Poly(anthranilic Acid)/polyacrylonitrile Polimerlerinden Nanolif Eldesi

Abstract

Bu çalışma üç ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, homojen bir çözelti elde etmek amacıyla Poli(anthranilik asit) ve Poliakrilonitril polimerleri dimetilformamid (DMF) çözeltisi içerisinde hazırlanmıştır. Çözeltiler hazırlanırken Poliakrilonitril ve dimetilformamid miktarları sabit bırakılmış, Poly(anthranilik asit) miktarı değiştirilmiştir. Sonuçları kıyaslayabilmek için içerisinde hiç PANA bulundurmayan sadece Poliakrilonitril ve DMF içeren çözelti de ayrıca hazırlanmıştır. Elektrospun yöntemiyle nanolifler oluşturmak için, elde edilen [Poli(antranilik asit)/Poliakrilonitril] çözeltisi ve Poliakrilotril çözeltisi 50 C’de 3 saat boyunca manyetik balık yardımıyla karıştırılmış, yeterli miktarda viskoziteye sahip ve homojen bir karışım elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde homojen ve yeteri kadar viskoz olan [Poli(antranilik asit)/Poliakrilonitril] ve Poliakrilonitril çözeltilerinden, elektrospun yöntemiyle nanolifler üretilmiştir. Elektrospin ya da elektrospinning olarak adlandırılan teknik, polimer çözeltisinden akıtılan damla üzerine uygulanan yüksek elektrik akımı ile, polimer zincirlerinin uzamasını ve nano-ölçekte elyaflar üretilmesini sağlayan bir yöntemdir. Çözelti, polimer vizkozitesi, elektrik akımı, polimerin dielektrik dayanımı gibi birçok fiziksel değere bağlı olarak düzgün, hatta yönlendirilmiş elyaf üretimi elde edilebilir. Kullanılan elektrospun cihazı 5.5 uL/h’den 400 mL/h’ye değişen besleme hızına sahip bir şırınga pompası, 50 kV a ulaşabilen yüksek voltajlı (direk akım) güç kaynağı ve metal toplayıcıdan oluşmaktadır. Bu çalışmada polimer besleme hızı 1 uL/h’dir. Güç kaynağı 15 kV olarak belirlenmiş, şırınga ucundan toplayıcıya kadar olan mesafe ise 15 cm olarak ayarlanmıştır. İçerisinde PANA bulunmayan çözeltiden elde dilen nanoliflerin çapları 113±23 nm iken, [Poli(antranilik asit)/Poliakrilonitril] çözelitisinden elde edilen nanoliflerin çapları 94±16 nm olarak kaydedilmiştir. Son bölümde ise elde edilen [PANA/PAN] elektrospun nanolifleri karakterize edilmeye çalışılmıştır. Oluşan nanolifler morfolojik olarak SEM ile analiz edilmiş ve yapısal olarak FTIR-ATR, ve UV-Vis spektrofotometrik analizlerinde kullanılmıştır. Içerisinde PANA bulunmayan nanoliflerin FTIR ve UV-Vis spektrofotometrik sonuçlarına kıyasla, Poly(antranilik asit) içeren çözeltilerden elde edilen naoliflerin analizlerinde yeni bağların oluştuğu gözlenmiştir. Ayrıca PANA miktarına bağlı olarak değişiklikler incelenmiştir. Elektrokimyasal analizler için ITO-PET üzerine farklı miktarlarda PANA içeren çözeltilerden yine elektropun yöntemiyle nanolifler kaplanmış ve döngülü voltametre ile farklı tarama hızlarında akım değerleri okunmuştur. Elektrokimyasal empedans spektroskopisinden elde edilen sonuçlara göre devre modellemesi yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmada PAN miktarı 0,5 g olarak ayarlanmış ve her çözelti için miktarı sabit tutulmuştur. Aynı şekilde DMF miktarı 10 mL olarak belirlenmiş ve sbait tutulmuştur. Hazırlanan çözeltilerde değiştirilen tek şey Poli(anthranilik asit)’in miktarı olmuştur. İçerisinde hiç Poli(antranilik asit) bulundurmayan çözelti PO, 0,005 g PANA bulunan çözeltiye P10, 0,075 g PANA bulunan çözeltiye P15 ve son olarak içerisinde 0,100 g bulunan çözeltiye P20 kodları kullanışmıştır. Hazırlanan tüm çözeltiler 50 C’de 3 saat boyunca manyetik balık yardımıyla karıştırılmış, yeterli miktarda viskoziteye sahip ve homojen bir karışım elde edilmiştir. Elde edilen fiberler morfolojik taramalı elektron mikroskobunda incelenmiştir. Spektroskopik inceleme için FTIR-ATR ve UV-Vis Spektroskopi cihazları kullanılmıştır. UV-Vis sonuçlarına göre spektrumda Poli(anthranilik asit)’e ait olan 340-380 nm arasında benzen halkalarına π-π* transizyon oluşumu gözlenmiştir. Görünür bölgede ise yine Poli(antranilik asit)’e ait olan 480-650 nm arasında poloron bağları görülmüştür. Bu piklerin oluşumu Poli(antranilik asit)’in yapıya girdiğini kanıtlamaktadır. Pikler arasında oluşan hipokromik kayma yapıdaki PANA miktarı arttıkça azalmaktadır. Hipokromik kayma, PANA’nın yapısında bulunan karboksilik grupların sterik etkisini ve buna bağlı olarak zincirler arasında yük transfer sağlanmasını ve iletkenliğin azalmasını göstermektedir. Bu çalışmada PANA miktarı arttıkça hipokromik etki azalmakta dolayısıyla iletkenliğin artmaktadır. FTIR-ATR sonuçlarına göre, Poli(antranilik asit)’e ait karakterstik pikler görülmektedir. Bu pikler 1693 cm-1’de C=O, 1579 ve 1518 cm-1’de C=C, 3230 cm-1’de karboksilik asit OH gerilme bağlarıdır. Elektrokimyasal ölçümler için döngülü voltametre kullnışmıştır ve Poli(antranilik asit)’in ailesi olan Polianilin’e ait pikler görülmüştür. 0,2 Voltta lökoemeraldin/emeraldin ve 0,7 Voltta emeraldin/pernigranilin pikleri görülmüştür. Bu pikler de yine PANA’ya ait olan karboksilik asit gruplarından kaynaklanmaktadır. Elektrokimyasal empedans ölçümleri yapılmış, ölçülen ve hesaplanan değerler birbiriyle çok iyi fit etmiştir. Uygun devre modellemesi (R(Q(R(CR))) olarak seçilmiştir. Elektrokimyasal olarak yapılan ölçümlerde kullanılanhücrede çalışma elektrotu olarak elde edilen nanofiber kullanılmıştır. Referans elektrot olarak gümüş elektrot, karşıt elektrot olarak ise platin tel kullanılmıştır. Çalışma elektrodu olarak kullanılan nanofiber hücre içerisnde bulunan 5 mL Son olarak Broadband Diliektrik Spektrometresinde elde edilen nanoliflerin elektrik iletkenliklerinin ölçümü yapılmıştır. Çıkan sonuçlar elektrokimyasal yöntemle elde edilen iletkenlikle kıyaslanmış, benzer zonuçlar çıktığı gözrülmüştür.

This study can be categorized into three parts. The first part aims to obtain homogenous blends of [Poly(anthranilic acid)/Polyacrylonitrile] within dimethylformamide (DMF) solution. The obtained solutions were stirred magnetically for 3 hours at 50 C in order to get homogeneous blends with enough viscosity for electrospinning. The second aim was to obtain Nanofibers of [Poly(anthranilic acid)/Polyacrylonitrile] blends by electrospinning method which can be used for adhesives and coatings. The electrospinning apparatus consisted of a syringe pump (NE-500 Model, New Era Pump Systems, Inc., USA) with a feeding rate from 5.5 uL/h to 400 mL/h, a high voltage direct current (DC) power supplier generating positive DC voltage up to 50 kV DC power supply (ES 30 Model, Gamma High Voltage Inc., USA), and a grounded collector loaded into a syringe. The feeding rate of the polymer solution was controlled by a syringe pump and the solutions were electrospun horizantally on to the collector. Processing parameters effects on the morphology such as fiber diameter and its uniformity of electrospun polymer nanofibers were not changed during the process. Effects of polymer solution concentration on the electrospun nanofiber morphology were investigated. Based on the concentration depends on diffent amount of Poly(anthranilic acid) study, electrospun [Poly(anthranilic acid)/Polyacrylonitrile] nanofibers as small as 94 ± 16 nm were successfully produced. The diameters of the fibers decreased slightly as the concentration of the Poly(anthranilic acid) content is increased. Finally, the third aim was to characterize the electrospun nanofibers of [Poly(anthranilic acid)/Polyacrylonitrile] blends. Spectroscopic, morphological and electrochemical characterization of nanofibers were performed by Fourier Transform Infrared-Attenuated Total Reflectance (FTIR-ATR), UV-Visible Spectrophotometer (UV-Vis), Scanning Electron Microscopy (SEM), Cyclic Voltammogram (CV) and Broadband Dielectric/Impedance Spectrometer (BDS). The electrochemical behaviour of nanofibers of [Poly(anthranilic acid)/Polyacrylonitrile] blends on ITO-PET electrode was tested through cyclic voltammetric measurements in an acidic electrolyte. Electrochemical measurements (EIS with supplied Power Sine software package and Cyclic Voltammograms) were performed with a Princeton Applied Research (PAR) Parstat 2263 potentiostat (Oak Ridge, USA). ). The potentiostat is a self-contained unit that combines potentiostatic circuitry with phasesensitive detection. The impedance measurements were carried out by scanning in the frequency range 10 mHz–100 kHz with applied AC signal amplitude of 10 mV using Power Sine. The impedance spectrum was analyzed using AC impedance data analysis software (ZSimpWin V3.10, Michigan, USA). The electrical properties of electrospun nanofibers were determined by electrochemical impedance measurements in monomer free solution for the first time.