Nano grafen takviyesi, yapıştırıcı (tutkal) malzemelere antistatik ve iletken özellikler kazandırmak için yaygın olarak araştırılmaktadır. Uygun konsantrasyonun seçimi, hedeflenen yüzey direncine ulaşmak ve yapıştırıcının mekanik/elektriksel performansını optimize etmek açısından kritik önemdedir. Aşağıda 10 Ω seviyesinde yüzey direncine ulaşmak için önerilen oranlar, kullanılan grafen türleri, dispersiyon yöntemleri ve nihai özelliklere etkileri, akademik çalışmalar ve endüstriyel uygulama örnekleriyle birlikte ele alınmıştır.
Antistatik veya iletken özellikli bir tutkalın yüzey direnci ~10 Ω mertebesine düşürülebilmesi için yüksek elektriksel iletkenlik gereklidir. Geleneksel olarak bu seviyede iletkenlik, gümüş veya bakır gibi metal dolguların yüksek yüklemeleriyle sağlanırken, nano grafen ile daha düşük oranlarda benzer iletkenlik elde etmek mümkündür:
Grafen Nanotüpleri (Tek Duvarlı Karbon Nanotüp): Yüksek boy/en oranlı bu nano-tüp formu, çok düşük yüklemelerde bile geçirgen bir iletken ağ oluşturabilir. Örneğin, silikon bazlı esnek yapıştırıcılara %1’den az grafen nanotüp eklenerek elektrik direnci 10 Ω’nin altına indirilebilmiştir. Bu, klasik karbon siyahı veya metal tozlarına kıyasla yüzlerce kat daha düşük dolgu ile benzer iletkenlik demektir. Benzer şekilde, sadece %0,03–0,04 oranında grafen nanotüp içeren kaplamalar, 10^4–10^8 Ω/? aralığında kararlı yüzey direnci sağlayabilmektedir; bu oran, %4–12 oranındaki karbon siyahının sağladığı iletkenliği yakalar.
Grafen Nano-plakalar (GNP): Çok katmanlı grafen yaprakları şeklindeki bu dolgular, iletkenlik kazandırmada nanotüplere göre daha yüksek eşik konsantrasyonları gerektirir. İyi bir dağılım sağlansa dahi, %2 GNP ile güçlendirilmiş epoksi yapıştırıcı, ancak 7×10^−6 S/cm (yaklaşık 7×10^−4 S/m) elektriksel iletkenliğe ulaşmıştır – bu değer, saf epoksinin iletkenliğinden ~3,5 kat yüksek olsa da hala oldukça yüksek bir direnç anlamına gelir. Literatürde, eşik oranın hacmen ~%0,1–0,3 (ağırlıkça birkaç yüzde) civarında olabileceği; iyi dağılmış grafen ağının bu noktadan sonra iletkenliği hızla artırdığı bildirilmektedir. Örneğin, plastikleştiriciyle eksfoliye edilmiş çok katmanlı grafen kullanılarak PVC’de sadece %1 grafen ile 2,5×10^6 Ω/? yüzey direncine (antistatik aralıkta) ulaşılmıştır; aynı seviyeye ulaşmak için işlenmemiş grafitle ~%7 dolgu gerekmiştir. Bu da GNP türü grafenin, iletkenlik sağlama verimliliğini göstermektedir.
Grafen Oksit (GO) ve İndirgenmiş Grafen Oksit (rGO): Saf grafene göre elektrik iletkenliği düşüktür; ancak GO, yüzeyinde fonksiyonel gruplar taşıdığı için düşük yüzdelerde dahi epoksi gibi polar reçinelere karışabilir. Tek başına GO, oksijen grupları nedeniyle yalıtkandır; ancak kısmen indirgenmiş hali (rGO) ile iletkenlik artar. Akademik bir çalışma, epoksi yapıştırıcıya sadece %0,5 GO eklenmesinin elektriksel iletkenliği 200 kat artırarak 7,84 S/m değerine çıkardığını raporlamıştır. Benzer şekilde %1,5 oranında fonksiyonel hale getirilmiş (muhtemelen indirgenmiş) grafen eklendiğinde 5,5 S/m iletkenlik elde edilmiştir. Bu değerler, hala 10 Ω yüzey direnci hedefinin oldukça üstünde olmakla birlikte, grafen oksit türevlerinin küçük oranlarda bile epoksiyi antistatik yapmaya başladığını gösterir. Ulaşılabilir en düşük yüzey dirençleri için ise GO’nun kimyasal veya termal indirgenmesiyle daha iletken bir ağ oluşturmak ve/veya grafen oksidi diğer iletken dolgu malzemeleriyle birlikte kullanmak gerekir.
Önerilen oranlar uygulamaya göre değişir. ESD (elektrostatik deşarj) koruması veya antistatik özellik için tipik yüzey direnci hedefleri 10^6–10^9 Ω aralığıdır; bu değerlere ulaşmak için genellikle <%1 grafen nanotüp veya birkaç % GNP yeterli olabilir. Ancak 10 Ω gibi çok düşük bir yüzey direnci (neredeyse metalik iletkenlik), yalnızca nano grafen ile sağlanmak isteniyorsa daha yüksek dolgu yüzdeleri veya çok verimli bir ağ gerekir. Endüstriyel pratikler, ~%0,5–1 aralığında tek duvarlı karbon nanotüp (SWCNT) takviyesiyle, yapıştırıcıların bu kadar düşük direnç değerlerine inebildiğini göstermiştir. GNP veya rGO ile aynı seviyeye ulaşmak muhtemelen daha yüksek yüklemeler gerektirecek (tahminen %5–10 veya üzeri) ve bu kadar yüksek dolgu oranları yapıştırıcının viskozitesini ve mekanik özelliklerini olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle en iyi pratik, hedeflenen en düşük direnç için SWCNT gibi yüksek verimli bir grafen formu kullanmak, daha ılımlı antistatik ihtiyaçlar için ise <%1–2 aralığında GNP, GO veya rGO ile yetinmektir.
Grafen katkısının türü, elde edilecek performansı ve işlenebilirliği büyük ölçüde etkiler:
Saf Grafen (Grafen Nano-Pulver veya Tek/Katmanlı Grafen): En yüksek teorik iletkenlik ve mekanik mukavemet bu formdadır. Ancak, saf grafen tabakaları hidrofobik yapıda olduğundan, epoksi veya poliüretan gibi tutkal reçinelerinde dağılımları zordur; tabakalar arası Van der Waals kuvvetleri nedeniyle aglomerasyon (yığınlaşma) eğilimi vardır. İyi dağıtılabilirse, saf grafen minimum miktarla bile güçlü bir iletken ağ kurabilir. Örneğin, yüksek kesme karıştırma teknikleriyle sadece %0,05 ağırlık grafen eklenerek 10^−3 S/m mertebesinde bir iletkenlik ölçülebildiği rapor edilmiştir. Ancak pratikte saf grafen genellikle grafen nano-plaka (GNP) formunda (birkaç katmanlı yassı parçacıklar) temin edilir ve bunların iletkenlik katkısı, yukarıda belirtildiği gibi, ancak birkaç % dolgu seviyesinde belirgin hale gelir.
Grafen Oksit (GO): Grafenin oksijenli fonksiyonel gruplarla (epoksi, hidroksil, karboksil vb.) kaplı hali olup tek tabakadan birkaç tabakaya kadar yapıda olabilir. Avantajı, bu oksijen gruplarının polar olması sayesinde, su veya polar solventler içinde ve polarlı reçinelerde (epoksi, PVA vb.) daha kolay dağıtılabilmesidir. GO, tek başına iletken değildir (oksijen grupları elektron hareketini kısıtlar), ancak çok düşük oranlarda bile antistatik etki yapabilir ve mekanik performansa katkı sağlar. Örneğin %0,25 gibi çok düşük GO takviyesi, epoksi yapıştırıcının kırılma tokluğunu 5 kata kadar artırmıştır. GO, epoksi matrise iyi tutunarak ara yüzey aderansını güçlendirir; oksijenli gruplar epoksi reçineyle kuvvetli etkileşime girerek daha sağlam bir bağ oluşturur. Elektriksel açıdan, GO’yu iletken hale getirmek için indirgeme (örneğin kimyasal indirgeme veya termal işlem) gerekebilir. İndirgenmiş grafen oksit (rGO), kısmen grafene benzer iletkenlik yolları sağlayarak tutkalın elektriksel direncini düşürürken, hala yüzeyinde bir miktar fonksiyonel grup kalarak matrisle bağlanmayı destekleyebilir.
İndirgenmiş Grafen Oksit (rGO): GO’nun indirgenmesiyle elde edilen bu form, kısmen grafenin elektronik yapısını geri kazanır. Tamamen saf grafen kadar iletken olmasa da, fonksiyonel grupların bir kısmını koruyarak dağılabilirlik ve yapıştırıcıyla uyum arasında iyi bir denge kurar. rGO takviyeli yapıştırıcılar, hem iletkenlik hem de mekanik dayanım açısından dikkate değerdir. Örneğin, rGO ile güçlendirilmiş epoksilerde kayma mukavemetinde belirgin artışlar gözlenmiş; rGO’nun geniş yüzey alanı ve iyi dispersiyonu sayesinde gerilmenin verimli aktarılmasıyla yapışma başarımı yükselmiştir. rGO’nun iletkenlik kazandırma potansiyeli, GO’dan belirgin şekilde yüksektir; ancak üretiminde kimyasal indirgeme ajanları veya yüksek sıcaklık gerektiğinden, uygulamada bunların iyi arındırılması ve tutkalın geri kalan bileşenleriyle uyumu önemlidir.
Grafen Nanoplakalar (GNP): Tipik olarak doğal grafitin kimyasal ya da mekanik yol ile birkaç-nanometre kalınlıkta yapraklar haline getirilmesiyle elde edilir. GNP’ler, saf grafene kıyasla çok katmanlıdır (genelde 5–30 grafen katmanı içerir) ve genellikle yüzeylerinde az miktarda işlevsel grup olabilir. Avantajları, ölçekli üretiminin daha ekonomik oluşu ve toz halde işlenebilmesidir. GNP’ler mekanik takviye için oldukça etkilidir; %1 gibi düşük yüklemeler dahi epoksi yapıştırıcının elastiklik modülünü %20, tokluğunu %40 arttırmıştır. Bununla birlikte, iletkenlik sağlama konusunda tek tabakalı grafen veya nanotüpler kadar verimli değillerdir, çünkü katmanlar arası şarj taşınımı daha sınırlıdır ve daha yüksek bir perkolasyon eşiği vardır. Elde edilen iletkenlik, büyük ölçüde parçacıkların boyutu, yapısı ve dağılım kalitesine bağlıdır. GNP’lerin katkısıyla epoksi gibi tutkal matrislerinde iletken bir ağ oluşturmak için genellikle birkaç ağırlık yüzdesi (%2–5) gerekebilir; bu eşiği aştıktan sonra yüzey direnci hızla düşer (iletkenlik artar).
Grafen Nanotüpleri (SWCNT veya Çok Duvarlı Nanotüpler): Tek duvarlı karbon nanotüpler, endüstride pazarlama adına grafen nanotüp olarak da adlandırılmaktadır (çünkü tek atom kalınlığındaki grafen tabakasının tüp formuna girmesiyle oluşurlar). Bu malzeme, ~1-2 nm çapında ve birkaç mikron uzunlukta silindirik grafen yapılarıdır. Elektriksel iletkenlikleri bakıra yakındır ve inanılmaz esnektirler. En önemli özellikleri, ultra yüksek boy/en oranı sayesinde, matriste çok düşük konsantrasyonlarda bile birbirlerine dokunan bir ağ kurarak iletkenlik sağlamalarıdır. Eşik konsantrasyonları, çoğu iletken dolguya göre birkaç kademe düşüktür. Yapıştırıcı ve kaplamalarda %0,01 gibi son derece düşük oranlarda bile sürekli bir iletken yol oluşturabilirler?
. Örneğin, epoksi esaslı anti-statik bir zemin kaplamasında %0,01–0,04 nanotüp ile 10^4–10^11 Ω aralığında kararlı yüzey dirençleri elde edilmiştir? . Saf karbon siyahı ile bu seviyeye inmek için % birkaç mertebesi gerekebilir. Nanotüpler, aynı zamanda mekanik özellikleri koruma avantajı sunar: Düşük yükleme sayesinde malzemenin orijinal esnekliği, sertliği veya şeffaflığı (eğer şeffaf bir yapıştırıcıysa) büyük ölçüde korunur. Endüstriyel uygulamalarda, grafen nanotüpler özellikle ESD (elektrostatik boşalma) korumalı boyalar, zeminler ve elektronik yapıştırıcılarda* tercih edilmektedir.
Her bir grafen türü, uygulamaya göre seçilir. Örneğin, yüksek iletkenlik gerekiyorsa ve biraz da maliyet tolere edilebiliyorsa SWCNT (grafen nanotüp) en iyi performansı en düşük dozajla sağlar. Hem iletkenlik hem mekanik dayanımda ölçülü bir iyileşme isteniyorsa rGO veya GNP gibi karışımlar uygun olabilir. Kolay dispersiyon ve güçlü mekanik bağlanma istenen durumlarda (iletkenlik ikinci plandaysa) GO tercih edilebilir. Uygulamada bazen bu formlar birlikte de kullanılabilir – örneğin, önce matrise GO eklenip iyi dağıtılır, ardından in-situ indirgenerek rGO elde edilip iletkenlik kazandırılabilir; ya da az bir nanotüp ile biraz GNP kombinasyonu, hem düşük eşik hem de maliyet optimizasyonu sağlayabilir.
Grafenin tutkal matrisine homojen dağılımı (dispersiyonu), istenilen elektriksel ve mekanik özelliklerin elde edilmesinde belirleyicidir. Grafen tabakaları veya tüpleri topaklanırsa, iletken bir ağ oluşturamaz ve mekanik katkıları da lokalize kalır. Bu nedenle literatürde çeşitli dispersiyon teknikleri geliştirilmiştir:
Yüksek Kesme Mikseri ile Mekanik Karıştırma: Grafen malzemesi, epoksi veya polimer reçine içinde yüksek kesme gerilmeleri altında karıştırılır. Örneğin, yüksek devirli rotor-stator mikserler veya thinky mixer cihazları kullanılarak grafen tozları reçineye yedirilir. Bu yöntem, büyük aglomeratları parçalamaya yardımcı olur ancak çok yüksek viskoziteli sistemlerde sınırlı kalabilir. Gao ve ark.’nın bir çalışmasında, in-situ polimerizasyonla hazırlanmış grafen-epoksiye kıyasla mekanik karışımla hazırlanmış olanların daha zayıf olduğu; bunun da mekanik karıştırmada grafenin tam olarak dağıtılamamasından kaynaklandığı gösterilmiştir.
Sonikasyon (Ultrases Dalgaları ile Dağıtma): Grafen veya grafit türevleri, uygun bir solvent içinde ultrasonik banyoya veya problu ultrasonikatora tabi tutularak eksfoliye edilebilir ve küçük parçalara ayrılabilir. Sonikasyon ile grafen katmanları, özellikle GO ve GNP türleri, çözelti içinde tek tek tabakalara ayrılabilir. Ardından solvent bu dispersiyon epoksiye karıştırılarak solvent uçurulur (solvent bazlı karıştırma). Örneğin DMF, NMP gibi yüksek kaynama noktalı solventler grafen dağılımında kullanılmıştır; sonrasında epoksi ile karıştırıp pişirerek solvent uzaklaştırılır. Bu yöntemde dikkat edilmesi gereken, fazla sonikasyonun grafen yapısını bozabileceği ve bazı mekanik özellikleri düşürebileceğidir.
İn-situ Polimerizasyon: Grafen, monomer veya reçine prepolimeri ile önce karıştırılır; daha sonra sertleştirici/başlatıcı eklenerek polimerizasyon gerçekleştirilir. Bu sayede, grafen parçacıkları polimer oluşumu sırasında matrise entegre olur ve daha uniform bir dağılım gösterebilir. Örneğin grafen, epoksi reçine içinde sertleştirici eklenmeden iyice karıştırılıp dağıtılır, ardından kürleme başlatılır. İn-situ yöntem, grafenin karışım sırasında yeniden aglomere olmasını önleyebilir ve viskozite başlangıçta düşük olduğundan dağılım verimli olabilir. Gao ve ark.’nın bulgularına göre, in-situ polimerizasyon yöntemiyle hazırlanmış grafen-epoksi nanokompozitlerin çekme dayanımları, aynı bileşimde mekanik karıştırma ile hazırlanmış olanlardan daha yüksek bulunmuştur.
Üçlü Rulo Öğütücü (Three-roll milling): Bu yöntem, grafen içeren yüksek viskoziteli reçine karışımını, aralarındaki mesafe ve hız farkı ayarlanabilen üç silindir arasından geçirerek parçacıkları inceltir ve dağıtır. Özellikle grafit öğütülerek grafen elde etme (eksfoliasyon) ve aynı anda dispersiyon sağlama amaçlı kullanılabilir. Üçlü vals sistemi, sonikasyona göre daha büyük hacimleri işleyebilir ve solvent gerektirmediğinden endüstriyel ölçek için uygundur.
Yüzey Fonksiyonelleştirme ve Kimyasal Dağıtma: Grafenin yüzeyine bazı kimyasal gruplar eklemek (örneğin GO üretmek veya grafeni silan türevleriyle kaplamak), polimer matrisle uyumunu artırarak dağılımı iyileştirir. Fonksiyonel grafen (örneğin amin gruplu grafen, karboksilatlı grafen), tutkal reçinesiyle daha iyi etkileşerek hem homojen dağılım sağlar hem de ara yüzey aderansını kuvvetlendirir. Örneğin, sadece %0,5 ağırlık GO eklenmiş bir epoksi yapıştırıcıda, taramalı elektron mikroskobu (SEM) gözlemleri çok daha homojen bir partikül dağılımı göstermiştir. Bu, GO’nun epoksi matris içinde kendi kendine yığılmadan dağılabildiğine işaret etmektedir. Daha sonra bu GO parçacıklarını termal olarak indirgemek, dağılım bozulmadan iletkenliği artırmanın bir yolu olabilir (matris içinde in-situ rGO oluşturma).
Elektrokimyasal Yöntemler: Bazı araştırmalarda, grafen oksit, monomer içinde elektro-kimyasal indirgemeye tabi tutularak doğrudan kompozit içinde iletken grafene dönüştürülmüştür. Örneğin, bir epoksi reçine çözeltisi içinde GO dağıtılıp, uygun elektrotlar ve potansiyel altında grafen oksit indirgenebilir. Bu yöntem laboratuvar ölçeğinde ilginç olmakla birlikte, endüstriyel uygulamada pek yaygın değildir.
İyi bir dispersiyon, antistatik performans için anahtar olduğundan, pratikte genellikle birden fazla yöntem bir arada kullanılır. Örneğin endüstride grafen nanotüp konsantreleri bulunur: reçine içinde önceden optimal şekilde dağılmış %1-2 nanotüp masterbatch’leri, son ürüne kolayca katılabilir. OCSiAl firmasının TUBALL™ MATRIX adında, epoksi ve diğer polimerler için geliştirdiği nanotüp dispersiyonları, kullanıcıların yalnızca %0,1 gibi düşük oranlarda katkıyla istenen yüzey direncine ulaşmasını sağlarken dağılım sorunlarını minimize eder. Özetle, ultrasonik karıştırma + yüksek kesme veya ön-dağıtılmış konsantre kullanma en iyi uygulamalardan sayılabilir. Ayrıca, matris reçinesine uygun solvent seçimi, karıştırma sırasında sıcaklık kontrolü ve karışım sonrası vakumlama (havasını alma) gibi adımlar da grafenin düzgün dağılmasına ve film içerisinde süreklilik oluşturmasına yardımcı olur.
Nano grafen sadece iletkenlik kazandırmakla kalmaz, aynı zamanda yapıştırıcının mekanik performansını da etkiler. Bu etkinin pozitif veya negatif olması, kullanılan grafen türü, konsantrasyon ve dispersiyon kalitesine bağlıdır:
Elektriksel Özellikler: Grafen katkısı, yeterli perkolasyon ağı oluştuğunda, tutkalın elektriksel direncini dramatik şekilde düşürür. Saf epoksinin çok düşük (yalıtkan seviyede) olan iletkenliği, az miktarda grafen eklendiğinde bile logaritmik olarak artar. Örneğin, hiçbir katkı içermeyen bir epoksi yapıştırıcı neredeyse 10^−14 S/m gibi ihmal edilebilir bir iletkenliğe sahipken, %0,5 GO eklendiğinde iletkenlik ~7,84 S/m seviyesine çıkarak 200 kat artış göstermiştir. %1,5 fonksiyonel grafen ile bu değer 5,5 S/m olarak raporlanmıştır. Başka bir ifadeyle, grafen katkısıyla epoksinin hacimsel direnci megaohmlar seviyesinden birkaç ohm·cm seviyesine kadar iyileşebilmektedir. Ancak 10 Ω gibi çok düşük yüzey direnci değerlerine inmek için, yukarıda vurgulandığı gibi, ya yüksek oranlarda grafen ya da SWCNT gibi etkili formlar gereklidir. Nitekim, tek duvarlı nanotüplerle güçlendirilmiş silikonsu yapıştırıcılar, orijinal yumuşaklıklarını korurken 10 Ω’dan düşük hacim direncine ulaşabilmiştir. Bu düzeyde bir iletkenlik, ESD bantları veya elektronik iletken yapıştırıcılar (örneğin komponentleri lehim yerine yapıştırma) için yeterlidir. İletkenlik artışı bir doyuma ulaşabilir; genellikle perkolasyon eşiğini aştıktan sonra daha fazla grafen eklemek, ağ yoğunluğunu artırıp direnci daha da düşürür, ancak bir noktadan sonra ek katkı çok az ilave fayda sağlar. Örneğin %20 grafen içeren bir kompozitin, %10 grafene kıyasla iletkenliği sadece sınırlı oranda arttığı ama viskozitenin çok yükselip işlenebilirliğin azaldığı görülmüştür. Bu nedenle, en iyi pratik, gereken en düşük dolgu oranıyla hedeflenen direnci yakalamaktır.
Mekanik Özellikler: Uygun oranda ve iyi dağılmış grafen katkısı, yapıştırıcının mekanik dayanımını, sertliğini ve özellikle çatlak ilerleme direncini iyileştirir. Düşük oranlarda (<%1) grafen, polimer ağında nano-boyutta bir takviye rolü oynayarak modülü ve mukavemeti artırabilir. Örneğin, %1 grafen nanoplakalı epoksi, saf epoksiye göre %20 daha sert ve %40 daha tokludur. Yalnızca %0,25 gibi çok ufak bir grafen katkısı dahi (muhtemelen düzgün disperse olmuş halde), mod I kırılma tokluğunu 5 katına çıkarabilmiştir. Bu çarpıcı artış, grafenin çatlak yayılımını engelleme, yolundan saptırma (crack deflection/bridging) etkisine ve polimer içinde gerilme transferine yardımcı olmasına bağlanıyor. Özellikle grafen oksit (GO), yüzeyindeki oksijen grupları sayesinde epoksiyle hidrojen bağları ve diğer etkileşimler kurarak arayüzey aderansını artırır; böylece yapıştırılan iki yüzey arasında daha güçlü bir bağ elde edilir. Yine indirgenmiş GO (rGO), geniş yüzey alanı ve matrisle iyi kaynaşması sayesinde, kayma (makaslama) dayanımını belirgin ölçüde yükseltmiştir. Grafen katkılı yapıştırıcılarda, örneğin metal-metal yapıştırmada lap-shear (çakışma kayma) dayanımının grafen sayesinde arttığı bildirilmiştir.
Bununla birlikte, grafen miktarı arttıkça mekanik özelliklerde her zaman sürekli artış görülmez. Aşırı dolgu (> %5–10 gibi), nano-dolgunun homoji olmayan dağılımına ve reçine-fazının kesintiye uğramasına yol açarak gevrekliğe sebep olabilir. Örneğin, literatürde %10 gibi yüksek oranda grafen içeren bazı numunelerde direnç düşük olsa da, çatlama eğiliminin arttığı not edilmiştir. Bu nedenle optimum mekanik iyileşme genellikle %0,5–5 aralığında yakalanır ve ötesinde mekanik kazanç azalabilir.
Termal ve Diğer Özellikler: Grafen’in bir diğer faydası da tutkalın termal kararlılığı ve ısıl iletkenliği üzerinedir. %3 grafen oksit ilavesinin, epoksi yapıştırıcının bozunma sıcaklığını belirgin şekilde yükselttiği, yanma geciktirici etki yaptığı rapor edilmiştir. Grafen takviyesiyle tutkalın termal iletkenliği de artar, bu da elektronik uygulamalarda ısının yayılmasına yardımcı olabilir. Ayrıca grafen, UV dayanımını artırabilir ve kompozit içinde korozyona karşı bariyer etkisi yaparak alttaki malzemeyi koruyabilir. Nanotüpler özelinde, çok düşük miktarda eklendikleri için malzemenin özgül ağırlığını anlamlı şekilde artırmazlar; hatta ağır metal dolgular yerine grafen kullanımı, yapıştırıcının toplam yoğunluğunu ve ağırlığını azaltarak daha hafif yapılar elde etmeyi sağlar. Bu da özellikle havacılık ve otomotivde istenen bir özelliktir.
Özetle, nano grafen katkılı tutkallar, doğru form ve konsantrasyon seçildiğinde, hem antistatik/iletken özellik kazanır hem de mekanik mukavemet kazanımları sağlar. Anahtar nokta, grafenin iyi disperse edilmesi ve optimum oranda kullanılmalıdır: Yeterli bağlantılı ağ için gerekli minimum miktar, hem hedef iletkenliği sağlar hem de fazlalığından kaynaklanacak olası olumsuzlukları (viskozite artışı, gevreklik) önler.
Grafen katkılı antistatik yapıştırıcılar konusunda akademik araştırmalar ve endüstriyel uygulamalar bir arada ilerlemektedir:
Akademik Çalışmalar: Birçok araştırma grubu, düşük oranlarda grafen ile tutkal özelliklerini iyileştirmeyi göstermiştir. Örneğin, Yukarıda bahsedilen çalışmada Rafiee ve arkadaşları, %0,1–0,2 civarı grafen ilavesiyle epoksi nanokompozitlerde elektriksel iletkenlikte dramatik artışlar rapor etmişlerdir. Choi ve ark. ise poli(metil metakrilat) bazlı yapıştırıcılara %0,09–0,9 GO ekleyerek termal iletkenliği belirgin biçimde yükseltmişlerdir (dolaylı olarak, ısıl iletkenlikteki artış elektriksel iletkenliğin de iyileştiğini gösterebilir). Bir başka araştırmada, gümüş kaplı bakır tozlarına ek olarak %1 grafen eklenmesiyle optimal iletken yapıştırıcı formülasyonu geliştirilmiştir. Bu tür çalışmalar, hibrit dolgularla grafenin sinerjik etkisini de incelemektedir. Ayrıca, PVC-Graphene kompozitleri üzerine yapılan bir araştırmada, plastikleştirici ortamında öğütülen grafenin, PVC esaslı bir yapışkan bantta %1 gibi düşük oranda bile yüzey direncini 10^6 Ω seviyelerine indirdiği, oysa ham grafit ile aynı etkinin ancak %7 dolgu ile gerçekleştiği gösterilmiştir. Bu sonuç, grafenin antistatik bant ve yapıştırıcılarda karbon siyahı/grafite üstün bir alternatif olabileceğini ortaya koymaktadır.
Endüstriyel Uygulamalar: Nano grafen, özellikle ESD koruma ve iletken yapıştırıcı pazarında pratik karşılık bulmuştur. Örneğin OCSiAl firmasının geliştirdiği Tuball™ serisi tek duvarlı karbon nanotüp dispersiyonları, otomotiv plastik boyalarında, zemin kaplamalarında ve yapıştırıcılarda antistatik özellik kazandırmak için kullanılıyor. Firma verilerine göre, epoksi esaslı bir depo iç kaplamasında sadece %0,03 nanotüp ile 10^4–10^8 Ω/? aralığında kalıcı yüzey direnci elde edilmiş ve bu, yakıt tanklarının patlayıcı statik yük biriktirmesini engellemede başarıyla uygulanmıştır. ESD zemin epoksilerinde %0,02 civarı nanotüp ile nemden bağımsız, homojen bir 10^5–10^9 Ω aralığı sağlanarak, önceki karbon siyahı katkılı sistemlerin “sıcak nokta” problemleri giderilmiştir?
. Bir diğer endüstriyel örnek, giyilebilir elektrot yapıştırıcılarıdır: Tek kullanımlık EKG/EEG elektrotlarında iletken jelin yerini alabilecek silikon esaslı yapıştırıcılarda, <%1 grafen nanotüp iletken bir ağ kurularak hem deriyle uyumlu esneklikte hem de çok düşük (<10 Ω) dirençte ürünler geliştirilmiştir. Bu sayede yapıştırıcı elektrotlar, günlerce deride kalabilen, sinyal kalitesini bozmadan vücut hareketine uyum sağlayan iletken bantlar haline gelmiştir.
Piyasada ayrıca grafen katkılı epoxy yapıştırıcılar ticari olarak sunulmaya başlanmıştır. Örneğin G6-Materials firması, G6-Epoxy adlı ürün gamında grafen nanoparçacıklarla güçlendirilmiş iletken yapıştırıcılar sunmaktadır. Bu ürünlerin vurguladığı avantajlar arasında, daha yüksek çekme ve kesme mukavemeti, çatlak direnci, azaltılmış yanıcılık ve artırılmış termal/UV dayanımı yer alıyor. Firmanın belirttiğine göre grafen katkısı, farklı malzemelerin (plastik-metal, cam-metal vb.) yapıştırılmasında ısıl genleşme farklarından doğan gerilimleri tolere etmeyi kolaylaştırmakta ve uzun vadede bağın dayanıklılığını artırmaktadır. Ayrıca, grafen iletken yapıştırıcılar, lehim kullanılamayan hassas elektronik bileşenlerin (ör. esnek güneş panelleri bağlantıları, medikal cihazlar) oda sıcaklığında birleştirilmesine imkân tanıyarak yeni uygulama alanları yaratmaktadır.
En iyi pratik oranlar ve yöntemler, hem akademik bulgular hem de endüstriyel deneyimlerle şekillenmiştir. Genel kanı, istenen antistatik seviyeye ulaşmak için mümkün olan en düşük grafen dozajını, en iyi dağılımla kullanmak yönündedir. Örneğin, şeffaf veya açık renkli bir yapıştırıcıda iletkenlik isteniyorsa, %0,05 gibi ultra düşük oranlarda SWCNT ile bu gerçekleştirilebilirken, opaklığı sorun olmayan bir epoksiyi antistatik yapmak için %1 civarında rGO/GO/GNP karışımı yeterli olabilir. Mekanik dayanım için çoğu zaman %0,5–1 aralığı optimum etkiyi verir; iletkenlik için ise perkolasyon eşiğinin hemen üzeri (örneğin %0,5–5 arası, kullanılan grafene göre değişen) uygundur.
Sonuç olarak, nano grafen katkılı tutkallar, doğru formülasyonla 10 Ω mertebesine dek düşebilen yüzey direnci (yüksek iletkenlik) sağlayabilirken, aynı zamanda geleneksel dolgulardan çok daha düşük yüklemelerle bu başarıldığından yapıştırıcının mukavemet, esneklik gibi özelliklerini de büyük ölçüde korur veya iyileştirir. Hem akademik çalışmalar hem de sanayi uygulamaları, grafen takviyesinin antistatik yapıştırıcılarda gelecek vaat eden bir yaklaşım olduğunu ortaya koymaktadır. Bu alanda gelişen malzeme tedariği (grafen dispersiyonları, masterbatch’ler) ve işleme teknikleriyle, optimum konsantrasyonların uygulamaya özel olarak hassas şekilde ayarlanması mümkün hale gelmiştir.
Kaynaklar:
