Karbon dolgulu sikloolefin kopolimer nanokompozit gaz ayırma membranların hazırlanması

Abstract

Tez çalışması kapsamında, farklı yapıda grafit esaslı nano dolgular ile fiziksel özellikleri bakımından birçok ticari termoplastiklerden üstün özelliklere ve düşük gaz geçirgenliğine sahip yeni nesil poliolefin kopolimerlerden olan sikloolefin kopolimerin (COC) kullanımı ile kompozit yapılı gaz ayırma membranları hazırlanmıştır. Bu amaçla, öncelikle farklı yüzey fonksiyonel gruplara sahip grafit türevleri hazırlanmış ve karakterize edilmiştir. Daha sonra bu dolgular farklı oranlarda kullanılarak eriyik harmanlama yöntemi ile gaz ayırma membranı kullanım amaçlı kompozit yapılı polimer filmler hazırlanmıştır. Hazırlanan filmlerin O2, CO2, N2, CH4 ve H2 tekli gaz geçirgenlikleri ölçülüp, endüstriyel önemi olan gaz çiftleri için seçimlilik özellikleri incelenmiştir.Hammadde, ara-ürün ve nanokompozitlerin yapısal ve fiziksel özellikleri FTIR (Fourier Dönüşüm Infrared Spektroskopisi), XRD (X Işını Kırınım Spektroskopisi), TGA (Termogravimetrik Analiz), SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) ve Temas Açısı Analizi yöntemleri ile incelenmiştir.Yapılan FTIR ve XRD analizleri sonucunda, grafitten modifiye grafitlerin elde edildiği görülmüştür. SEM sonuçlarında ise rGO ve GO-ODA örneklerinde homojen ve nano boyutta bir dağılım görülmüştür. Özellikle GO-ODA örneğinde artan hidrofobikliğe bağlı olarak polimer-dolgu ara yüzey etkileşimleri de artmıştır.Grafit ve türevlerine ait tüm nanokompozit bileşimlerde, artan dolgu miktarına bağlı olarak tüm gaz geçirgenlik değerleri azalmaktadır. En yüksek bariyer etkinin tüm dolgular için, en yüksek dolgu oranı (ağ. % 5) kullanılan dolgu ile sağlandığı tespit edilmiştir. Hazırlanan tüm filmlerde azalan gaz geçirgenlik değerlerine bağlı olarak H2/N2, H2/CO2 ve H2/CH4 ideal gaz seçimliliklerinin saf polimere arttığı hesaplanmıştır. Özellikle nanokompozit membranların H2/CO2 gaz çifti için Robeson üst sınırının üstünde ve literatürde verilen farklı dolgular ile hazırlanan hibrit membranların birçoğundan da daha iyi gaz ayırma performansı gösterdiği belirlenmiştir.

In this thesis, composite-structured gas separation membranes were prepared using several types of graphite based nano fillers with new generation polyolefin copolymers that cyclic olefin copolymer (COC) has properties those are superior compared to commercial thermoplastics in terms of physical properties and lower gas permeability. For this purpose, at first graphite derivatives which have different surface functional groups were prepared and characterized. The modified nano fillers were incorparated in nanocomposite-structured polymer films those were prepared via melt processing method. Single gas( O2, CO2, N2, CH4 andH2) permeability values and ideal gas selectivity performances of membranes were quantified depending on the filler content and structural features of fillers.Structural and physical properties of raw material, graphite derivatives and nanocomposite films were investigated by FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy), XRD (X-Ray Diffraction Spectroscopy), TGA (Thermogravimetric Analysis), Contact Angle and SEM (Scanning Electron Microscopy) methods.At the results of FTIR and XRD analyses, modified graphites are obtained from graphites. At the SEM results, it has been observed a homogeneous and nanosized distribution at rGO and GO-ODA samples. Especially at GO-ODA sample, polymer/filler interface interactions have been increased with increasing hydrophobicity.At the all compositions of graphite and its derivatives, all the gas permeabilities have been decreased with the increasing filler amount. It was detected that the highest barrier impact has been provided with the highest filler amount of % 5. At all the films which had been prepared depending upon decreasing gas permeability, the ideal gas selectivity of H2/N2, H2/CO2 and H2/CH4 have been increased with regard to none filler polymer. Especially for H2/CO2 gas pair of nanocomposite membranes is above the Robeson upper limit and it has defined that it shows better gas seperation performance most of the hybrid membranes which have been prepared with different fillers at literature.