Investigation and control of the static electrification in polypropylene

Abstract

Polimerlerin gündelik hayatta dokunma ve sürtünme sonucu elektriksel yük ile yüklenmeleri sonucu açığa çıkan statik elektriklenme olayı oldukça sık karşılaşılan bir durum olmakla birlikte, bu durum polimerlerin kullanıldığı birçok alanda, örneğin elektronik cihazlarda, tekstil sanayisinde ve uzay endüstrisinde sorun yaratabilmektedir. Bu sebeple, ani elektriksel yük birikmesi ve yük boşalması sonucu ortaya çıkan statik elektriklenmenin mekanizmasını anlamak ve kontrol altına alabilmek uygulamalar açısından son derece önemli bir konudur. Yalıtkan ve büyük ölçekli malzemelerin statik elektriklenmesini anlamaya çalışırken, fiziksel ve morfolojik özellikleri incelemek kritik bir rol oynamaktadır. Öte yandan, fiziksel özellikleri ele alındığında polimerlerin yapısının önem arz ettiği görülmekte olup bu yapısal özellikler ile triboelektriklenme arasındaki ilişki hakkında literatürde çok sınırlı miktarda bilgi yer almaktadır. Bunun nedeni olarak sürtünme elektriklenmesinin aydınlatılması konusunda şu ana kadar önerilen mekanizmaların yapı-özellik ilişkisini genellikle göz ardı etmiş olması gösterilebilir. Bu tez çalışmasında, polimerlerin fiziksel özellikleri ele alındığında önemli bir faktör olan kristallenme üzerinde çalışılarak, farklı muamele teknikleriyle (örneğin, mikrodalga ışıması, mekanik gerilme) değiştirilen kristallik derecesi ile triboelektrik yüklenme (yada yük oluşumu) arasındaki ilişki çalışılmıştır. Yarıkristal özelliğe sahip olan polipropilen (PP) hem ekonomik değerinden dolayı hem de kristallenme derecesinin ısısal işlem sayesinde oldukça farklı değerler alabilmesi nedeni ile seçilmiş ve bu tezde farklı spektroskopik ve mikroskopik teknikler kullanılarak PP in fiziksel özellikleri ve triboelektriklenme özellikleri arasındaki ilişki detaylı bir şekilde ortaya konulmaya çalışılmıştır. Muamele edilmiş ve edilmemiş polipropilende meydana gelen fiziksel ve kimyasal özelliklerindeki değişimleri anlayabilmek için X-ışınlı Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Raman Spektroskopisi, X-ışını Saçılma Difraktometresi (XRD), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), Diferansiyel Tarama Kalorimetresi (DSC) tekniklerinden yararlanılmıştır.Bu çalışmanın ilk bölümünde öncelikle statik elektriklenmenin mekanizması göz önünde bulundurularak elektriklenme olayı ile polimerlerin fiziksel özelliklerini belirleyen en önemli faktörlerden biri olan kristallenme derecesi arasında var olduğu düşünülen ilişkiler belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise, mekanik gerilime maruz kalan bir polipropilen film yüzeyinde elektrik yükü oluştuğu da ilk defa olarak bu çalışmada gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar, yalıtkan malzemelere fiziksel kuvvetler uygulayarak, etkili bir şekilde mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmenin cisimler arasında dokunma olmadan da mümkün olduğunu göstermiştir. Bu olayın sebepleri açıklanmaya çalışılmıştır. Bu çalışmadan elde edilen bilgiler ışığında mekanik enerjiden elektrik enerjisi elde edebilen daha verimli triboelektrik jeneratörlerin tasarlanabileceği düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: fiziksel özellikler, kristallik, polipropilen, statik elektriklenme, triboelektrik yük, triboelektriklenme.

The electrostatic charging of polymers due to friction is such a common phenomenon in daily usage of polymers that can be a problematic issue for various applications, such as in electronic devices, textile, space industry and so on. Hence, understanding and controlling of the mechanism behind the static electrification, which is basically because of the charge accumulation on the material, is an important subject in terms of the applications.In the way to understand static electrification of bulk materials, examining the physical and morphological properties is crucial. On the other hand, when the physical properties are considered, the structure of polymer plays a significant role, yet there is a lack of knowledge in the literature about the relation between these structural properties and triboelectricity. As a reason of this, it can be pointed out that in the proposed mechanisms about the frictional electrification the structure-property relation could not get sufficient attention so far. In this thesis, the crystalline structure of polymer, which plays a crucial role in the determination of physical properties of polymeric materials, was studied and by using different treatment techniques, such as microwave radiation and mechanical stress, and the relation between the degree of crystallinity and triboelectric charging was investigated. Due to its economical cost and heat-sensitive degree of crystallinity that can be changed in a significant way polypropylene (PP) which is a semi-crystalline polymer was used in this study. Hence, by utilizing different spectroscopic and microscopic techniques the relation between physical properties and triboelectrification of polypropylene was investigated in detail. In order to understand the physical and chemical changes taking place in untreated and treated polypropylene X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Raman Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), Differential Scanning Calorimetry (DSC) are the techniques that were employed. In this study, by considering the mechanism behind static electrification the potential link between electrification and degree of crystallinity was designated. Furthermore, the generation of charge on the surface of mechanically treated polypropylene film was observed for the first time by this current work. The results lead to the fact that it is possible to convert mechanical energy into electrical energy without any contact between the objects by introducing physical forces onto the insulating materials and the reasons behind non-contact electrification was investigated. Therefore, in the light of the results obtained from this study, more efficient triboelectric generators can be designed to harvest electrical energy from mechanical energy.Keywords: physical properties, crystallinity, polypropylene, static electrification, triboelectric charging, triboelectrification.