Bimodal fonksiyonel dokusuz hava filtrelerinin üretimi ve geçirgenlik özelliklerinin karakterizasyonu

Abstract

Nüfus artışı ve hızlı sanayi gelişimi nedeniyle temiz havaya olan ihtiyaç artmaktadır. Katı partikül maddeler, organik maddeler ve salgın hastalıklara yol açan ajanları (mikrop, virüs vb) içinde barındıran kirli hava, insan sağlığı için önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Mikro ve nano ölçekteki PM10, PM2.5, PM1.0 ve PM0.3 olarak kategorize edilen Partikül Maddeler (PM), hava kirliğinin kaynaklarıdır. Partikül maddeler solunum sisteminde alveollere kadar nüfuz edebildikleri için kanser dahil çeşitli hastalıklara yol açabilmektedir. Dünya Sağlık Örgütü'ne (DSÖ) göre, her yıl 10 mikrometreden daha küçük parçacıkları içeren kirli havaya uzun süre maruz kalan 4 milyondan fazla kişi hayatını kaybetmektedir. Bu nedenle, bu parçacıkların havadan uzaklaştırılması/filtrelenmesi gerekmektedir. Filtreleme işlemi, havanın, nano- veya mikrogözeneklere sahip filtre yüzeylerinden geçirilerek, partikül maddelerin ayrıştırılma süreci ile tanımlanmaktadır. Özellikle hastanelerdeki yoğun bakım üniteleri, ameliyathaneler ve hastaların bulunduğu tüm ortamlarda havayı filtrelemek için HEPA veya ULPA filtreler kullanılmaktadır. Bunun yanında, yüksek seviyede PM bulunan ortamlarda çalışan kişilerin yüz maskelerini kullanmaları büyük önem arz etmektedir. Nano- ve mikro gözenekli dokusuz yüzeyler, solunan havanın zararlı etkilerini en aza indirmek için filtreler ve yüz maskeleri gibi filtrasyon yüzeylerinin üretiminde kullanılmaktadır. Nanolifli yüzeylerdeki gözenek boyutları da nano seviyelerdedir, dolayısıyla bu tür filtrelerle nano boyuttaki PM'leri filtrelemek mümkündür. Bu nedenle, hava filtrelemesi için nanolifli filtreler, mikrolifli filtrelere göre daha yüksek filtrasyon verimliliği (ղ) sunarlar. Çok ince nanoliflerden (65 nm'nin altında) meydana gelen filtre yüzeyleri, nanoliflerin yoğun bir şekilde paketlenmesi ile yüksek katılık değerine ulaşabilmektedir. Bu durum, havanın filtre yüzeyinden geçmesini zorlaştıraraak basınç düşüşü değerini artırıp, filtre yüzeyinin hızla tıkanmasına ve partiküllerin etkili bir şekilde filtrelenmesine engel olmaktadır. Bu durum, filtre yüzeyinin hızla tıkanarak havanın filtre yüzeyinden kolay bir şekilde geçmesine engel olur. Filtre yüzeylerinin hızlı bir şekilde tıkanmasını ve yüksek basınç düşüşü değerleri göstermesini engellemek için, nano- ve mikroliflerin biraraya gelerek oluşturduğu bimodal (Tez başlığında yer alan bu terim tüm çalışma boyunca yaygın kullanılacak bir terimdir. Filtre yüzeyinde iki farklı ortalama kalınlığa (çapa) sahip liflerin mevcut olduğunu ifade eder.) filtre yüzeyleri ön plana çıkmaktadır. Bimodal filtre yüzeylerinin yapısında nano- ve mikroliflerin birlikte bulunmasından dolayı, hava akış değerleri geniş bir Knudsen aralığında yer almaktadır. Bu sayede filtre yüzeyinden hava akışı daha kolay gerçekleşir. Filtre yüzeyinde mukavemeti daha yüksek olan mikroliflerin varlığı filtre yüzeyinin mekanik dayanıklılığını artırmaktadır. Bimodal yapıdaki yüzeyler kullanılarak, yüksek ղ, düşük basınç düşüşü (∆P) ve yüksek mekanik dayanıklılığa sahip filtre yapıları elde edilir. Literatürdeki bimodal filtre yapısı üzerine yapılan ilk çalışmalar genellikle simülasyon veya teorik hesaplamalara dayanmaktadır. Bimodal lif üretimine yönelik ilk çalışmalar, eriyikten üfleme (MB) yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Eriyikten üfleme yöntemini kullanan çalışmalarda, farklı erime sıcaklıklarına ve molekül ağırlıklarına sahip iki farklı polimerin ayrı ayrı ekstrüderlerden, tek bir ekstrüderden veya iki polimerin düze deliğinde buluşmasıyla elde edilen denizde adacık (Island in the sea) tipi liflerden oluşan yüzeylerin elde edildiği gösterilmiştir. Ayrıca literatürde, bimodal yapıların, kalın lif katmanları ve ince lif katmanlarının tabakalı bir şekilde oluşturulduğu çalışmalar da bulunmaktadır. Bu konudaki en dikkat çekici olan çalışmalar, yapısında nanonet içeren çalışmalardır. Bunlara ek olarak, literatürde elektro-üretim ve melt-blowing (MB) yöntemlerinin kombinasyonuyla filtre yüzeyi oluşturan bimodal çalışmalar da bulunmaktadır. Bu çalışmalarda çeşitli polimerler kullanılmaktadır. Çözeltiden üretilen lifli yüzeyler, genellikle poliviniliden florür (PVDF), poliakrilonitril (PAN), termoplastik poliüretan (TPU), poliamid-6 (PA-6), poliamid-6.6 (PA-6.6), polivinil alkol (PVA), politetrafloroetilen (PTFE) gibi sentetik polimerlerden veya jelatin, kolajen, kitosan, karboksimetil selüloz gibi doğal kökenli polimerik malzemelerden elde edilebilir. MB yöntemi kullanılarak eriyikten elde edilen lifli yüzeyler ise polyester (PET), polipropilen (PP), polibütilen tereftalat (PBT), polilaktik asit (PLA) gibi çeşitli termoplastik polimerlerden veya cam yünü gibi doğal kökenli malzemelerden elde edilebilir. Bu çalışma kapsamında öncelikle PVDF'ten üretilen nanoliflerin malzeme ve üretim sistemi parametrelerinin optimizasyonu üzerinde durulmuş ve PVDF bazlı elektret (Bu çalışma kapsamında elektret kelimesi yaygın kullanılmaktadır. Bu terim polimerlerin yüzeylerine uygulanan harici etkenler nedeniyle polimer zincirindeki serbest uçların polimer yüzeyine yönlenmesiyle oluşan negatif veya pozitif yüklerle yüklenmesini ifade eder.) nanolifli yüzeylerin elektro-üfleme yöntemi ile üretimi optimize edilmiştir. Deneysel parametreler, Taguchi üç düzeyli L9 ortogonal tasarımı kullanılarak sistemli bir şekilde oluşturulmuş ve ANOVA ile istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Bu bağlamda, incelenen parametreler çözelti konsantrasyonu, hava basıncı ve elektrik alan olmuştur. Bu parametreler arasında, lif çaplarını en çok etkileyen faktörlerin çözelti konsantrasyonu ve elektrik voltajı olduğu belirlenmiştir. En ince nanolifli filtre yüzeyini (124±71 nm) üreten optimum parametreler, sırasıyla %9 çözelti konsantrasyonu, 2 bar hava basıncı ve 30 kV elektrik voltajıdır. Ayrıca, numunelere uygulanan korona deşarj işlemi, kalite faktörlerinde %70'in üzerinde bir iyileşmeye neden olmuştur. Elektret filtre üretimine yöntelik araştırmalarımızda korona deşarjı ile polarizasyonunun oluşum mekanizmasını çözümlemek amacıyla yapılan bir başka çalışmada PVDF bazlı nanolif nanojeneratörler, elektro-üfleme (EB) yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Bu çalışmada uygulanan elektrik voltajı ve hava basıncının, lif morfolojisi ve piezoelektrik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 2 bar basınç altında üretilen numuneler, 3 bar basınç altında üretilen numunelerden daha ince lif çaplarına sahip olmuştur. Ayrıca, β-faz yüzdesi, uygulanan voltajın artmasıyla artmıştır. En yüksek β-faz yüzdesi, 2 bar hava basıncı ve 30 kV ile üretilmiş numunede gözlemlenmiştir. En yüksek piezoelektrik etki, 224±60 nm ortalama lif çapına sahip numuneden elde edilmiş, β-faz içeriği %88 olmuştur. Sonuç olarak elektro-üfleme yöntemi ile üretilen PVDF nanoliflerin β-faz ve piezoelektrik etkisini maksimize etmek için polarizasyonun en etkin mekanizma olduğu belirlenmiştir. Bu tez kapsamında yapılan, farklı oranlarda PVDF ve polietilen glikol (PEG) polimerlerini içeren çözeltilerden elektro-üfleme yöntemi ile nanolif/nanonet yapılı filtrelerin üretildiği bir başka çalışmada, çözelti içeriğindeki suda çözünebilir, düşük molekül ağırlıklı PEG içeriğinin artırılması ve üretilen yüzeylere, bu tez kapsamında özgün olarak tasarlanan, su banyosu işlemi uygulanarak yapıdaki PEG'in uzaklaştırılmasıyla, lif çapları azaltılmış ve daha gözenekli yapılar elde edilmiştir. En yüksek PEG içeriğine sahip PVDF:PEG (3:7) numunesi, 170 nm ve 50 nm civarında ortalama çaplara sahip öbekler halinde nanolif/nanonet benzeri yapılar sergilemiştir. Geliştirilen bu numunenin ղ değerinde, korona deşarj işlemi sonrasında %3.6'lık bir artış, kalite faktöründe ise %60'lık bir iyileşme gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, PVDF:PEG (3:7) numunesi, çok yüksek bir ղ değeri (%99.57), oldukça düşük bir ∆P (158 Pa) ve bu sayede tercih edilen bir kalite faktörü (QF) 0.0345 sunan nanolif yapılı filtrelerin başarılı bir şekilde üretilebileceğini göstermiştir. Tez kapsamında filtre yüzeyinde nano- ve mikroliflerin homojen dağılımı veya katmanlı kullanımı yoluyla bimodal filtreler elde edilmiştir. Çalışmada, bimodal yapısal tasarımın etkisi, eriyikten üfleme (MB), çözeltiden üfleme (SB) ve elektro-üfleme (EB) yöntemleriyle üretilen çeşitli katman konfigürasyonlarında ve farklı çaplardaki liflerden oluşan yüzeylerin filtrasyon performansları karşılaştırılmıştır. Filtre numunelerinin gramajı 30 gsm olarak korunurken, 4 katmanlı filtre (4L) yapılarının kullanılması, tek katmanlı numunelere (L) kıyasla hava geçirgenliğinin artmasıyla sonuçlanmıştır. Bu şekilde oluşturulan 4L numunesi 148 Pa basınç düşüşü değeri ve en yüksek filtrasyon verimliliğine (%99,52) sahip olmuştur. Ayrıca 4L yapısındaki MB katmanının, SB nanoliflerinin MB'ye homojen bir şekilde dahil edilmesiyle elde edilen bimodal yüzeyler (BM) katmanı ile değiştirilmesi, filtrasyon verimliliğini %99,61'e yükseltmiş ve ΔP neredeyse aynı kalmıştır. PVDF:PP masterbatch kullanılarak eriyikten üfleme yöntemi ile üretilen filtre yüzeyine uygulanan korona deşarj işlemi ile, işlemi ile elde edilen bimodal yapıdaki 4BML numunesinde en yüksek filtrasyon verimliliği (%99,99) elde edilmiştir. Bu numunelerde bir ay sonrasında dahi filtrasyon verimliliği %99,90 olarak korunmuş; bu durum, elektret filtrelerinde bimodal lif dağılımının en yüksek avantaj sağladığını göstermiştir. PVDF nanoliflerin yapısına eklenen katkı malzemelerinin filtre yüzeyinin morfolojik yapısına etkisinin incelendiği çalışmada, Al(NO3)3.9H2O, NaCl, LiCl, KCl gibi katkı maddelerinin PVDF çözeltisine %1 ağırlık oranında ilave edildiği çözeltilerden nanolifli yüzeyler üretilmiştir. Al(NO3)3.9H2O katkı malzemeli numuneden en ince lif çapı ve en düzgün lif morfolojisi elde edilmiştir. Ayrıca, korona deşarjı işleminden sonra %99,95 ղ değeri ve 195 Pa ∆P değerleri elde edilmiştir. Tüm bu ölçümler sonucunda, Al(NO3)3.9H2O numunesinin ince lif çapı ve yüksek filtrasyon verimliliği ile PVDF için uygun bir katkı malzemesi olduğuna karar verilmiştir. Farklı triboelektrik serilerde yer alan PVDF ve PA-6 polimerlerinden üretilen nanoliflerinden elde edilen katmanlı yapıların incelendiği diğer bir çalışmada, triboelektrik etki ile birlikte bimodal etkinin filtrasyon performansına etkileri incelenmiştir. Ortalama 60 nm çapındaki PA-6 nanolifleri ile 176 nm çapındaki PVDF nanoliflerinden elde edilen bimodal filtre yapıları, korona deşarjı sonrasında %99,997 ղ değeri ve 193 Pa basınç düşüşü değerine ulaşmıştır. Dört hafta sonra İPA yöntemi ile deşarj işlemine tabi tutulan numuneler, filtrasyon testi sonrasında hem 0.26 kV yüzey potansiyeli hem de %99,829 ղ değeri ile yüksek filtrasyon ve yüksek triboelektrik özelliğini muhafaza ettiği kanıtlanmıştır. Erişilen bu filtrasyon değerleri tez kapsamında elde edilen ticari olarak değerlendirilebilecek en önemli çıktıyı oluşturmaktadır.