Onarımların Geleceği: Kendini Onarabilen Malzemeler

 Onarımların Geleceği: Kendini Onarabilen Malzemeler

Vücudumuza bir hasar geldiğinde, derimiz soyulduğunda, bazı organlarımız yenilenme ihtiyacı duyduğunda nasıl ki biz hiçbir şey yapmadan vücudumuz kendini tamir eder; kırılan, parçalanan, hasar gören cansız malzemeler de kendini iyileştirse (onarsa, yenilese) çok güzel olmaz mı?

Self-Healing Materials / Kendi Kendini İyileştiren Malzemeler  

Kendi kendini iyileştirme yeteneği, doğanın gerçek harikalarından biridir.  Kendi kendini onarabilme kavramı 1980’lerde polimerik yapıların çalışma ömrünü uzatmak ve malzeme güvenliğini artırmak için görünmez mikro çatlakları iyileştirme yaklaşımı olarak ortaya çıkmıştır.

Kendi kendini iyileştiren malzemelerin faydaları:

  • Hasarın tamir maliyetini en aza indirmek
  • Malzemelerin kullanım ömrünün uzatılması
  • Bozulma nedeniyle malzemelerin verimsizliğini azaltmak

İyileşme 3 Aşamada Gerçekleşir

  • Tetikleyici olay (Hasar almalı)
  • İyileşme sağlayan ajanların hasar alan bölgeye taşınması
  • Kimyasal iyileşme

 

  1. Malzeme
  2.  Onarıcı kapsül
  3. Katalizör
  4. Çatlama
  5. Kapsülün açılması
  6. Kimyasalın çatlağa dolması

 

 

 

Kendi kendini iyileştiren materyaller 3 genel alt kategoriye ayrılır:

  • Kapsül bazlı materyaller
  • Mikrovasküler materyaller
  • Halka açılım reaksiyonu

 

  1. Kapsül Bazlı Materyaller

İyileştirici ajan, parçalandığında ajanı serbest bırakan küçük kapsüller içinde bulunur. Hasar meydana geldiğinde mikrokapsül içerisindeki iyileştirici ajan ile yapıda bulunan Grubbs’ katalizörü bir araya gelerek polimerizasyon reaksiyonunu başlatırlar ve böylece çatlak oluşan bölge kapanarak yapının yüzey bütünlüğü geri kazandırılır. Örnek olarak; epoksi matris içerisine iyileştirici ajan olarak kullanılan disiklopentadien (DCPD) mikrokapsüller ve bis (trisikloheksilfosfen)-benzilidin rutenyum diklorür katalizörü (Grubbs’ katalizörü) eklenebilir.

Mikrokapsül yönteminin avantajları:

  • Üretimi diğer yöntemlere göre kolaydır.
  • Bu yöntem yüksek çapraz bağ yoğunluğuna sahip termoset yapılar için uygulanabilir. (Termosetler; çözünmezler, tekrar şekil almazlar bu yüzden içinde kapsül bulundurması avantajdır.)
  • Çok sayıda farklı kimyasallar kullanılarak ajan üretilebilir.

Mikrokapsül yönteminin dezavantajları:

  • İyileştirici ajan homojen dağılım sağlamayabilir. (Her yere aynı miktarda dağılmaz.)
  • Çatlak oluşumundan sonra boşluğu doldurmak için yeterli miktarda iyileştirici ajan serbest kalamayabilir, bu durumda oluşan boşluk tamamen kapanamaz.
  • Polimerizasyon reaksiyonunu tetikleyen Grubbs’ katalizörü pahalı bir malzemedir. Bu durum kendi kendini iyileştiren malzemenin maliyetini de artırmaktadır.

 

 

  1. Mikrovasküler Materyaller

Bir iyileştirici ajan ile doldurulmuş mikrovasküler ağ içeren, bir substrat ve katalizör partikülleri içeren kırılgan bir epoksi kaplamadan oluşur.  İyileştirici ajan, hasar gördüğünde kılcal hareket yoluyla çatlaklara salınır. Kaplama yüzeyinde fazla iyileştirici ajan salgılanır. Çatlaklar, yeterli bir süre sonra onarılır ve bu da kaplamanın yapısal bütünlüğünün eski haline dönmesine yol açar. Çatlaklar tekrar açıldığında iyileşme döngüsü tekrarlanır.

 

Mikrovasküler yöntemin avantajları:

  • Bu yöntemde mikrokapsül yöntemine göre daha fazla iyileştirici ajan depolanabilir ve böylece büyük boyutlu hasarların onarımı yapılabilir.
  • Aynı yerde tekrarlanan çatlağın iyileşme potansiyeli yüksektir.
  • Kanallar, rastgele oluşabilecek çatlakların onarımı için yüzeyin altında eşit şekilde yayılmaktadır.
  • Yapı içerisindeki kılcalların ağ şeklinde yayılmış olması hasar oluşan bölgede birden fazla yerde onarımın başlamasını sağlar ve daha hızlı bir iyileşme görülür.

Mikrovasküler yöntemin dezavantajları:

  • Mikrovasküler sistem daha geniş hacimlerde iyileşmeye imkan sağlasa da iyileşmenin tekrarlanabilirliği mikrokapsül yöntemindeki gibi pek mümkün olmayabilir. Çünkü kılcallar içerisindeki iyileştirici ajan bir kez açığa çıktığında ortamdaki katalizör ile etkileşerek o bölgeyi doldurur ve diğer bölgelerden ayırır.
  • Mikrovasküler sistemdeki iyileşme, kılcallar içerisindeki iyileştirici ajanın viskozitesine bağlıdır. Eğer kılcal çapı küçük ve iyileştirici ajanın viskozitesi yüksek ise çatlak oluşumunda iyileştirici ajan ortama verilemez ve iyileşme mümkün olmayabilir.
  • Çatlak oluştuğunda iyileştirici ve kürleştirici ajan sadece difüzyon ile çatlak ortamına yayılır. Burada, kullanılacak mekanik bir karıştırma, yapının mekanik özelliklerini azaltabilir.
  • Çok aşamalı üretim nedeniyle üretim pahalı ve karmaşıktır.

  1. Halka Açılım Reaksiyonu (Diels-Alder Reaksiyonu)

Diels-Alder tepkimesi konjuge dien (iki tane çiftli bağ) içeren yapılarda gerçekleşir. Tersinir tepkime olduğu için kendini onarım gerçekleşir. Hasar alan maddeyi ısıtıp soğuttuğumuzda tekrar eski şeklini alır. Mikrokapsül içine saklanmış DCPD ile epoksi matris içinde dağılmış Grubbs’ katalizörünün halka açılımı metatez reaksiyonu ile test edilmiştir.

 

Kaynak:

  • Thomas Self-healing Materials – The Future of Repairs. 30.11.2012
  • Ünçe Setenay. Kendi Kendini Onarabilen Polibenzoksazin Esaslı Nanokompozit Malzemelerin Geliştirilmesi. Hacettepe Üniversitesi Kimya Mühendisliği Yüksek Lisans Tezi. Sayfa 14-18.  2019
  • Anthes Emily. Deriden Esinlenen Ve Kendini Onaran Plastik. BBC News/Türkçe Dergisi. 03.12.2015
  • Kendini Tamir Edebilen Malzemeler- Self-Healing Materials

İrem Bayram

Hacettepe Üniversitesi Kimya Bölümü mezunuyum. Ankara'da yaşıyorum. Araştırıp, öğrenip, paylaşmaktan keyif alıyorum. Mail: irembayram40@gmail.com

İlginizi Çekebilir

Cevap yaz

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir