Nanolif Üretimi ve Uygulamaları

Transkript

1 Nanolif Üretimi ve Uygulamaları Doç. Dr. Atilla Evcin Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Çözelti Özellikleri Elektro-eğirme sırasında kullanılacak çözeltinin özellikleri elde edilecek fiber yapısını önemli ölçüde etkilemektedir. Bu özellikler Molekül ağırlığı, viskozite, konsantrasyon, yüzey gerilimi, çözelti iletkenliği ve çözeltinin dielektrik sabitidir Elektroeğirmenin Parametreleri Elektroeğirme yöntemi ile fiber üretimi sırasında fiberlerin yapısını ve boyutunu etkileyen birçok parametre vardır. Bu parametreler; Çözelti özellikleri İşlem parametreleri Çevre parametreleri Molekül ağırlığı Uygulanan voltaj Sıcaklık Viskozite Akış hızı Nem Konsantrasyon Çözelti sıcaklığı Atmosfer cinsi Yüzey gerilimi Mesafe Basınç İletkenlik Dielektrik sabiti Toplayıcı etkisi İğne çapı Moleküler Ağırlığı Polimerin moleküler ağırlığı oluşturulacak çözelti viskozitesini etkiler. Aynı polimerin moleküler ağırlığı çok olan tipiyle elde edilen çözeltinin viskozitesi, moleküler ağırlığı düşük olan tipiyle elde edilenden daha fazladır. Elektroeğirme yöntemi için moleküler ağırlığının ve viskozitenin yeterli seviyede olması gerekmektedir. 1

2 Moleküler Ağırlığı Moleküler ağırlığının artması, polimer zincirlerinin uzadığı anlamına gelmektedir. Uzun polimer zincirlerinin birbirlerine tutunmalar da daha güçlü olmaktadır. Jet oluşumunda polimer esneyerek toplayıcı plakaya doğru yönelir. Bu aşamada zincirler arasında kopma meydana gelmemelidir. Bu nedenle monomer bazlı polimer çözeltilerinden elektroeğirme yöntemiyle lif eldesi mümkün olmamaktadır. Konsantrasyon Viskoziteyi arttırmanın bir diğer yolu da çözeltideki polimer konsantrasyonunu arttırmaktır. Molekül ağırlığında olduğu gibi, konsantrasyonun artması, zincirlerin birbirlerine tutunmasını arttıracaktır. Bu artış elektroeğirme işlemi sırasında zincirlerin birbirlerinden kopmadan, sürekli bir şekilde toplayıcı plaka üzerinde nanolif formunda toplanmasını sağlayacaktır. Moleküler Ağırlığı Konsantrasyon Polimer konsantrasyonu, çözeltinin viskozite ve yüzey gerilimini etkileyerek elektro-eğirebilirliğini belirleyen bir parametredir. Çözelti içerisindeki polimer konsantrasyonun artışı, çözeltinin viskozitesinin artmasına neden olur. 2

3 Konsantrasyon Fiber oluşumu için polimer konsantrasyonu yeterli bir değerde olmalıdır. Çözelti viskozitesi çok düşük ise yüzey geriliminin etkisi ile polimer toplayıcı üzerine damla şeklinde düşer. Eğer çözelti viskozitesi çok yüksek ise, çözeltinin iğne ucundan akması zor olacağı için fiber oluşumu gerçekleşmeyebilir. PEI nanoliflerinin konsantrasyona bağlı SEM görüntüleri: v a) %14, b) %16, c) %18, d) %19, e) %20, f) %22. Konsantrasyon Şekilde polieterimid (PEI) nanolifleri için konsantrasyona bağlı boncuklanma eğilimini ve lif çapının değişimini göstermektedir. Konsantrasyon Çözelti konsantrasyonu ile fiber çapı arasında da güçlü bir ilişki vardır. Çözelti konsantrasyonu arttıkça fiber çapı da artmaktadır. Sukigara ve arkadaşları ağırlıkça %5 ile %19,5 arasında değişen konsantrasyonlarda hazırladıkları çözeltilerden elektroeğirme yöntemi ile fiber üretmiştir. 3

4 Viskozite Ayrıca çözelti viskozitesinin üretim sırasında sıvı jetin parçalanması sonucu oluşan ve istenmeyen bir durum olan boncuksu yapı oluşumu üzerinde etkisi vardır. Düşük viskoziteli çözeltilerden üretilen fiberlerin üzerinde boncuk meydana gelmektedir. Çözelti viskozitesi artırıldığında boncukların şekli küreden elipse dönüşmekte ve giderek yok olmaktadır. Viskozite Viskozite Elektroeğirme yöntemi ile fiber üretebilmek için hazırlanan düzgün fiber üretimi için en önemli parametrelerden biridir. Üretim sırasında kullanılan çözeltinin viskozitesinin çok yüksek değerde olması iğne ucunun tıkanmasına, çok düşük olması da çözeltinin yerçekimi etkisi ile iğne ucundan damlamasına ve üretimin engellenmesine neden olur. Bunun için çözelti viskozitesi çok iyi ayarlanmalıdır. 4

5 Viskozite Viskozite Viskozitenin artmasıyla boncuk büyüklüğü ve sayısının azaldığı ve pürüzsüz nanoliflerin üretildiği görülmüştür. Fakat viskozitenin artmasının üretilen nanolif çapını kalınlaştırdığı da deneysel olarak kanıtlanmıştır. Elektriksel İletkenliği Farklı viskozitelerdeki PEO çözeltisinden üretilen fiberlerin SEM görüntüleri Çözeltinin iletkenliği, uygulanan elektriksel yükün polimere büyük oranlarda aktarılmasında önem arz etmektedir. iletkenliği arttırmak için iyonlar kullanılabilir. Özellikle tuz kullanılması ile polimer çözeltilerinin iletkenlik değerleri yükseltilmiştir. İletkenlik değeri ne kadar yüksek olursa, uygulanacak kritik voltaj seviyesi de o ölçüde az olacaktır ve altlık üzerinde daha geniş bir alanda fiber oluşumuna olanak sağlar. 5

6 Elektriksel İletkenliği Çizelgede elektroeğirme yönteminde kullanılan bazı çözücüler için elektriksel iletkenlik değerleri verilmiştir. Elektriksel İletkenliği Elektro-eğirme işlemi sırasında oluşan jetin yüzeyindeki yüklerin birbirini itmesi nedeni ile jetin boyunda uzama meydana gelir. Eğer çözelti iletkenliği artırılırsa jet üzerinde daha fazla yük taşınabilir. Eğer çözelti tam gerilme göstermez ise boncuk oluşumu gözlemlenir. Çözeltiye iyon ilavesi yapılarak jetin üzerinde meydana gelen gerilme ve uzama arttırılmış olur ve aynı zamanda boncuk oluşumu da engellenir Çözelti İletkenliği Çözelti iletkenliği azalırken boncuk sayısı ve fiber çapı artmaktadır. Çözelti iletkenliği (μs/cm) (a) 3,6 (b) 2,6 (c) 2 (d) 1,9 (e)1,8 (f) 1,7 İyonik tuz konsantrasyonun a) çözelti iletkenlik ve viskozitesi, b) ortalama fiber çapı ve boncuk sayısına etkisi 6

7 Elektriksel İletkenliği Çözelti iletkenliği arttıkça fiber çapında ve oluşan boncuk sayısında azalma meydana gelmiştir. 1,7 μs/cm iletkenliğe sahip çözeltiden üretilen fiberde yoğun miktarda boncuk oluşumu gözlenirken, 3,6 μs/cm iletkenliğindeki çözeltiden üretilen fiberlerde boncuk oluşumu gözlenmemiştir. Yüzey Gerilimi Elektro-eğirme sırasında fiber üretiminin gerçekleşebilmesi için elektrostatik kuvvetlerin yüzey gerilim kuvvetini yenmesi gerekir. Ayrıca yüzey gerilim kuvveti üretim sırasında boncuk oluşumuna da neden olabilir. Çözücü moleküllerinin konsantrasyonunun yüksek olduğu bölgelerde yüzey gerilim kuvvetinin etkisi ile moleküller bir araya toplanarak küresel şekil meydana getirir. Yüzey Gerilimi Moleküller arasında çekim kuvvetlerin bir sonucu olarak sıvıların serbest yüzeylerinde daima büzülmek ve mümkün olan en küçük yüzeyi almak isteyen bir molekül kalınlığında çok ince bir sıvı zarı meydana gelir. Bu zarı gergin tutan kuvvetlere yüzey gerilim kuvvetleri denir. Bu kuvvetler sıvının saflığına ve sıcaklığına bağlı olarak değişir Yüzey Gerilimi Yüksek viskoziteye sahip çözeltide çözücü molekülleri ile polimer molekülleri arasındaki etkileşim nedeni ile boncuk oluşumu engellenmiş olur (a) Yüksek viskozitede çözücü molekülleri ile polimer moleküllerinin homojen dağılımı (b) Düşük viskozitede çözücü moleküllerinin yüzey gerilimi nedeni ile bir araya toplanması 7

8 Yüzey Gerilimi Farklı çözücü miktarına bağlı olarak çözelti yüzey gerilimi ve viskozitesinin değişimi Dielektrik sabiti, çözücü polaritesini yaklaşık olarak veren bir niceliktir. Dielektrik sabiti, çözücünün, zıt yükleri birbirinden ayırma yeteneğinin bir ölçüsüdür. İyonlar arasındaki elektrostatik çekme ve itmeler, daha yüksek dielektrik sabitine sahip çözücüler içerisinde daha azdır. Vakumun dielektrik sabiti 1 varsayılır, çoğu gazın dielektrik sabiti de 1 dolayındadır. Çözücünün dielektrik sabiti ve dipol momentinin elektro-eğirme işlemine etkisi üzerine yapılan araştırmalar, çözücünün dielektrik sabiti ve dipol momentinin daha düşük çapta fiber üretimine neden olduğu ve boncuksu yapı oluşumunu engellediğini göstermektedir. Yüksek bir bağıl dielektrik sabiti, ( r >40), sürekli dipol momentin bulunması nedeniyledir. Çoğu moleküller iyi iyonlaşma özelliğine sahiptir ve diğer polar çözeltilerde çözünür. Diğer yandan çözücünün bağıl dieletrik sabiti düşük olduğunda ( r <20), zayıf bir iyonlaşmaya sahiptir ve sadece polar çözeltilerde daha az çözünür. 8

9 Tablo Bazı çözücülerin dielektrik özellikleri Çözücü r (D) Dielektrik Sabiti Dipol moment Aseton C 3 H 6 O Asetik asit C 2 H 4 O Amonyak NH Benzen C 6 H Kloroform CHCI Dimetilsülfoksit (CH 3 ) 2 SO Dioksan 1,4 C 4 H 8 O Su H 2 O Çözeltinin dielektrik sabiti yüksek olması, boncuklu yapının oluşumunu engellediği gibi daha düşük çapta fiber üretimine neden olur. N-N Dimetilformamit (DMF) gibi çözücüler ilave edildikleri çözeltinin dielektrik özelliklerini artırır ve fiberin boncuksuz düzgün şekil almasını sağlar. Metanol CH 3 OH Etanol C 2 H 5 OH Tablo Bazı çözücülerin dielektrik özellikleri Çözücü r Dielektrik Sabiti (D) Dipol moment Formamid CH 3 ON Dimetilformamid C 3 H 7 NO Nitrobenzen C 6 H 5 NO Tetrahidrofuran C 4 H 8 O Karbontetraklorür CCI Dietileter C 4 H 10 O Piridin C 5 H 5 N

10 10