Elektro Lif Çekim Parametrelerinin Poliüretan Nanolif Çapı Ve Lif Morfolojisi Üzerine Etkisinin İncelenmesi

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2014-02-03
Yazarlar
Jahangiri, Sassan
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Yüksek elektrostatik alanlar pek çok endüstride çok geniş kullanım alanlarına sahiptir [J. Cross, 1987]. Yüksek elektrostatik alan, çapı birkaç nanometreden mikrometrenin alt sınırı arasında değişen ultra ince lifleri üretmek için polimer çözeltisine veya eriyiğine uygulanabilir. Bu tekniğe elektrostatik lif çekme veya elektro lif çekimi denmektedir. Elektro lif çekimi, çok geniş bir bilim ve teknoloji alanında kullanılan en yeni tekniklerden birisidir. Bu işlem ilk olarak 1897 yılında Rayleigh tarafından gözlemlenmiştir. İşlemin temeli 1969 yılında Taylor tarafından atılmış ve Formahls tarafından düzeneğin çeşitli modelleri patentlenmiştir [Bhardwaj ve ark., 2010]. Son yıllarda, nano ölçekli malzemeler üzerine yapılan araştırmalar son derece basit ve çok yönlü fakat aynı zamanda da ön işlemlerde ve sonraki analiz aşamasında son derece karmaşık olan bu işlem üzerine yoğunlaşmıştır [E. Zdeaveva ve ark., 2011]. Nanolifler çapı 10^-9 metre olan nano mertebesindeki liflerle ilişkilidir. Genellikle 50 nanometre ve 1 mikron arasında değişen çaplardaki lifler nanolifler olarak kabul edilir, fakat en iyi lifler genellikle en fazla 500 nm çapa sahiptir. Polüretanlar herbiri en az iki fonksiyonel grup içeren izosiyanatların ve bir alkolün basamaklı (step-growth) polimerizasyonu ile elde edilir [HUCESTE C ve ark., 2001]. Poliüretanlar farklı endüstri alanlarında çok çeşitli uygulamalara sahiptir. Bu uygulamalara örnek olarak otomotiv, inşaat, mobilya, ayakkabı, vb. Sektörlerindeki uygulamalar verilebilir. Günümüzde, poliüretan çözeltilerin özellikle koruyucu tekstiller ve doku mühendisliği uygulamalarında kullanılmak üzere başarılı bir şekilde elektro lif çekimi ile çekilmesine dair çeşitli yayınlar yer almaktadır [E. Zdeaveva ve ark., 2011]. Poliüretan tıpta doku mühendisliği (bağların yeniden konstrüksiyonu), yara örtme, ilaç/gen sevkiyatı, medical malzeme örtüleri, hijyen ve sağlık ürünlerinde kullanılabilmektedir [Bhardwaj ve ark., 2010], [Sheikh, F. A ve ark, 2009], [Han, J. ve ark., 2009]. Elektro lif çekimi düzeneği son derece basittir. Başlıca üç bileşeni yüksek-voltaj güç kaynağı, polimer çözeltisi veya eriyiği için jet olarak kullanılabilecek bir açıklığa da sahip bir hazne ve iletken bir toplama aletidir. Yüksek-voltaj güç kaynağının yayıcı elektrodu polimer çözeltisini veya eriyiğini ya direk olarak elektrodu polimer çözeltisinin veya eriyiğinin içine daldırarak veya elektrodu iletken bir jete bağlayarak şarj eder. Yüksek-voltaj güç kaynağının diğer veya topraklayıcı elektrodu, çevrimi tamamlamak üzere iletken toplama aletine bağlanır. Elektro lif çekiminde bundan başka düzenekler de mecvcuttur [Z. M. Huang ve ark., 2003]. Yayıcı elektrod tarafından polimer çözeltisi veya eriyiğinde oluşturulan aynı polariteye sahip yükler arasındaki Kolomb itme kuvveti, jetin uç kısmında yer alan yarı-küresel şekildeki damlacığın dengesini bozar ve konik şekilde (Taylor konisi) bir damlacık oluşturur. Elektrostatik alan kuvvetinde kritik bir değerin ötesindeki bir artış ile birlikte, Kolomb kuvveti yüzey gerilmesini geçer. Bunun sonucunda da, polimer çözeltisi veya eriyiğinin elektriksel olarak yüklenmiş akımı (yüklenmiş jet) püskürtülür. Elde edilen liflerdeki son derece yüksek yüzey alanı/kütle oranına bağlı olarak ve elde edilen nonwoven tülbentlerin mikrometre alt sınırı uzunluk skalasındaki gözeneklerin yüksek yoğunluğuna bağlı olarak, endüstride elektro lif çekimi uygulaması için çok fazla alan bulunmaktadır. Bunların içinde hava ve sıvı filtreleri, yara bantları, doku mühendisliği, yüzey modifikasyonları, ses emici malzemeler, tıbbi ve hijyenik filtreler de yer almaktadır [Kristine Graham, 2002], [Z. M. Huang, ve ark. ,2003]. Nanolif teknolojisinin askeri alanda da hafif koruyucu giysi sistemlerinde kullanımı da gelişmektedir. Balistik, kimyasal ve biyolojik korunma için nanolif uygulamaları aktif olarak incelenmektedir. Son yıllarda, nanoteknoloji üzerinde çok geniş araştırmalar yapılmasına rağmen, nanoliflerin termal özellikleri ve soğuk ortamlara karşı koruma potansiyeli nispeten daha az bilinmektedir. Önceki çalışmalar, liflerden yapılmış tabakalardaki ışınımla ısı transferinin 5 ve 10 mikrometre arasındaki lif çaplarında minimum hale geldiğini göstermektedir. Bununla birlikte, son derece küçük çaptaki liflerin veya 1 mikrometreden daha az çaplardaki liflerin ışınımla ısı transferi çok iyi bilinmemektedir. Nanolif içeren ısıl izolasyon tabakaları termal koruyucu giysinin ağırlığını ve hacmini azaltabilmekte ve askerlerin savaş alanındaki hareketliliğini artırabilmektedir [Phillip W. Gibson, 2007]. Elektrolif çekimi ile nanolif elde etmede en önemli hedeflerden birisi daha düşük lif çapları ve daha dar lif çapı dağılımına ilaveten daha düzgün lif morfolojisi elde etmektir. Özellikle, nanolifler üzerinde yer alan boncuklu yapı (beads-on-a-string structure) nanolif üretiminde istenmeyen ve minimumda tutulması hedeflenen bir yapıdır. Çözelti konsantrasyonu, düze ve toplayıcı plaka arasındaki mesafe, uygulanan voltaj ve çözelti akış hızı elektro lif çekimi ile elde edilmiş liflerin morfolojik görüntüsünü ve çaplarını direk olarak etkilemektedir. Bu tezin amacı, bu parametrelerin, çalışmada kullanılan termoplastik poliüretandan üretilen nanoliflerin çapı, çap dağılımı ve morfolojisine etkilerini incelemektir. Çözelti şartlarının morfolojik görünüm ve elektro lif çekimi ile üretilmiş liflerin ortalama çapı üzerine etkileri, nanolif numunelerinin Tarayıcı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron Microscope-SEM) görüntüleri alınarak incelenmiştir. Elde edilen görüntüler üzerinde yapılan lif çapı ölçümlerinden ve lifin yapısının incelenmesinden, çözelti konsantrasyonu, düse-toplayıcı plaka mesafesi, uygulanan voltaj ve çözelti akış oranının, önemli etkisi olduğu görülmüştür. Çözelti konsantrasyonunun en fazla etkiye, çözelti akış hızının ise daha az etkye sahip olduğu gözlenmiştir. Elektro lif çekimi prose ve çözelti parametrelerinin etkisini incelemek için, parametreler sabit tutularak ve sadece bir parameter değiştirilerek nanolif numuneleri üretilmiştir. Örneğin, bir grupta, düse-toplama plakası arasındaki mesafe, uygulanan voltaj ve akış hızı sabit tutulmuştur ve sadece çözelti konsantrasyonu değiştirilmiştir. Sonuçların doğruluğunu garantilemek için, her bir tip için 3 adet nanolif demeti tülbenti üretilmiştir. Poliüretan nanolif elde etmede, uygun çözücü seçimini gerçekleştirmek için tetrahidrofuran (THF) ve dimetilformamid (DMF) çözücüleri ile bunlardan elde edilen çözücü karışımı kullanılarak nanolif üretimi gerçekleştirilmiştir. Yapılan üretim sonucunda en uygun çözücünün DMF olduğu sonucuna varılmıştır. Kullanılan poliüretan için, yapılan denemeler arasında,en düşük lif çapı ve en az boncuklu yapıyı veren işlem parametrelerinin % 10 PU/DMF çözelti konsantrasyonu, 15 KV’luk voltaj, 15 cm’lik düse-toplayıcı plaka mesafesi ve 0.5 ml/saat’lik akış oranı olduğu gözlenmiştir.Elektro lif çekim parametreleri içinde çözelti konsantrasyonu ve akış hızındaki artışın lif çapını artırdığı görülmüştür.Çok düşük konsantrasyonlarda (4 wt%) çok sayıda micron sınırında damlacık mevcuttur. Bu düşük konsantrasyonlarda, bir jet segmanındaki viskoelastik kuvvet (az derecede zincir karmaşasının bir sonucu olarak) daha yüksek Kolomb kuvvetlerine karşı gelecek kadar büyük değildir. Bu nedenle, yüklenmiş jet daha küçük jetlere ayrılmakta ve bu daha küçük jetler de yüzey gerilmesi nedeniyle yuvarlanarak damlacıkları oluşturmaktadır. Bu özellikden endüstride farklı şekilde faydalanılmakta ve elektrospreyleme işlemi de denen bu işlemle boya püskürtme, ink-jet baskı ve tozla kaplama yapılabilmektedir. Daha yüksek konsantrasyonlar kullanıldığında, yüklenmiş jet damlacıklara ayrılmadığı için damlacık gözlenmemiştir. Bu etki, artan zincir karmaşası ve artmış viskoelastik kuvvete bağlanabilir. Kolomb kuvvetinin yüklenmiş jeti kollektöre doğru uzattığı düşünülmektedir. Ara konsantrasyonlarda (6wt%, 7wt%, 8wt%) ise nanolif ve damlacık kombnasyonundan oluşan bir yapı elde edilmiştir. Konsantrasyon çok az arttırıldığında (9wt%), damlacıklar ortadan yok olmuş ve nanolif ve boncuklu liflerden oluşan bir kombinasyon elde edilmiştir. Elde edilen boncuklu yapıda, boncukların bir kısmının uzatılmış bir şekle sahip olduğu görülmektedir. Düse-toplayıcı plaka arasındaki mesafe arttıkça lif çapı azalmaktadır. Jet ucu ve toplayıcı plaka arasındaki mesafe ne kadar uzunsa, jet segmentinin Kolomb itme kuvveti sonucu ile incelme olasılığı da o kadar yüksektir [Mit-uppatham ve ark., 2004]. Aynı şekilde, uygulanan voltaj arttıkça lif çapı azalmaktadır. Lifler üzerinde görülen boncuklu yapı da işlem parametrelerinden etkilenmektedir. Ayrıca, daha yüksek lif çaplarında boncuk sayısının arttığı görülmüştür.
High electrostatic fields have wide applications in many industries[J. Cross, 1987]. High electrostatic field can be applied to polymer solution or its melt to produce ultrafine fibers, having diameters in the range of a few nanometers to sub-micrometers, such a technique is called electrostatic spinning or electrospinning. Due to the exceptionally high surface area to mass ratio of these fibers and the high density of pores on the sub-micrometer length scale of the non-woven webs obtained,electrospinning has a wide range of applications in the industry sector, such as,air and liquid filters, wound dressings, tissue enginnering, surface modifications, sound absorptive materials and industrial, medical and hygenic filtrations [Kristine Graham, 2002], [Z. M. Huang, et al ,2003]. Electrospinning parameters, such as, solution concentration, nozzle-collector distance, applied voltage and solution flow rate,directly effect on the morphological appearance and diameters of electro-spun fibers. The purpose of this thesis was to determine the effects of these parameters on the morphology of the nanofibers produced from the utilized specific polymer, which was thermoplastic polyurethane and to determine the optimal amount of these parameters among the tested samples. The effects of solutionconditions on the morphological appearance and the averagediameter of electro-spun fibers were investigated by scanning electron microscopy (SEM) technique.It was observed that the electrospinning properties (i.e. solution concentration, nozzle-collector distance, applied voltage and the solution flow rate) were important factors in the final fiber diameter and fiber morphology. Among these properties, solution concentrationwas found to have the strongest and the solution flow rate to have the weakest effect. To investigate the effect of parameters on the morphology of the fibers, samples with the same parameters were made in a way that in each sample, one of the parameters was variable and all the other ones were remained constant. For instance, in one group of the samples, all the other parameters (like nozzle-collector distance, applied voltage, flow rate, etc.) were constant numbers and just the solution concentration differed among the samples of this group. To increase the accuracy of the results, three sampleswere produced from each differing parameter. The best electrospinning condition by adjusting parameters of solution concentration, tip-collector distance, applied voltage and flow rate was determined among the polyurethane nanofiber production trials using electrospinning. For the used polyurethane, the best solution concentration was 10wt% PU/DMF and the applied voltage, nozzle-collector distance and the solution flow rate respectively were 15kv, 15cm and 0.5ml/hr. This process condition gave the fiber morphology with least number of beads. In case of effects of electrospinning parameters on the fibers diameters, briefly, we conclude that with the concentration and flow rate increase the fiber diameter increases and with the screen distance and electric potential increase the fiber diameter decreases. At very low solution concentrations (4 wt%) a large number of sub-micron droplets were present. At such low concentrations, the viscoleastic force (a result of the low degree of chain entanglements) in a given jet segment was not large enough to counter the higher Coulombic force. Therefore, the charged jet was broken into smaller jets and these smaller jets turned into droplets by rounding as a result of the surface tension. This phenomenon has been used in the industry in applications of paint spraying, ink-jet printing and powder coating and it is termed as electrospraying process. When high concentrations were used, it was observed that there were nor droplets as the charged jet did not break up into droplets. This could be attributed to the increased chain entanglement and increased viscoelastic force. This suggests that the Coulombic stress elongated the charged jet to the collector. At intermediate concentrations (6wt%, 7wt%, 8wt%), a combination of nanofibers and droplets was observed. As the concentration was further slightly increased (9wt%), the droplets disappeared and a combination of nanofibers and beaded fibers. The beads had an elongated shape. The longer path length between the nozzle tip and the collector means that there will be a higher probability for the jet segment to thin down as a result of the Coulombic repulsion [Mit-uppatham et al., 2004]. The number of beads created directly depends on the diameters of the produced fibers, with an increase in the fiber diameter, the number of created beads decreases.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013
Anahtar kelimeler
elektro lif, nanolif, poliüretan, electrospinning, polyurethane, nanofiber
Alıntı