Katalog

Kendini onarabilen polimerler: Bir biyomimetik uygulama Dışarıdan bir müdahale olmadan yapısında oluşan bir hasarı tamir edebilen malzemelere “kendini onarabilen malzeme” adı verilir. Kendini onarabilen malzemeler, insan derisi, bitki yaprakları ve ağaç kabukları gibi kendini onarabilme özelliğine sahip biyolojik sistemlerden esinlenerek geliştirilmektedir. Doç.Dr. Nihal Sarier (İstanbul Kültür Üni.) Prof.Dr. Emel Önder (İstanbul Teknik Üni.) Katalizör 1 Mikrokapsül Çatlak 2 Onarıcı monomer P olimer kompozitler bir ya da daha fazla malzemenin polimer bir matrise katılması ile elde edilir. Örneğin polyester bir reçine eritilip, cam lif ya da karbon lifle karıştırılırsa, polyester zincirler liflerin etrafında çapraz bağlar oluşturur, böylece “fiberglas” olarak tanınan, mekanik dayanımı çok yüksek, aynı zamanda çok hafif olan bir kompozit elde edilir. Mekanik dayanımı yüksek olan fiberglas polimer kompozitlerin kullanımını kısıtlayan önemli bir faktör, darbe dayanımlarının oldukça düşük olmasıdır. Bu da kullanım sürecinde çatlama, kırılma ya da tabakalarına ayrılma gibi önceden tespit edilmesi ve onarılması çok güç olan çeşitli kusurlara neden olabilir. Bu kusurların kendiliğinden giderilebilmesi mümkün olursa uçak endüstrisinden otomobile, mikroelektronikten tıbbi protezlere kadar daha güvenilir, daha güvenli ve daha ekonomik uygulamalar yapılabilir. Dışarıdan bir müdahale olmadan yapısında oluşan bir hasarı tamir edebilen malzemelere “kendini onarabilen malzeme” adı verilir. Kendini onarabilen malzemeler, insan derisi, bitki yaprakları ve ağaç kabukları gibi kendini onarabilme özelliğine sahip biyolojik sistemlerden esinlenerek geliştirilmektedir. Kesik Kendini onarabilen polimerler, üretimleri esnasında yapılarına katılan çeşitli kimyasallar ve farklı yöntemlerle işlevlerini yerine getirir: 1) Kılcal borulardan oluşan ağ yapılı polimerler: Şekil 1a’da, insan dersinde kılcal damarlarla taşınan kan sayesinde derinin kendisini sürekli onarabilme özelliği şematik olarak Şekil 2. Kendini onarabilen polimer boya ile boyanmış bir araba, yüzeydeki çizik iki gün içinde kendini onarabilir. 3 Polimerleşme tamamlanmış 20 µm a Epiderm Kılcallar Kan damarı b Polimer bileşenleri c Şekil 1. a)Deride oluşan bir kesik ve kılcal damarlar. b)Kılcallarl a taşınan, iki bileşen kırık oluşan yerde tepkimeye girer yanal görüntü. c)Bileşenle rinin tepkimeye girmesi ile oluşan polimer çatlağı kapatır, üstten görüntü. gösterilmektedir. Bu kılcal damar sisteminin yapay bir benzeri epoksi kaplamalara iki tabaka kılcal ağın gömülmesi ile oluşturulmuştur. Şekil 1b’de kırmızı renkle gösterilen kılcallarda disiklopentadien (DSPD, kapalı formulü:C10H12) olarak adlandırılan ve epoksi reçine ile tepkimeye girebilen bir kimyasal bulunmaktadır. Mavi renkle gösterilen diğer kılcal ağda bu tepkimeyi hızlandıran bir katalizör vardır ( bkz. Şekil 2a ve 2b). Yüzeyde bir çatlak meydana geldiğinde, kılcallar da doğal olarak çatlamakta, o noktada tepkimeye girerek polimerize olurken epoksi matrise de bağlanmaktadır. Böylece çatlak kapanır. Bir başka noktada ya da düzlemde yine bir çatlama olduğunda polimer kendini yeniden onarabilir. Şekil 1c’de kavuniçi renkte görülen tabaka onarım tepkimesi sonucu oluşan polimere aittir. Kendini onarma sayesinde, malzemenin hizmet süresi önemli miktarda uzar. Uçak ve otomobil boyalarında kılcal ağ uygulamasına başlanmıştır. 2) Mikrokapsüllenmiş onarıcı içeren polimerler: Genellikle 100 µm’den daha küçük olan mikrokapsüller polimer malzemeye gömülür. Polimer malzemenin içine gömülen mikrokapsüllerde onarıcı tepkimeye girebilecek bir monomer (genellikle DSPD) bulunur. Disiklopentadien Grubb katalizörü olarak adlandırılan bir kimyasal yardımıyla tepkimeye girerek uzun polimer zincirler oluşturur, yüzeydeki çizik ya da çatlağı yaklaşık 48 saat içinde doldurur (bkz. Şekil 3). Bu yöntem, kan pıhtılaşmasından esinlenerek geliştirilmiştir. Ancak mikrokapsüller katı faz içinde sabitlenmiş olduğu için, onarma bölgesel olarak sağlanabilir. İnsan vücudundaki kalça ve diz protezi gibi, kullanım sürecinde sü 4 Şekil 3. 1)Mikrokapsüller ve kendini onarma tepkimesini başlatacak katalizör polimer malzeme içine gömülür. 2)Yüzeyde çizik ya da çatlak oluştuğunda kapsüller patlayarak, katalizörle etkileşir. 3)Polimerleşme tamamlandığında, yüzeydeki hasar onarılmış olur. 4) 5 Patlamış bir kapsülün electron mikroskop görüntüsü (Kaynak:White ve arkadaşları).5) Mikrokapsüllenmiş kendini onarabilen polimer kompozit içeren bir diz protezi. rekli kuvvet etkisi altında kalacak polimer kompozitlerin yorulmasını geciktirmek böylece kullanım süresini uzatmak amacı ile mikrokapsülenmiş kendini onarabilen polimerler kullanılmaya başlamıştır. Kaynaklar 1 White S R, Sottos N R, Geubelle P H, Moore J S, Kessler M R, Sriram S R, Brown E N Viswanatham S (2001) Autonomic healing of polymer composites, Nature 409 (6822) 794. 2 Trask RS, Williams HR, Bond IP (2007) Selfhealing polymer composites: mimicking nature to enhance performance. Bioinspiration & Biomimetics 2(1) 19. 3 Trask R S and Bond I P (2006) Biomimetic selfhealing of advanced composite structures using hollow glass fibres Smart Mat. & Struct. 15 704710. CBT 1231/ 12 22 Ekim 2010