Poli(2-aminofenol) ve kompozitlerinin hazırlanması ve elektriksel ölçümlerinin incelenmesi


Öğrenci: FATMA TUBA ÇOĞALMIŞ

Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Bahire Filiz Şenkal

Eş Danışman: Mustafa Okutan

Özet:

Polianilin ve türevleri diğer iletken polimerlere göre kolay sentezlenebilmeleri, kararlılıkları, tersinir olması, ucuz oluşu ve iyi elektrik iletkenliği açısından önemli elektronik malzemelerdir. Bu polimerler optoelektonik ve mikroelektonik uygulama alanlarında gelecek vaad eden iletken malzemelerdir. Bir polimeri iletken olarak tanımlayabilmemiz için yapısında konjuge çift bağ dediğimiz yapının olması gerekir. Konjugasyonda, karbon atomları arasındaki bağlar birbiri ardı sıra değişen tek ve çift bağlar şeklinde dizilmişlerdir. Her bir bağ kuvvetli bir kimyasal bağ olan sigma bağı içerir. Buna ilaveten her çift bağda daha zayıf ve daha az lokalize olmuş pi bağı vardır. Yeterli derecede yüksek iletkenliği sağlayabilmemiz için konjuge yapı tek başına yeterli değildir. Bu durumda hareketli yük taşıyıcıları denilen dopantları ekleyerek iletkenliğin artmasına katkı sağlayabiliriz. Dopantların görevi malzeme içerisinde elektron ve "hole" lerin sayısını artırmaktır. Doplama işlemiyle polimer yapısına iletkenliği sağlayacak olan elektronlar verilir veya elektronlar alınarak polimer örgüsünde eksi yüklü boşluklar oluşturularak polimere iletkenlik kazandırılır. İletken polimerlerde iletkenlik mekanizmasını bu boşuklar üzerinden açıklanabilir. Eksi yüklü bir boşluğa başka bir yerden atlayan elektron, geldiği yerde eksi yüklü boşluk oluşturur ve işlem zincir boyunca devam ederek elektrik iletilir. Uygulama polimerden elektron alınarak veya verilerek yani yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarıyla polimerin iletkenliğini değiştirmiş olur. İletken polimerlerden biri olan poliasetilen iyot gibi bir halojenle doplandığında yükseltgenirken, poliasetilenin indirgen doplanmasında alkali metaller kullanır. Polianilin için temelde üç farklı yükseltgenme basamağı vardır. Bunlar pernigranilin, lökomeraldin ve emeraldindir. Bu üç temel yapı doping olmamış haliyle yalıtkan formdadır. Polianilinin tamamen yükseltgenmiş haline pernigranilin, yarı yarıya yükseltgenmiş haline emeraldin (emeraldine) ve tamamen indirgenmiş haline ise lökomeraldin (leucoemeraldine) denir. Bu gibi polimerlerde elektron eklenmeden ya da uzaklaştırılmadan protonlama ile doplanabilir. Örneğin, emeraldine bazı yalıtkandır. ve protonlama ile iletken tuzu oluşur. Emeraldine tuzu, lökomeraldin bazının yükseltgenmesiyle de oluşabilir. Polianilinin oluşumu anilinin yükseltgenme reaksiyonudur. Potasyum permanganat (KMnO4), potasyum dikromat (K2Cr2O7), amonyum persülfat (NH4)2S2O8, potasyum iyodat (KI) ve demir (III) klorür (FeCl3) yükseltgen olarak kullanılır. Bu yükseltgen malzemelerin içinde en yaygın olarak kullanılanı amonyum persülfattır. Reaksiyonun ilk basamağı, anilin molekülünün yükseltgenerek radikal katyon oluşturmasıdır. İlk basamakta oluşan radikal katyon hızlı bir şekilde para pozisyonundan büyüyen zincirlerle polimeri oluşturmaktadır. Dielektrik malzemeler elektriği iletmeyen malzemeler olarak tanımlanırlar. Fakat uygulanan elektrik alanın etkisinde, elektron ve atomlar yer değiştirir. Elektrik yüklerinin merkezi simetrilerinde kaymalara ve kutuplaşmalara sebep olur. Elektrik alanın oluşturduğu dipoller, dielektrik malzeme yüzeyinde elektriksel yük birikimleri ile kapasitif etki meydana getirir. Malzemelerin karakterizasyonu için kullanılan yöntemlerden bazıları empedans spektroskopisi ve dielektrik spektroskopisidir. Empedans spektroskopisi yöntemi, malzemelerin yapısal ve kullanılma amaçlarına bağlı olarak hangi elektromanyetik ışımada yer alacağını anlamamıza yardımcı olur. Dielektrik spektroskopisi yöntemi ise, kutuplanabilir özelliği açısından maddenin frekansa bağlı olarak elektronlar, atomlar, iyonlar, dipoller ve kendi ara yüzeysel etkileşimleri hakkında bilgi vermektedir. Maddenin yapısını tanımlayan özellikler, iletkenlik, elektriksel geçirgenlik ve manyetik geçirgenlik gibi parametrelerdir. Dielektriksel özelliklerin çalışılacak frekans aralığına göre çok geniş bir etkileşim spektrumu vardır. Bu aralıkta malzemenin özelliğine bağlı olarak nasıl bir kutuplanma mekanizmasına sahip olduğu anlaşılır. Kutuplanma sonucunda etkileşimler meydana gelmektedir. Dielektriksel açıdan kutuplanmanın anlamı atomik, elektronik, iyonik yapı elemanlarından hangisinin aktıif olduğu ve bunların mertebe değerleri hakkında bilgi içerir. Elektrik alanın etkisiyle uyarılan organik moleküler malzemeler, belirli seviyede uyarılarak kutuplanmayı oluştururlar. Malzemenin kutuplanabilirliğini dielektrik sabiti belirler. Kutuplanma derecesi maddedenin yüzeyinde biriken ve dış elektrik alan etksinde yönlenen dipollerin büyüklüğüne ve yoğunluğuna bağlıdır. Elektrik alan etkisinde dipollerinde belirli bir mesafede yer değiştirmesi ve yönlenmesi dielektrik kutuplanma olarak adlandırılmaktadır. Elektromanyetik ışıma spektrumunun yüksek hız bölgesinde, elektronik ve atomik kutuplanmalar meydana gelmektedir. Yalıtkan malzemelerin tamamında elektonik kutuplanma görülmektedir. 10-13-10-15 saniye gibi çok küçük bir zaman içinde oluşmaktadır. Dipol momentlerin büyüklüğüne bağlı olarak dipol kutuplanmanın ortaya çıkması için 10-4-10-7 saniye yeterlidir. İyonik kutuplanma ise 10-12-10-14 saniyede oluşmaktadır. Elektronik kutuplanma, pozitif yüklü atomu çevreleyen negatif yüklü elektron bulutlarından oluşur. Elektronların yörüngesel değişimiyle birlikte kutuplanma meydana gelir. Atomik ve iyonik düzeylerde elektronik kutuplanma etkindir. Bu sebeple dielektrik özellik gösteren tüm malzemelerde bu kutuplanma gözlenir. Zıt yüklü iki iyon hazır bulunmasına rağmen, moleküllerdeki elektron dağılımı simetrik değildir. Dış alanın uygulanmasıyla birlikte bu iyonların yörüngelerinden sapmalarıyla indüklenmiş dipol moment oluşur. Bu olay atomik kutuplanma olarak adlandırılır. Bu çalışmada ilk olarak (2-aminofenol) farklı asitlerin (HCl, HBr, borik asit, sitrik asit, asetik asit ve formik asit) varlığında sentezlenmiştir. Başlatıcı olarak amonyum persülfat kullanılmıştır. Elde edilen polimerlerin FT-IR (Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi) ve UV-Visible (Görünür Morötesi Spektroskopisi) gibi spektroskopik yöntemlerle karakterizasyonu yapılmıştır. Bununla birlikte elektriksel ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Doplu ve dopsuz poli(2-aminofenol) örneklerinin frekansa bağlı olarak dielektrik sabiti ve empedans özellikleri araştırılmıştır. SEM (Taramalı Elektron Mikroskopu) aracılığıyla malzemelerin morfolojik özellikleri incelenmiştir. Buna ek olarak 2-aminofenol farklı ağırlık yüzdelerine sahip kompozit malzemelerle polimerleştirilmiştir. Kompozitler iki veya daha fazla yapısal bileşenden oluşan malzeme türleridir. Buradaki en önemli faktör bu bileşenlerin fiziksel ve kimyasal açıdan birbirinden belirgin şekilde farklı olmasıdır. Oluşan malzeme kendini meydana getiren bileşenlerden farklıdır. Kompozitler malzemeye alev geciktiriciliği, düşük maliyet olanağı, kolay sentezlenebilme gibi özellikler kazandırması sebebiyle tercih edilir.Kompozitler yeni polimer sentezi gerektirmeksizin polimerler özelliklerinin geliştirilmesini sağlaması açısından avantajlı malzemelerdir. Polianilin yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olması, ucuz maliyeti ve doping karakteristik özelliği açısından pek çok avantaja sahiptir. Bunların yanında çözünürlüğünün, mekaniksel özelliklerinin ve reaksiyona girme özelliğinin zayıf olması gibi dezavantajları da vardır. Polianilinin çözünebilir ve reaksiyon sürecine daha kolay girebilmesini sağlamak amacıyla, bu polimer diğer kimyasal maddelerle karıştırılır veya ticari polimerlerle polianilinin reaksiyonundan iletken kompozitler elde edilir. Bu sayede polianilin pillerde, elektronik aletlerde, korozyon önleyici olarak ve sensör yapımında kullanılabilir. Bu tezde, 2-aminofenol inorgarnik malzemeler olan baryum titanat, nano kil ve bor nitritin %1, %2, %5 gibi farklı ağırlık yüzdeleriyle formik asit varlığında polimerleştirilmiştir. Baryum titanat ilk geliştirilen sentetik piezoelektrik malzemedir. Yüksek dielektrik ve polarizasyon sabiti, nem dayanımı ve düşük dielektrik kayıp özelliği sayesinde otomotiv sektöründe ve kapasitörlerde kullanılır. Çalışmada, farklı oranlardaki baryum titanat katkılı polimerlerin elektriksel ölçümleri empedans spektroskopisiyle incelenmiştir. Nano kil katkılı kompozitlerde kilin fonksiyonel grup içeren polimerlerle atomik seviyedeki birleşmiyle önemli inorganik-organik yapıdaki malzeme çesidi ortaya çıkmaktadır. Şekli ve özelliklerine bağlı olarak seramik, dekoratif ve endüstriyel ürünler gibi çok çeşitli alanlarda kullanılır. İyi şişme davranışlarından ötürü polimer-kil nanokompozitleri sentezlemek için yaygın olarak tercih edilir. 2-aminofenol'un formik asidin dopant olarak kullanılmasıyla %1, %2, ve %5 ağırlığındaki nano killerle oksidatif polimerizasyonu yapıldı ve oluşan malzemelerin elektriksel ölçümleri incelenmiştir. Bor nitrit elektriksel, mekanik ve termal özellikleri sebebiyle ilgi çekici bir seramik malzemedir. Bor nitrit yüzey kaplamalarında korozyon önleyici olarak kullanılır. Ayrıca, yüksek dielektrik güç, düşük dielektrik sabiti gibi özellikleriyle elektronik endüstrisinde tercih edilen bir malzemedir. Diğer kompozitler gibi bor nitrit kompozitleri farklı ağırlık yüzdelerinde (%1, %2 ve %5), dopant olarak formik asidin kullanılmasıyla birlikte 2-aminofenol'un polimerizasyonu sonucu elde edilmiş ve elektriksel ölçümleri hesaplanmıştır.