İmalat yöntemlerine geçmeden önce, temel bir zorluğu anlamak gerekir: aglomerasyon. Karbon nanotüpler, yüksek yüzey alanları ve aralarındaki güçlü Van der Waals çekim kuvvetleri nedeniyle bir araya gelerek topaklanma (aglomera oluşturma) eğilimindedir. Eğer CNT'ler matris içinde homojen bir şekilde dağılmazsa, bu topaklanmış bölgeler malzemenin içinde kusur noktaları oluşturarak performansı artırmak yerine düşürebilir. Bu nedenle, tüm imalat yöntemlerinin temel amacı, bu topaklanmayı kırarak nanotüpleri tek tek matris içine dağıtmaktır.
Bu, en yaygın ve iyi araştırılmış yöntemlerden biridir. Süreç temel olarak üç adımdan oluşur:
Dispersiyon: CNT'ler, uygun bir solvent (çözücü) içinde, genellikle ultrasonikasyon (yüksek frekanslı ses dalgaları), bilyalı öğütme veya yüksek kesmeli karıştırıcılar kullanılarak dağıtılır.
Karıştırma: Polimer, ya katı halde ya da başka bir solvent içinde çözülerek CNT dispersiyonuna eklenir ve homojen bir karışım elde edilene kadar karıştırılır.
Solventin Uzaklaştırılması: Karışım kalıplandıktan sonra, solvent buharlaştırma veya vakum altında kurutma gibi yöntemlerle yapıdan tamamen uzaklaştırılır.
Avantajları:
Düşük CNT konsantrasyonlarında oldukça iyi bir dispersiyon kalitesi sağlar.
Laboratuvar ölçeğinde uygulaması ve kontrolü kolaydır.
Farklı polimer ve CNT türleri için esneklik sunar.
Dezavantajları:
Endüstriyel ölçekte uygulanması zor ve maliyetlidir.
Solventlerin tamamen uzaklaştırılmaması kompozit içinde boşluklara neden olabilir.
Kullanılan agresif solventler çevre ve sağlık açısından riskler taşıyabilir.
Süreç, CNT'lerin yapısına bir miktar zarar verebilir.
Bu yöntem, termoplastik polimerler için endüstriyel olarak en uygun ve yaygın kullanılan tekniktir. Süreç, solvent kullanımını ortadan kaldırır.
Eritme: Termoplastik polimer, erime sıcaklığının üzerine ısıtılır.
Karıştırma: CNT tozu, erimiş haldeki polimere eklenir ve çift vidalı ekstrüderler veya iç karıştırıcılar gibi ekipmanlarla yüksek kesme kuvvetleri altında karıştırılır. Bu mekanik kuvvetler, CNT topaklarını kırarak matris içinde dağılmalarını sağlar.
Avantajları:
Solvent içermediği için çevre dostu ve daha güvenlidir.
Enjeksiyon kalıplama gibi standart endüstriyel üretim teknikleriyle uyumludur.
Büyük ölçekli üretim için hızlı ve ekonomiktir.
Dezavantajları:
Yüksek polimer viskozitesi nedeniyle homojen bir dispersiyon elde etmek zordur.
Uygulanan yüksek kesme kuvvetleri, CNT'lerin uzunluğuna zarar verebilir ve özelliklerini zayıflatabilir.
Termoset polimerler için uygun değildir.
Bu, kimyasal bir yaklaşım sunan en gelişmiş yöntemlerden biridir. Bu teknikte CNT'ler, polimerin kendisiyle birlikte "büyütülür".
Fonksiyonelleştirme: CNT'lerin yüzeyi, polimerizasyon reaksiyonunu başlatabilecek fonksiyonel gruplarla kimyasal olarak modifiye edilir.
Polimerizasyon: Fonksiyonelleştirilmiş CNT'ler, monomerlerle (polimerin yapı taşları) karıştırılır. Polimerizasyon reaksiyonu doğrudan CNT yüzeyinden başlayarak ilerler. Bu sayede polimer zincirleri, nanotüplere kimyasal olarak (kovalent bağ ile) bağlanmış olur.
Avantajları:
Mümkün olan en iyi dispersiyon seviyesini sağlar.
CNT ve matris arasında çok güçlü bir arayüzey bağı oluşturarak yük transferini maksimize eder.
Aglomerasyon sorununu temelden çözer.
Dezavantajları:
Karmaşık kimyasal süreçler gerektirir ve maliyetli olabilir.
CNT'lerin yüzeyinde yapılan kimyasal modifikasyonlar, onların doğal elektriksel ve mekanik özelliklerini bir miktar değiştirebilir.
Her polimer sistemi için uygun değildir.
Sonuç olarak, mükemmel bir "tek yöntem" yoktur. İmalat yönteminin seçimi; polimerin türü, hedeflenen performans özellikleri, üretim hacmi ve maliyet gibi birçok faktöre bağlıdır. Solüsyon karıştırma temel araştırmalar için esneklik sunarken, eriyik karıştırma endüstriyel üretimin bel kemiğidir. En üst düzey performans hedeflendiğinde ise yerinde polimerizasyon gibi kimyasal yöntemler öne çıkmaktadır. Nanoteknolojideki gelişmelerle birlikte, bu yöntemlerin verimliliğini artıran ve hibrit yaklaşımlar sunan yeni tekniklerin ortaya çıkması kaçınılmazdır.
