Kauçuk malzemelerin nano boyutlu dolgu maddeleriyle güçlendirilmesi, son yıllarda hem akademik araştırmalarda hem de endüstriyel uygulamalarda büyük ilgi görmektedir. Geleneksel olarak kauçuk teknolojisinde karbon siyahı gibi mikro/nano boyutlu dolgular kullanılarak lastik ve benzeri ürünlerin mukavemeti artırılmış, örneğin karbon siyahı kauçuk bileşiklerinde aşınma direncini on katına kadar çıkarabilmektedir?
. Günümüzde ise karbon nanotüp, grafen, nano-silika ve nanokil (ör. montmorillonit) gibi yeni nesil nanomalzemeler kauçuk matrislerde takviye edici olarak kullanılarak daha üstün mekanik, termal ve elektriksel özellikler elde etmek amaçlanmaktadır?
?
. Bu raporda, kauçuk teknolojisinde kullanılan başlıca nanomalzemeler, bu malzemelerin kauçuk özelliklerine etkileri, literatürdeki güncel gelişmeler ve farklı endüstrilerdeki uygulama örnekleri ele alınmaktadır.
Karbon nanotüpler, tek veya çok katmanlı grafit yapraklarının tüp şeklinde kıvrılmasıyla oluşan silindirik nanoyapılardır. Çapları nanometre boyutunda, uzunlukları ise mikrometreler mertebesinde olduğundan son derece yüksek şekil faktörüne (aspect ratio) sahiptirler. Bu çubuk şeklindeki anisotropik yapı sayesinde, kauçuk matrise eklendiklerinde düşük yükleme oranlarında dahi birbirine temas eden bir ağ yapısı oluşturabilir ve gerilme yönünde hizalanabilirler?
. Sonuç olarak CNT’ler kauçuğa çok etkili mekanik güçlendirme sağlar ve elektriksel iletkenlik kazandırabilir?
. Örneğin, karbon nanotüp dolgulu doğal kauçuk nanokompozitlerde, sadece %1 gibi düşük oranlarda CNT eklenmesiyle bile belirgin sertlik artışı ve elektriksel iletkenlik elde edilebilir?
. Karbon nanotüplerin bu başarıyla kullanılabilmesi için kauçuk içinde iyi dağıtılmaları kritiktir; ancak yüksek yüzey enerjileri nedeniyle tüpler arası Van der Waals etkileşimleri güçlü olduğundan aglomerasyon (topaklanma) eğilimleri vardır?
. Bu nedenle, CNT’lerin dispersiyonunu iyileştirmek için ultrasonik karıştırma, yüzey düzenleyici kimyasallar veya önceden masterbatch hazırlama gibi yöntemler kullanılmaktadır?
. CNT’ler doğru şekilde dağıtılıp yönlendirildiğinde kauçuk bileşiklerde hem yüksek mukavemet artışı hem de elektriksel iletkenlik elde etmek mümkün olmaktadır.
Grafen, tek atom kalınlığında bal peteği örgüsünde düzenlenmiş karbon atomlarından oluşan iki boyutlu bir nanomalzemedir. Grafitin tek tabakası olarak da tanımlanan grafen, şimdiye kadar keşfedilmiş en yüksek çekme mukavemeti ve elastik modüle sahip malzemelerden biridir. Ayrıca son derece yüksek termal ve elektriksel iletkenlik göstermektedir?
. Grafen, kauçuk matrislere eklendiğinde potansiyel olarak çok güçlü bir takviye etkisi yaratabilir; zira bir tek grafen tabakasının kauçuğa kazandırabileceği mukavemet, diğer dolgulardan çok daha yüksektir?
. Teorik olarak grafen ile takviye edilmiş kauçuk nanokompozitlerin, tam dağılım sağlandığı takdirde, karbon nanotüp veya kil takviyeli olanlardan daha üstün özellikler göstermesi beklenmektedir?
. Uygulamada grafenin genellikle grafit oksidin eksfoliasyonu ve indirgenmesi ile elde edilen birkaç tabakalı yığınlar veya nanoplateletler formunda kullanıldığı görülür?
. Grafenin hidrofobik yapısı ve fonksiyonel gruplardan yoksun oluşu, kauçuk içinde disperse edilmesini zorlaştırmakta ve tabakaların birbirine tekrar yığılması (restacking) eğilimi göstermesine yol açmaktadır?
. Bunu önlemek için grafen yüzeyinin oksidasyonla işlevselleştirilmesi (grafen oksit üretimi) veya kimyasal olarak kenar/grup ekleme, sonikasyonla dağıtma gibi yöntemler kullanılmaktadır?
. Ayrıca grafeni diğer nanodolgularla hibrit olarak kullanmak da dispersiyonu iyileştirmede etkilidir; örneğin grafen-CNT, grafen-nanofiber gibi ikili dolgu sistemlerinde her iki dolgunun dağılması kolaylaşır ve sinerjik takviye etkileri görülebilir?
. Grafen takviyeli kauçuklar, üstün mukavemetleri ve iletkenlik özellikleri nedeniyle tıbbi cihazlardan elektronik bileşenlere, lastik sanayiine kadar geniş bir uygulama alanı için umut vaat etmektedir?
.
Silika (SiO²) dolgu, kauçuk sanayiinde özellikle lastik sırt karışımlarında karbon siyahına alternatif veya birlikte kullanılan önemli bir takviye edicidir. Nano-silika terimi genellikle çökelti silikası veya duman silikası (fumed silica) gibi ortalama parçacık boyutu onlarca nanometre mertebesindeki silika formlarını kapsar. Saf silika parçacıkları kauçukla zayıf etkileşir ve bir arada toplanma eğilimindedir; bu nedenle lastik teknolojisinde silikanın silan bağlayıcılar ile kullanılması gelişimi kritik bir adımdır?
?
. 1990’lı yıllarda Michelin tarafından geliştirilen “yeşil lastik” teknolojisinde, silika dolgu ile birlikte bifonksiyonel silan ajanları kullanılarak kauçuk-silika arayüz bağı güçlendirilmiş ve mükemmel dağılım sağlanmıştır?
. Böylece lastik sırtında karbon siyaha kıyasla daha düşük enerji kaybı ile çalışan (yuvarlanma direnci düşük), ıslak zeminde tutunması iyi ve uzun ömürlü bir bileşik elde edilmiştir?
. Silikanın küresel veya sferik morfolojide nano parçacıklar halinde kauçuğa eklenmesi, uygun karıştırma yöntemleri (ör. in-situ sol-jel sentezi) ile yapıldığında oldukça homojen bir dağılım sağlayabilir?
. Tek başına silika parçacıkları izotropik bir yapıda olduğundan, aynı yüklemedeki çubuk veya tabaka şeklindeki dolgulardan (CNT, grafen, kil) biraz daha düşük takviye etkinliği gösterebilirler?
. Bununla birlikte, silika dolgusu kauçuğun sertlik, kopma mukavemeti ve yırtılma direnci gibi özelliklerini belirgin şekilde geliştirir ve uygun kimyasal bağlayıcılarla kullanıldığında verimli bir takviye malzemesidir?
. Silika ayrıca “beyaz dolgu” olarak adlandırılan, elektriksel olarak yalıtkan yapıda bir malzeme olup kauçuğun iletkenlik özelliğini etkilemez.
Nanokil terimi, kil mineralinin nanometre ölçeğindeki katmanlı yapısını ifade eder ve genellikle montmorillonit (MMT) gibi organik modifiye edilmiş tabakalı silikatları kapsar. Nanokiller, birbirine van der Waals kuvvetleriyle zayıfçe bağlı, birkaç nanometre kalınlığında ve yüzlerce nanometre genişliğinde tabakaların yığınından oluşur?
. Bu iki boyutlu yaprakların eksfoliye olarak ayrıştırılması, kauçuk matris içinde çok büyük bir yüzey alanı ve arayüz sağlayarak düşük dolgu yüklemelerinde dahi güçlü bir takviye potansiyeli sunar?
. Literatürde nanokillerin elastomerlerde takviye edici olarak geniş çapta araştırıldığı, tam eksfoliasyon sağlanamasa bile çoğu çalışmada mekanik özelliklerde önemli iyileşmeler gözlendiği belirtilmektedir?
. Tabakalar kauçuk içinde dağıldığında, malzeme içine nüfuz eden moleküllere karşı tortuöz bir difüzyon yolu yaratarak bariyer özelliklerini de çarpıcı biçimde artırırlar?
. Bu sayede, nanokil katkılı kauçuklar gaz ve sıvı geçirimliliğine karşı daha dirençli hale gelebilir (örneğin lastik iç astarında hava geçirgenliğini azaltmak için kullanılabilir). Nanokillerin kauçukla uyumunu arttırmak için kil yüzeyinin organik iyonlarla değiştirilmesi yaygındır; alkil amonyum iyonları ile modifiye edilmiş organofilik killer, hidrofobik kauçuk matrisiyle daha iyi etkileşir ve katmanlar arası mesafe artarak polimer zincirlerinin araya girmesi kolaylaşır?
. Nanokil/kauçuk nanokompozitleri çözelti karıştırma, ergimiş halde karıştırma veya lateks karışımı gibi yöntemlerle hazırlanabilir?
. Elde edilen yapıda kil tabakalarının tamamen ayrılması (eksfoliye) zor olsa da, kısmen aralanmış (interkale) ve dağıtılmış kil bile kauçuğun başlangıç modülünü yükseltmekte ve kopma davranışını iyileştirmektedir?
. Ayrıca kil tabakalarının doğrultulu yerleşimi, gerilme altında polimer zincirlerinin hizalanmasını destekleyerek mukavemete katkı sağlar?
. Nanokil takviyesi genel olarak kauçuklarda mekanik dayanım ve bariyer performansını artıran, ancak elektriksel iletkenlik kazandırmayan (yalıtkan) bir nano dolgu olarak önem kazanmıştır.
Yukarıda belirtilenlerin yanı sıra, kauçuk teknolojisinde araştırılan diğer nano boyutlu katkılar da mevcuttur. Nano elyaflar (örneğin nanoselüloz kristalleri, aramid nanofiberleri), nanometrik metal oksitler (ZnO, TiO² gibi) ve nanodiamond gibi karbon nanoyapıları bunlara örnek verilebilir. Örneğin, nanoselüloz kristalleri uygun yüzey modifikasyonları ile kauçuk matrisine eklenerek takviye edici olarak kullanılabilmekte ve ıslak zemin performansı ile aşınma direnci yüksek lastik sırtı malzemeleri geliştirmek üzere patent çalışmalarına konu olmaktadır?
. Bu tür alternatif nanomalzemeler, daha sürdürülebilir veya daha hafif takviye çözümleri sunmak amacıyla araştırılmaktadır. Ancak güncel literatürde en yaygın ve etkin bulunan nano katkılar, karbon nanotüp, grafen, silika ve nanokil gibi önceki alt başlıklarda detaylandırılan malzemelerdir.
Nanomalzeme katkılı kauçuklar (kauçuk nanokompozitleri), doldurulmamış (saf) kauçuklara kıyasla çeşitli özelliklerde belirgin iyileşmeler sergiler. Elde edilen kazanımlar büyük ölçüde kullanılan dolgu malzemesinin tipine, parçacık boyutu ve şekline, yüzey kimyasına ve kauçuk matris ile etkileşimine bağlıdır. Aşağıda, nano dolguların kauçuk özelliklerine etkileri ana başlıklar halinde incelenmiştir.
Nanodoldulmuş kauçukların en belirgin avantajlarından biri, mekanik dayanımın artmasıdır. Yüksek sertliğe sahip nano dolgular, esnek kauçuk matrisi içinde stres altında yük taşırlar ve uygulanan gerilmenin bir kısmını üstlenerek bileşiğin mukavemetini yükseltirler?
?
. Örneğin, karbon nanotüpler çok düşük oranlarda eklendiğinde dahi kauçuğun elastik modülünü önemli ölçüde artırabilir; doğal kauçukta %1’den az CNT ilavesiyle bile kayda değer sertlik artışları rapor edilmiştir?
?
. Benzer şekilde grafen ve grafen oksit takviyesi, kopma mukavemeti (tensile strength) ve yırtılma direnci gibi özellikleri dramatik biçimde iyileştirebilir. Yapılan çalışmalarda, yalnızca %0.5 oranında grafen ilavesinin dahi doğal kauçuğun çekme mukavemetini belirgin şekilde artırdığı gözlemlenmiştir?
. Hatta fonksiyonelleştirilmiş grafen oksit ile kuvvetlendirilmiş nanokompozitlerde %2 civarı dolgu yüklemesiyle çekme mukavemetinde %40’ı, 300% uzamadaki modülde %100’ü aşan artışlar elde edilmiştir?
. Nanokil gibi tabakalı dolgular da kauçuğun başlangıç modülünü (sertliğini) yükseltmekte etkilidir; eksfoliye olmuş kil nanoplateletleri yüksek yüzey etkileşimi sayesinde düşük oranlarda dahi kauçuğun gerilme altında direncini artırır?
. Özetle, nanomalzemeler kauçuk kompozitlerin çekme mukavemeti, elastik modülü ve yırtılma dayanımı gibi mekanik özelliklerini önemli ölçüde geliştirir. Bununla birlikte, takviye edici dolgunun aşırı yüksek yüklemelerinde veya kötü dağıldığı durumlarda, malzeme gevrekleşebilir ve kopma uzaması düşebilir. Örneğin, karbon nanotüp oranı belli bir eşiği aştığında (yaklaşık %5 ve üstü), nanotüpler arası topaklanma nedeniyle kompozitin mukavemeti azalmaya ve kırılganlık artmaya başlayabilir?
. Bu nedenle optimum dolgu miktarının belirlenmesi ve dolgunun iyi dispersiyonunun sağlanması, en yüksek mekanik performansı elde etmek için kritiktir?
.
Kauçuk ürünlerin kullanımı sırasında maruz kaldıkları aşınma (sürtünme ile malzeme kaybı) ve yıpranma, özellikle lastik, kayış, conta gibi uygulamalarda önemli bir performans kriteridir. Nanodolgular, kauçukların aşınma direncini artırarak hizmet ömrünü uzatır. Karbon siyahı dolgusunun klasik olarak lastik sırtında aşınma ömrünü katbekat artırdığı bilinmektedir?
. Benzer şekilde, nano-silika ve grafen gibi dolgular da kauçuğun yüzey sertliğini ve yırtılma tokluğunu artırdıkları için sürtünme ile malzeme kaybını azaltırlar. Silika ile güçlendirilmiş lastik bileşikleri, uygun bağlayıcılarla takviye edildiğinde, hem düşük yuvarlanma direnci hem de yüksek aşınma ömrü sunarak “yeşil lastik” kavramını mümkün kılmıştır?
. Silika katkısının kauçuğun yırtılma direncini belirgin şekilde iyileştirdiği, dolayısıyla sert çalışma koşullarında bile daha az çatlak ve aşınma hasarı gözlemlendiği raporlanmıştır?
. Grafen takviyesi de lastik ve benzeri uygulamalarda aşınma performansını yükseltmektedir. Grafen ile güçlendirilmiş kauçuklar, yüksek mukavemetleri sayesinde sürtünme altında malzeme kaybını minimize eder ve lastiklerde daha uzun ömür (uzamış diş aşınma süresi) sağlar?
. Nitekim, grafen takviyeli otomobil lastiklerinin daha iyi aşınma direnci ve kesilme dayanımı sunabildiği belirtilmektedir?
. Laboratuvar ölçeğinde, nanoselüloz gibi yenilikçi nanofiber katkılarının dahi lastik sırtlarında aşınma ve yol tutuş performansını artırdığı gösterilmiştir?
. Özetle, uygun nanomalzemelerle takviye edilen kauçuk bileşimler, aşınmaya karşı daha dayanıklı hale gelerek özellikle lastik ve endüstriyel ürünlerin hizmet ömrünü uzatmaktadır.
Nanodolguların kauçuklara kazandırdığı bir diğer fayda, ısı birikimi ve termal kararlılık konularındadır. Saf kauçuklar tekrarlanan deformasyon altında iç ısı biriktirip yapısal bozulmalara uğrayabilirken, termal olarak iletken veya ısıl kararlılığı yüksek nanomalzemeler bu durumu iyileştirebilir. Örneğin, karbon nanotüp ve grafen gibi karbon bazlı nanomalzemeler son derece yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Kauçuk içinde iyi bir ağ oluşturduklarında, oluşan ısıyı malzeme içinde yayarak sıcaklık birikimini azaltabilirler. Lastik uygulamalarında, iletken karbon nanotüp katkısının yanak bileşiğinde kullanılmasıyla daha az ısı birikimi (düşük ısı jenerasyonu) gözlemlendiği ve bunun dolaylı olarak lastiğin dayanıklılığını arttırdığı bildirilmiştir?
. Grafen için de benzer şekilde, kauçuk matrisine küçük miktarda eklense bile termal iletkenlikte artış sağlayıp malzemenin ısıl dağılım kapasitesini iyileştirebildiği belirtilmektedir?
. Bunun yanında bazı nanomalzemeler kauçuk bileşiklerin termal yaşlanma direncini de artırır. Grafen, yapısındaki aromatik yapı nedeniyle serbest radikalleri tutabilen bir malzemedir; bu sayede kauçuğun ısı ve oksijen etkisiyle yaşlanmasını yavaşlatabilir?
. Nitekim grafen katkısının kauçukta zincir kesilmesi veya termal oksidatif bozunma süreçlerini yavaşlatarak daha yüksek termal direnç sağladığı rapor edilmiştir?
. Nanokil gibi inorganik tabakalı dolgular ise yanma sırasında seramik bir bariyer tabaka oluşturarak kauçuk malzemenin alev yayılımını geciktirebilir; grafen ve nano-silikada da belirli koşullarda alev geciktirici etki gözlenmiştir?
. Sonuç olarak, uygun nanodolu kauçuklar, hem çalışma sırasında daha az ısınma hem de yüksek sıcaklıklara karşı daha iyi dayanım sergileyerek termal kararlılık konusunda avantaj sağlamaktadır.
Kauçuklar normalde elektriksel olarak yalıtkan malzemelerdir; ancak karbon nanomalzemelerin katkılanmasıyla iletken veya yarı-iletken özellik kazanmaları mümkün olur. Karbon nanotüpler ve grafen, kauçuk içinde birbirine temas eden bir ağ oluşturduklarında elektron iletimine izin vererek kompoziti iletken hale getirirler. Bu malzemelerin yüksek iletkenlik sağlaması için gereken kritik konsantrasyon, geleneksel karbon siyahına kıyasla çok daha düşüktür?
. Literatürde, CNT veya grafen katkılı kauçuklarda %1 veya daha altı dolgu oranlarında iletkenlik eşiğinin aşıldığı ve malzemenin elektrik akımını iletmeye başladığı gösterilmiştir?
. Oysa benzer iletkenlik seviyeleri elde etmek için karbon siyahı ile genellikle %15-30 gibi çok daha yüksek yüklemeler gerekebilmekteydi. Nanotüp ve grafen dolgu, düşük oranlarda kullanıldığında kauçuğun elastikiyetine fazla zarar vermeden istenen antistatik veya iletkenlik özelliğini sağlar. Örneğin, sadece %0.5 grafen içeren bir nitril kauçuk karışımının elektriksel direncinin keskin biçimde düştüğü rapor edilmiştir (iletkene dönüştüğü gözlemlenmiştir). Bu alandaki ilginç yaklaşımlardan biri, hibrid dolgu kullanımı ile hem mekanik hem elektriksel özellikleri aynı anda optimize etmektir. Örneğin, kauçuk formülasyonuna büyük oranda silika (yüke dayanım ve aşınma için) eklenirken, buna ek olarak küçük bir oranda CNT ilavesi yapılarak kompozite elektriksel iletkenlik kazandırılabilmektedir?
. Silika ile yalıtkan olan bir lastik bileşiği, az miktarda CNT sayesinde artık statik elektriği deşarj edebilen veya sensör amaçlı sinyal iletebilen bir malzemeye dönüşebilir?
. Bu sayede her iki dolgunun avantajından yararlanılarak dengeli özelliklere sahip nanokompozitler geliştirilmektedir. Sonuç olarak, nanomalzemeler kauçuklara iletkenlik kazandırarak antistatik bantlar, EMI kalkanlayıcı contalar veya esnek elektronik sensörler gibi uygulamaları mümkün kılar hale getirmiştir.
Aşağıdaki tabloda yaygın kullanılan bazı nanomalzemelerin kauçuk özelliklerine etkileri özetlenmiştir:
| Nanomalzeme | Kauçuğa Başlıca Katkıları (Literatür Bulguları) |
|---|---|
| Karbon Nanotüpler (CNT) | Mekanik: Yüksek çekme mukavemeti ve modül artışı (düşük yüklemelerde belirgin takviye)?
. Küçük oranlarda dahi (> %0.5) sertliği artırır; ancak >~%5 gibi yüksek dozlarda topaklanma nedeniyle kopma uzamasını düşürebilir?
. Elektriksel: İletken bir ağ oluşturarak düşük eşiğinde elektriksel iletkenlik kazandırır? . Termal: Isı iletimini artırarak ısınmayı azaltır; modifiye CNT’ler lastikte ısı birikimini düşürmüştür? . |
| Grafen | Mekanik: Çok yüksek mukavemet; %0.5–1 yüklemede dahi çekme dayanımında ~%50 iyileşme rapor edilmiştir?
?
. Katman yapısıyla modül ve yırtılma direncini artırır. Elektriksel: İletkenlik sağlar (CNT’ye benzer düşük perkolasyon eşiği)? . Termal: Yüksek ısıl iletkenlik; kauçuğun ısı direncini ve yaşlanma dayanımını artırır (radikal tutucu etkisi)? . Bariyer: Eksfoliye grafen tabakaları gaz ve sıvı geçişine karşı tortuöz yol oluşturarak bariyeri yükseltir? . |
| Nano Silika | Mekanik: Elastik modülü ve yırtılma direncini artırır?
. Silan ile bağlandığında lastiklerde %20+ daha düşük yuvarlanma direnci ile aynı mukavemet elde edilmiştir?
?
. Aşınma: Aşınma ömrünü ve yol tutuşu geliştirir; silika-silan dolgulu lastikler uzun ömür ve düşük yakıt tüketimi sunar? . Elektriksel: Yalıtkan yapıdadır, iletkenlik sağlamaz. Bariyer: Yüksek dolgu oranlarında difüzyon yolunu uzatarak gaz bariyerini bir miktar iyileştirir. |
| Nanokil (MMT) | Mekanik: Başlangıç modülünü ve mukavemeti iyileştirir; eksfoliye olmuş kil düşük oranda bile sertliği yükseltir?
. Aşınma: Yüksek sertlik ve mukavemet sayesinde aşınma direnci kısmen artar (ancak kilin esas katkısı bariyerdedir). Termal: Termal kararlılığı artırır; yanmada koruyucu seramik tabaka bırakıp alev yayılımını yavaşlatabilir. Bariyer: Gaz ve sıvı geçirimini belirgin azaltır; nanokil katkılı kauçuklarda gaz difüzyonu tortuöz yol izler? . Elektriksel iletkenlik sağlamaz (yalıtkan). |
Kauçuk nanokompozitleri alanında son yıllarda araştırmalar hız kazanmış ve önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Başlıca güncel odak konuları ve gelişmeler aşağıda özetlenmiştir:
Dispersiyon ve Yüzey Modifikasyonu: Nanomalzemelerin kauçuk içinde homojen dağılımını sağlamak, maksimum takviye etkisi için kritik bir konudur. Güncel çalışmalar, karbon nanotüp ve grafen gibi dolguların aglomerasyonunu önlemek amacıyla ultrasonik karıştırma, latex’te ön-dağıtma ve yüzey fonksiyonelleştirme tekniklerine yoğunlaşmıştır?
? . Örneğin, bir çalışmada karbon nanotüpler fenol grupları ile fonksiyonelleştirilerek doğal kauçuğa katılmış ve aynı yükleme düzeyinde fonksiyonelleştirilmemiş CNT’lere kıyasla daha yüksek mukavemet ve uzama elde edilmiştir? . Benzer şekilde grafen oksit yüzeyine lastik benzeri polimer zincirleri (ör. sıvı polibütadien) bağlanarak, doğal kauçuk matrisinde üstün dağılım ve arayüz aderansı sağlanmış; bunun sonucunda nanokompozitin çekme ve yırtılma dayanımlarında %80’e varan iyileşmeler rapor edilmiştir? . Bu tür yüzey modifikasyon teknikleri, literatürde nanomalzeme takviyesinin etkinliğini artırmak için önemli bir gelişme olarak vurgulanmaktadır.
Hibrit Dolgu Sistemleri: İki veya daha fazla nanodoldunun birlikte kullanılması, son dönemde dikkat çeken bir diğer yaklaşımdır. Hibrit nanokompozitlerde amaç, farklı morfoloji ve özellikteki dolguların sinerjik etkilerinden yararlanarak daha dengeli ve üstün performanslı kauçuklar üretmektir. Örneğin, karbon nanotüp ile grafenin birlikte kullanımı, tek başına kullanımda görülen dağılım problemlerini azaltabilir ve her ikisinin mekanik iletkenlik avantajlarını birleştirir?
. Nitekim, hibrit MWCNT–grafen takviyeli doğal kauçuklarda, sadece grafen doldulu veya sadece CNT dolgulu örneklere kıyasla daha yüksek mukavemet elde edilmiştir? . Bir diğer yaklaşım, CNT–silika hibriti olup, ticari lastik bileşiklerinde silika yanında düşük oranda CNT eklenerek malzemenin iletken hale getirilmesi ve güçlendirme etkisinin artması hedeflenmiştir? . Bu sayede lastik sırtı gibi kritik bileşenlerde hem aşınma ve enerji verimliliği (silika katkısıyla) hem de iletkenlik veya sensör yeteneği (CNT katkısıyla) tek seferde iyileştirilebilmektedir. Literatürde kil-CNT, kil-grafit oksit gibi başka hibrit sistemlerin de incelendiği ve genellikle tekil dolgulara kıyasla daha iyi performans raporlandığı görülmektedir? .
Yeni Nanomalzeme Türleri: Araştırmacılar mevcut yaygın dolguların yanında yeni nanoyapıları da kauçuk takviyesi için denemektedir. Örneğin, nano-selüloz ve nano-kristalin selüloz türevleri, hafif ve çevreci bir takviye seçeneği olarak son yıllarda değerlendirilmektedir. Yüzey kimyası modifiye edilerek hidrofobikleştirilen nanoselüloz fiberlerin kauçuk matrisine katılmasıyla ıslak yol performansı yüksek ve aşınması yavaş lastik malzemeleri üzerine patentler alınmıştır?
. Yine MXene adı verilen iki boyutlu karbür/nitrür malzemeler veya grafen türevleri (ör. azot katkılı grafen) de deneysel olarak kauçuk takviyesi amacıyla incelenmektedir. Bu yeni malzemeler, henüz araştırma aşamasında olup laboratuvar ölçeğinde umut vaat eden sonuçlar vermektedir. Örneğin, nano boyutlu kil benzeri bir malzeme olan sepiolit fiberlerinin, doğal kauçuğa eklendiğinde silika gibi küresel dolgulara kıyasla daha güçlü bir takviye sağladığı tespit edilmiştir? . Gelecekte, bu tür yeni nanomalzemelerin kullanımıyla kauçukların özel uygulamalara yönelik (örneğin çok yüksek sıcaklık dayanımı, kendi kendine iyileşme vb.) özelliklerinin geliştirilmesi beklenmektedir.
Optimizasyon ve Modelleme: Güncel literatürde, nanodoldulu kauçukların özelliklerini öngörmek ve optimize etmek için gelişmiş modelleme çalışmaları da yer almaktadır. Cevap yüzeyi yöntemleri (RSM) ve makine öğrenmesi teknikleri kullanılarak, farklı dolgu kombinasyonları ve işlem koşulları için en iyi performansı veren reçeteler belirlenmeye çalışılmaktadır?
. Ayrıca mikroyapı-özellik ilişkisini daha iyi anlamak için bilgisayar simülasyonları ve fenomenolojik modeller geliştirilmektedir. Bu sayede, nanomalzemelerin kauçuk içinde dağılımı, etkileşimi ve makroskopik özelliklere katkısı daha öngörülebilir hale gelmekte ve yeni deneylerin tasarımı yönlendirilmektedir.
Nanomalzeme katkılı kauçuklar, laboratuvar araştırmalarının ötesinde çeşitli endüstriyel alanlarda pratik uygulama bulmaya başlamıştır. Aşağıda farklı sektörlerden bazı önemli uygulama örnekleri verilmiştir:
Otomotiv sektörü, kauçuk nanokompozitlerin en yoğun ilgi gördüğü alanların başında gelir. Özellikle lastik endüstrisi, nanoteknoloji kullanımına yönelik aktif araştırma ve ürün geliştirmelere sahne olmaktadır. Birçok küresel lastik üreticisi, lastik sırtı, yanak ve iç astar bileşenlerinde grafen, karbon nanotüp, nanosilika gibi katkıları denemekte ve patentlemektedir?
?
. Grafen takviyeli lastikler halihazırda bisiklet ve otomobil lastiklerinde bazı pazarlarda satışa sunulmuştur?
. Grafenin yüksek yüzey alanı ve mekanik gücü sayesinde lastik sırt bileşiğinde kullanılması, lastiğin daha hafif tasarlanmasına, yuvarlanma direncinin azalmasına ve aynı zamanda aşınma ömrünün uzamasına katkı sağlar?
?
. Örneğin, grafen takviyesiyle lastiklerde %20’ye varan yakıt ekonomisi iyileşmesi (düşük yuvarlanma direnci sayesinde) ve daha uzun diş ömrü hedeflenmektedir?
. Silika-silan teknolojisi zaten düşük yakıt tüketimli lastiklerin temelini oluştururken, buna eklenen nano-karbon takviyeler (grafen veya CNT) ıslak zemin fren mesafesi, tutunma gibi özellikleri de geliştirebilmektedir?
. Otomotiv lastiklerinde nanomalzemeler aynı zamanda akıllı lastik konseptinin de kilit unsurudur. Örneğin, iletken CNT veya grafen ağlarının lastik yapısına entegre edilmesiyle, lastiğin yol ile etkileşimini gerçek zamanlı izleyebilecek gömülü sensörlerin geliştirilmesi mümkün hale gelmektedir?
?
. Bu sayede, lastik sırtında gerilme olduğunda elektrik direnci değişimiyle algılama yapan gerilme sensörlü lastikler veya sıcaklık izleme kabiliyetine sahip akıllı lastikler üzerinde çalışmalar bulunmaktadır. Lastik dışında, otomobilin diğer kauçuk parçalarında da nanokompozit uygulamaları görülür. Örneğin, motor takozları ve süspansiyon burçlarında grafen takviyesiyle daha dayanıklı ve ömürlü parçalar geliştirilmiştir. Yakıt hortumlarında ve conta malzemelerinde nanokil kullanılarak yakıt buharı geçirimliliğini azaltma yönünde araştırmalar mevcuttur. Sonuç olarak, otomotiv sektöründe nanomalzeme takviyeli kauçuklar hem performans artırıcı (daha iyi tutunma, daha düşük yakıt tüketimi, daha uzun ömür) hem de yeni fonksiyonlar kazandırıcı (iç izleme sensörleri gibi) bir yenilik olarak öne çıkmaktadır.
Nanokompozit kauçukların elektriksel iletkenlik kazanması, elektronik ve sensör teknolojilerinde pek çok yeni uygulamayı mümkün kılmıştır. EMI/RFI koruyucu contalar: Geleneksel olarak elektronik cihazlarda elektromanyetik girişimi önlemek için kullanılan kauçuk contalar, karbon nanotüp veya grafen ile doldurularak hafif ve esnek bir iletken malzeme haline getirilmiştir. Bu contalar, metalik çözümlere kıyasla esneklik avantajı sunarken yeterli elektriksel perdeme sağlayabilir. Esnek sensörler ve giyilebilir elektronik: Karbon nanotüp veya iletken grafit nanoparçacık içeren silikon kauçuklar, gerilme uygulandığında direnç değişimi gösteren piezoresistif sensörler olarak kullanılmaktadır. Örneğin, deri üzerine yapıştırılabilen esnek bir bandaj şeklindeki kauçuk sensör, içindeki iletken CNT ağı sayesinde insan hareketlerini, nabız veya solunum gibi biyosinyalleri algılayabilir?
. Grafen katkılı kauçuk esaslı elektronik cilt (e-skin) prototipleri geliştirilerek dokunma, basınç ve sıcaklık duyarlı yüzeyler elde edilmiştir?
?
. Bu tür sensörler, giyilebilir teknoloji ve tıbbi izleme alanlarında büyük potansiyele sahiptir. Antistatik ve ESD güvenli zemin kaplamaları: İletken nanomalzeme içeren kauçuklar, patlayıcı ortamlarda veya elektronik üretim tesislerinde topraklama ve statik deşarj sağlamak için kullanılmaktadır. Isıtıcı elemanlar: Bazı uygulamalarda, grafen veya CNT’li kauçuk şeritlere akım verilerek ısınma sağlanmakta ve esnek ısıtıcılar (örneğin araç koltuk ısıtıcıları veya giyilebilir ısıtıcılar) üretilmektedir. Tüm bu örnekler, nanomalzemelerin kauçuğa kazandırdığı elektriksel iletkenlik ve duyarlılık sayesinde elektrik-elektronik sektöründe kauçuk kullanımını genişlettiğini göstermektedir.
Tıbbi ve koruyucu ekipmanlarda da nanoteknoloji katkılı kauçuk örnekleri bulunmaktadır. Nitril eldivenler gibi tıbbi/elastik koruyucu ürünlerde, grafen gibi katkılar kullanılarak daha yüksek delinme direnci ve dayanım sağlandığı bildirilmiştir?
. İnce lateks formülasyonlarına az miktarda grafen eklendiğinde, eldivenin kopma mukavemetinin arttığı ve kullanım ömrünün uzadığı gözlemlenmiştir. Benzer şekilde prezervatif gibi lateks bazlı ürünlerde de nanomalzeme eklenerek malzemenin inceltilirken dayanımının korunması hedeflenmektedir?
. Biyomedikal cihazlar: Silikon kauçuklar, sağlık sektöründe implantlardan tüpler ve kateterlere kadar geniş kullanım alanına sahiptir. Nanomalzeme eklenmiş silikon elastomerler, örneğin nanohidroksiapatit veya gümüş nanoparçacık katkıları ile, hem mekanik olarak güçlendirilmekte hem de antimikrobiyal özellik kazandırılmaktadır. Karbon nanotüp dolgulu silikon bazlı nanokompozitler, esnek elektrotlar veya sinir uyarıcı implantlar geliştirmede araştırılmaktadır (iletkenlikleri sayesinde). Darbe emici spor ekipmanları: Koruyucu kasklar, spor ayakkabı tabanları gibi alanlarda da grafen katkılı kauçuk köpüklerin darbe dayanımı ve enerji sönümleme kapasitesinin daha yüksek olduğu, bu sayede inceltilmiş ve hafif koruyucu ekipman üretilebildiği raporlanmıştır. Bu örnekler, sağlık ve güvenlik alanında nanomalzemelerle güçlendirilmiş kauçukların hem koruma performansını artırdığını hem de ek işlevsellik kazandırdığını ortaya koymaktadır.
Bunun dışında, genel endüstriyel uygulamalarda da kauçuk nanokompozitlerinin kullanımı yaygınlaşmaktadır. Hortum ve contalar: Yağ, akaryakıt veya kimyasallarla temas eden hortum, conta gibi parçalarda nanokil takviyesi, sıvıların difüzyonunu azaltarak sızdırmazlığı arttırmak için kullanılmaktadır. Örneğin, nitril kauçuk bazlı yakıt hortumlarında organik modifiye nanokil ilavesiyle yakıt buharı geçişinin önemli ölçüde azaldığı gösterilmiştir. Titreşim sönümleyiciler: Ağır makinelerin altına konan kauçuk takozlarda veya sismik izolatörlerde, grafen katkılı kauçuklar hem yüksek yük taşıma kapasitesi hem de sönümleme özellikleri sunar?
. Grafen takviyesiyle üretilen bazı yapı izolatörü kauçukların, ısıya dayanımı ve uzun süreli yük altında deformasyon direnci arttığı için bina temellerinde kullanılabildiği belirtilmektedir?
. Kablo ve iletken kılıfları: Elektrik kablolarında kullanılan silikon kauçuk kılıflara nanomalzeme (ör. nano Al²O³, nanokil) eklenerek yangına dayanım ve yalıtım özellikleri geliştirilmektedir. Bu nanokompozit kılıflar, yangın durumunda alevin ilerlemesini geciktirip daha az zehirli gaz çıkışı sağlayabilir. Lastik dışı tekerlek uygulamaları: Forklift veya bazı savunma araçlarının dolgu lastiklerinde grafen takviyesi ile aşınma ömrünü ve yük taşıma kapasitesini arttırma denemeleri mevcuttur. Matbaa ve merdane sektöründe ise aşınmaya dirençli ve iletken merdane kaplamaları için CNT katkılı kauçuklar kullanılmaktadır (statik yük birikimini önlemek amacıyla).
Genel olarak, nanomalzeme katkılı kauçuklar otomotivden elektroniğe, sağlıktan inşaata birçok sektörde yüksek performanslı malzeme çözümleri sunmaktadır. Literatürdeki araştırmalar ve ilk endüstriyel uygulamalar, uygun tasarım ve üretim teknikleriyle bu malzemelerin geleneksel kauçuk bileşenlerin yerini alarak daha hafif, dayanıklı ve fonksiyonel ürünler ortaya çıkarabildiğini göstermektedir?
?
. Önümüzdeki yıllarda, kauçuk teknolojisinde nanomalzemelerin kullanımının daha da yaygınlaşıp olgunlaşması ve yeni inovatif uygulamaların hayata geçmesi beklenmektedir.
