için umut verici seçenekler haline getiriyor (Şekil 2).
Nanokompozitlerde doku olarak genellikle polietilen (PE), polipropilen (PP), polivinil klorür (PVC) ve polistiren (PS) gibi termoplastik polimerler kullanılır. Termoplastik nanokompozitler işlenme kolaylığı, geri dönüştürülebilirlik ve iyi mekanik özellikler gösterir. Bu malzemeler araba parçalarında, ambalaj malzemelerinde vb. kullanılır.
Epoksi, fenolik ve polyester reçineleri içeren termoset polimerler, nanokompozitlerde doku görevi görür. İşleme sırasında bu polimerler geri dönüşü olmayan işlenebilirliğe tabi tutulur, bu da daha yüksek sıcaklıklara karşı direnç ve gelişmiş boyutsal stabiliteye yol açar. Termoset nanokompozitler havacılık ve uzay endüstrisinde kullanılan bileşenlerde, elektrik yalıtımında ve yüksek sıcaklık uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır.
Polimer nanokompozitlerin sentezi, bu malzemelerin özelliklerini arttırmak için nano ölçekli dolgu maddelerinin (nanopartiküller veya nanofiberler) polimer dokusunda birleştirilmesini içerir. Bu prosesin amacı, nanodolgu maddelerinin polimer dokusunda düzgün bir şekilde dağılmasını ve bunlar ile konak polimer arasında güçlü bir yüzey bağının elde edilmesini sağlamaktır. Polimer nanokompozitlerin sentezi için her biri kendine özgü avantajlar ve zorluklar sunan çeşitli yöntemler kullanılabilir. Bazı yaygın sentez yöntemleri şunlardır:
Yerinde polimerizasyon, polimerin nanodolgu maddelerinin varlığında sentezlenmesidir. Bu işlem, monomerlerin dağılmış nanodolgu maddeleri etrafında polimerizasyonunu içerir ve bu da nanodolgu maddelerinin polimer dokusunda düzgün bir şekilde dağılmasına yol açar. Bu yöntem, nano dolgular ve polimerler arasında güçlü bir yüzey bağı sağlar ve sonuç olarak mekanik ve termal özellikleri geliştirir. Yerinde polimerizasyon, özellikle polimer dokusuyla kimyasal olarak uyumlu olan nano dolgular için uygundur (Şekil 3).
Bu yöntemde nanodolgu maddeleri bir solvent içerisinde dağıtılır ve polimer de aynı solvent içerisinde çözülür. Daha sonra nanodoldurucular ve polimer çözeltisi, nanodoldurucuların polimer dokusunda homojen bir şekilde dağılmasını sağlamak için birlikte karıştırılır. Çözücünün buharlaşmasından sonra polimer nanokompozit oluşur. Bu yöntem, nanodolgu maddelerinin dağılımı üzerinde daha iyi bir kontrole sahip olmayı sağlar, ancak nanodolgu maddeleri ile polimer arasındaki yüzey bağı, yerinde polimerizasyon kadar güçlü olmayabilir.
Eriyik karıştırma, polimer eriyik halinde yapılır. Nano dolgu maddeleri ve polimer, ekstrüderler veya karıştırıcılar kullanılarak yüksek sıcaklıklarda karıştırılır. Bu işlem, erimiş polimerde nano dolgu maddelerinin düzgün bir şekilde dağılmasını sağlamak için kesme ve karıştırma kuvvetlerini içerir. Eriyik karışımı genellikle termoplastik nanokompozitler için kullanılır ve büyük ölçekli üretim olanağı sağlar. Bununla birlikte, özellikle yüksek en-boy oranlı nano dolgular için tekdüze dağılım ve güçlü arayüzey bağı elde etmek zor olabilir (Şekil 4).
Şablon destekli yöntemler, sentez sırasında nanodoldurucuların düzenlenmesine rehberlik etmek için şablonların kullanımını içerir. Nano dolgu maddelerinin kendiliğinden montajını yönlendirmek için belirli yapılara sahip şablonlar kullanılabilir. Bu yöntem, yüksek düzeyde düzenli nanokompozit yapılara, nanodolgu düzeninin hassas kontrolüne ve geliştirilmiş özelliklere yol açar. Şablonlar sentezden sonra çıkarılarak iyi organize edilmiş bir nanokompozit elde edilebilir.
Sentez yönteminin seçimi, nanodolgu maddesinin türü, nanokompozitin istenen özellikleri ve nanodolgu maddesi ile polimer dokusu arasındaki uyumluluk gibi çeşitli faktörlere bağlıdır. Her yöntemin kendine göre avantajları ve zorlukları vardır ve araştırmacılar sıklıkla sentez yaklaşımını amaçlanan uygulamaların özel gereksinimlerine göre uyarlarlar. Sentez yöntemi ne olursa olsun, nano dolguların düzgün bir şekilde dağılması ve nano dolgular ile polimer dokusu arasında güçlü bir arayüzey bağının elde edilmesi, polimer nano kompozitlerin faydalarını en üst düzeye çıkarmak için çok önemlidir. İşleme parametrelerinin doğru seçimi ve uyumlulaştırıcıların kullanımı, nanokompozitlerin özelliklerini artırabilir ve başarılı sentezlerini sağlayabilir.
Polimer nanokompozitler, benzersiz özellikleri ve geleneksel polimerlere kıyasla daha iyi performansları nedeniyle farklı endüstrilerde birçok uygulama alanı bulmuştur. Polimer nanokompozitlerin temel uygulamalarından bazıları şunlardır:
Polimer nanokompozitler elektriksel özellikleri ve termal yetenekleri nedeniyle elektronik endüstrisinde kullanılmaktadır. Yüksek elektrik iletkenliğine sahip nanokompozit malzemeler iletken, sensör ve esnek elektromanyetik koruyucu bileşenler olarak kullanılmaktadır. Ayrıca elektronik cihazlardan gelen ısıyı dağıtmak ve bu cihazların stabilitesini ve ömrünü artırmak için verimli termal arayüz malzemeleri görevi de görürler (Şekil 5).
Otomobil endüstrisi, çeşitli bileşenlerde polimer nanokompozitleri kullanır. Bu malzemeler ağırlığı azaltır, bu da yakıt verimliliğinin artmasına ve kirletici maddelerin azaltılmasına yol açar. Nanokompozitler tamponlarda, gövde panellerinde, motor bileşenlerinde ve iç kısımlarda güç, darbe direnci ve korozyon koruması sağlayan parçalarda kullanılır. Ayrıca nanokompozitler araca gelen gürültü ve titreşimleri azaltabilir ve bu da arabanın nihai performansını artıracaktır.
Biyobozunur polimer nanokompozitler biyotıp alanında büyük ilgi görmüştür (Şekil 6). Bu malzemeler doku mühendisliğinde hasarlı dokuyu yeniden inşa etmek ve onarmak için iskele oluşturmak amacıyla kullanılır. Ayrıca kontrollü salım özelliğine sahip nanokompozitler ilaç taşıyıcı sistemlerde kullanılmakta; Hassas ilaç dozu salınımı ve hedefe yönelik tedavi olanağı sağlayan bu malzemeler, biyouyumlulukları ve artan mekanik özellikleri nedeniyle cerrahi implant gibi tıbbi ekipmanlarda da kullanılıyor.
Polimer nanokompozitler yiyecek ve içecek ambalajında büyük bir devrim yarattı. Nano dolgu maddelerinin polimer filmlerde birleştirilmesiyle ambalaj malzemeleri, çabuk bozulan ürünlerin ömrünü artıran ve malzemeyi neme, gazlara ve kirleticilere karşı koruyan yüksek koruyucu özellikler kazanır. Nanokompozit içeren ambalaj malzemeleri gıda israfının azaltılmasına, tazeliğin korunmasına ve besin değerinin korunmasına yardımcı olur.
İnşaat sektöründe beton, kaplama ve sızdırmazlık malzemeleri gibi altyapı malzemeleri için polimer nanokompozitler kullanılmaktadır. Bu malzemeler mekanik mukavemeti arttırır ve dayanıklılığı ve atmosferik faktörlere karşı direnci arttırır, bu da bu malzemeleri binalarda ve inşaat mühendisliği projelerinde yüksek performanslı uygulamalar için uygun hale getirir, özellikle inşaat mühendisleri tarafından memnuniyetle karşılanır.
Polimer nanokompozitler, lityum iyon piller ve süper kapasitörler gibi enerji depolama cihazlarında kullanılır. Nano dolgu maddelerinin eklenmesi, pil elektrotlarının ve ayırıcıların elektriksel iletkenliğini ve termal stabilitesini, mekanik gücünü arttırır, bu da enerji verimliliğinin artmasına ve daha uzun çevrim ömrüne yol açar (Şekil 7).
Polimer nanokompozitler çevrenin korunmasında ve iyileştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Nanokompozit malzemeler su arıtma proseslerinde kirleticileri uzaklaştırmak için kullanılır. Ayrıca verimli emme ve filtreleme özelliklerinden dolayı atık su arıtımında, hava filtresinde ve yağ sızıntısı temizliğinde yaygın olarak kullanılırlar.
Boru endüstrisinde nanokompozit kullanımı, boru yapımı, performansı ve dayanıklılığının çeşitli yönlerinde önemli iyileştirmeler yapma potansiyeline sahip yeni bir araştırma alanıdır. Aşağıda farklı nanokompozitlerle birlikte inşaat borularının geliştirilmiş özelliklerinden bazıları verilmiştir:• Gelişmiş mekanik özellikler: Karbon nanotüpler (CNT) veya nanofiberler gibi nanopartiküllerin polimer matristeki kombinasyonu, tüplerin mekanik özelliklerini önemli ölçüde artırabilir. Bu iyileştirmeler, boruların daha dayanıklı olmasını ve daha yüksek basınç ve gerilimlere dayanmasını sağlayan çekme mukavemetinin, darbe direncinin ve sertliğin artırılmasını içermektedir. • Geliştirilmiş geçirgenlik özellikleri: Nanokompozitler, gaz ve sıvı nüfuzuna karşı daha iyi bariyer özellikleri oluşturabilir. Bu, boruların sıvı ve gazları taşımak için kullanıldığı petrol ve gaz gibi endüstrilerde özellikle önemlidir. Polimer kompozitlere nanopartiküllerin eklenmesi penetrasyon oranını azaltabilir, sızıntıyı önleyebilir ve ürünün nihai güvenliğini artırabilir.
• Korozyon direnci:Nanokompozitler, korozif ortamlarda kullanılan veya korozif malzemelerin taşınmasında kullanılan borular için gerekli olan korozyon ve tahribata karşı daha iyi bir dirence sahip olabilir. Nanopartiküller bariyer görevi görerek korozif maddelerin nüfuzunu önleyebilir ve boruların ömrünü uzatabilir. • Termal stabilite ve iletkenlik: Nanokompozitler termal stabiliteyi ve ısı transfer özelliklerini artırabilir. Bu, boruların aşırı sıcaklıklara maruz kaldığı endüstrilerde veya ısı değişiminin önemli olduğu proseslerde önemlidir. Nanopartiküller ısı kaybını azaltabilir ve genel termal verimliliği artırabilir. • Ağırlığın azaltılması ve esnekliğin arttırılması: Nanomalzemelerin kombinasyonu, taşıma ve kurulum için yararlı olabilecek daha hafif ve daha esnek boruların oluşturulmasına yol açabilir. Ağırlığın azaltılması aynı zamanda nakliye ve kurulum süreçlerinde para tasarrufu yapılmasına da yardımcı olabilir. • Kirlenme önleyici ve kendi kendini temizleme özellikleriNanokompozitler, biyofilmler veya mineral birikintileri gibi kirlenme faktörlerinin boruların iç yüzeyinde birikmesini önleyen yüzey modifikasyonları ile tasarlanabilir. Bu, sıvı akışı verimliliğinin korunmasına ve sık bakım ihtiyacının azaltılmasına yardımcı olabilir. • Algılama ve izleme: Nanokompozitler, gerinim, basınç, sıcaklık ve hatta bazı kimyasalların varlığı gibi parametrelerin doğru bir şekilde izlenmesine olanak tanıyan algılama yeteneğine sahip olacak şekilde tasarlanabilir. Bu sorun olası sorunların erken tespitine yardımcı olabilir ve boru sistemlerinin genel güvenilirliğini artırabilir.Polimer nanokompozitlerin uygulamaları sürekli olarak genişliyor çünkü araştırmacılar her zaman yeni nanodolgu maddeleri keşfediyor ve bunları yapmak için bu malzemelerin özelliklerini ayarlayacak yeni sentez yöntemleri geliştiriyor. Bu iyileştirilmiş özelliklerin yaratılması, onları çeşitli endüstrilere uygun hale getirir ve yenilikçi çözümlerin ve sürdürülebilir gelişmelerin önünü açar.
Son araştırmalar, yeni nanodolgu maddelerinin geliştirilmesine, işleme tekniklerinin iyileştirilmesine ve polimer nanokompozitlerin sentezi için yeşil ve sürdürülebilir yaklaşımların araştırılmasına odaklanmıştır. Bununla birlikte, nanopartiküllerin düzgün dağılımını sağlamak, işleme sırasında işlevselliklerini korumak gibi zorluklar ve potansiyel toksisite endişeleri, güvenli endüstriyel uygulamalar ve yüksek hacimli üretim kapasitesi sağlamak için daha fazla araştırma yapılmasını gerektirmektedir.
Polimer nanokompozitler, çeşitli endüstrilerde uygulama potansiyeli yüksek, malzeme biliminin ileri bir alanıdır. Nano ölçekli dolgu maddelerini polimer dokularla etkili bir şekilde birleştiren bu gelişmiş malzemeler, mekanik, termal, geçirgenlik ve diğer özellikleri iyileştirir ve çeşitli alanlarda yenilik için yeni yollar açar. Bu alanda daha fazla araştırma ve geliştirmenin, çeşitli sektörlerde ilerlemeyi teşvik edecek ve çeşitli endüstrilerde daha sürdürülebilir ve teknolojik açıdan gelişmiş bir geleceği teşvik edecek daha çeşitli ve etkili uygulamalara yol açması muhtemeldir.
1. Fu, S.; Sun, Z.; Huang, P.; Li, Y.; Hu, N., Some basic aspects of polymer nanocomposites: A critical review. Nano Materials Science 2019, 1 (1), 2-30. 2. Bassyouni, M.; Abdel-Aziz, M.; Zoromba, M. S.; Abdel-Hamid, S.; Drioli, E., A review of polymeric nanocomposite membranes for water purification. Journal of Industrial and Engineering Chemistry 2019, 73, 19-46. 3.Joshi, M.; Chatterjee, U., Polymer nanocomposite: An advanced material for aerospace applications. In Advanced composite materials for aerospace engineering, Elsevier: 2016; pp 241-264. 4. Bratovčić, A.; Odobašić, A.; Ćatić, S.; Šestan, I., Application of polymer nanocomposite materials in food packaging. Croatian journal of food science and technology 2015, 7 (2), 86-94. 5. Shameem, M. M.; Sasikanth, S.; Annamalai, R.; Raman, R. G., A brief review on polymer nanocomposites and its applications. Materials Today: Proceedings 2021, 45, 2536-2539.