Geri Dön

Production of cellulose nanowhiskers reinforced elastomeric nanofibers with electrospinning technique

Selüloz nanowhisker ile güçlendirilmiş elastomerik nano liflerin elektroeğirme yöntemi ile üretilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 332980
  2. Yazar: ONUR AYAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NURAY UÇAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Kimya, Physics and Physics Engineering, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2013
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Nano teknoloji, tekstil alanından fibröz malzemelere pek çok alanda her geçen gün daha fazla uygulama alanı bulan ve gelişmekte olan disiplinler arası bir teknolojidir. Malzemelerin boyutları mikron seviyesinden mikron altı veya nano mertebelere indiği zaman, çok yüksek yüzey alanı/hacim oranı, yüzey fonksiyonelleştirmede esneklikler, yüksek fiziksel performans gibi çok önemli özellikler gözlenmektedir. Geleneksel malzemelere kıyasla daha gelişmiş özellikler ve daha geniş bir kullanım alanı elde etmek amacıyla nanokompozit ürünlere yönelik çalışmalar ve endüstriyel uygulamalar her geçen gün önem kazanmaktadır. Karbon nano tüpler, killer, karbon black gibi malzemeler nano kompozit alanında hergeçen gün önem kazanan malzemelerdendir.Selüloz nanowhisker geniş bir kullanım ve uygulama alanı potansiyeline sahip nano malzemelerden biridir. Son yirmi yıldır selüloz nanowhisker üzerine çeşitli çalışmalar gerçekle?tirilsede bu malzeme üzerine detaylı yapılan çalışmalar oldukça yenidir. Biopolimerler canlı organizmaların içinde doğal olarak oluşan polimerlerdir.Selüloz nano whiskersın hammadesi olan selüloz, doğada en çok bulunan biopolimerdir. Ayrıca doğada çözünebilir oluşu, toksik olmayışı ve ucuz bir malzeme oluşu çevresel ve ekonomik açıdan önemini daha da arttırmaktadır. Selüloz nanowhiskerlar şu ana kadar yapılan çalışmalarda, hem doğal hem de sentetik matrislerde güçlendirici dolgu malzemesi olarak başarıyla kullanılmışlardır. Selüloz nanowhiskerlar yüksek modülüs, yüksek mukavemet, yenilenebilirlik ve bio-çözünürlük gibi pek çok avantaja sahiptir. Ancak diğer taraftan ticari kullanılabilirliğinin bulunmaması, düşük üretim verimliliği ve topaklanma gibi problemlere sahip olması bu malzemenin kullanılabilirliğinde karşılaşılan zorluklardır.Çapı 1 mikronun altında kalan lifler nanolif olarak adlandırıılmaktadır. Nanolifler de yüksek yüzey alanları, esneklikleri ve üstün mekanik ve termal özellikleriyle filtrasyondan yara örtücü yüzeylere pek çok alanda kullanım olanağı bulmaktadır.Nanolifler, yüksek yüzey alanlarıyla gerek hava ortamından gerekse de sıvı ortamdan kirletici partiküllerin filtrelenmesi konusunda yüksek filtreleme verimliliği sağlamaktadır. Pekçok teorik ve deneysel çalı?ma nanolif filtrelerin uçan partikülleri filtrelemede oldukça verimli olduğunu göstermektedir. Medikal alanda da nanolifler her geçen gün daha fazla kullanım olanağı bulmaktadır. Özellikle ilaç salınım sistemlerinde nanolifler; daha efektif bir ilaç terapisi, azaltılmı? yan etkiler ve hedeflenmi? ilaç salınımı sağlamaktadır. Doku mühendisliği de nanoliflerin kullanıldığı bir ba?ka medikal alandır. Elektro eğirme yöntemi en yaygın nanolif üretim metodudur. Bu yöntemle ilk flament üretimi 100 yıl kadar öncesine gitmektedir. Gene bu yöntem kullanılarak alınan ilk patent de 1930larda Formhals tarafından alınmı?tır. Elektro eğirme yönteminin diğer yöntemlerden en önemli farkı, nanolif üretimi için elektro-statik kuvvetleri kullanmasıdır. Kurulumu oldukça basit olan bu sistem, bir adet pompa, ?ırınga, yüksek gerilim kaynağı ve toplayıcı plakadan olu?maktadır.Elektro eğirme yönteminde, yüzey geriliminin yardımıyla bir iğnenin ucunda tutulan polimer çözeltisi bir elektrik alanına maruz bırakılır. Elektrik alanının artmasıyla birlikte yüzey gerilimine kar?ıt bir kuvvet olu?ur. ?ğnenin ucundaki polimer damlası Taylor Konisi denilen konik bir ?ekil alır. Elektriksel kuvvet yüzey gerilimini a?tığında ise Taylor Konisi?nin ucunda yüklü bir jet olu?ur. Malzeme iğne deliğinden püskürtüldükten sonra çözelti, malzeme toplayıcı plakaya gidene kadar buharla?ır ve toplayıcı plakada malzeme nanolif formunda toplanır.Bu çalı?mada, 3 farklı elastomerik polimerden (SEBS-g-MA, PS-Isoprene ve SBS)elektro eğirme yöntemi ile nanolif üretilmi?tir. Elastomerik polimerler, elastikiyetleri ve yüksek yüzey alanları gibi üstün özellikleri dolayısıyla yara örtücülük veya filtrasyon gibi alanlardaki potansiyel kullanımları sebebiyle seçilmi?tir. Farklı çözelti tipleri, bu çözeltilerin farklı oranlarda kombinasyonları ve farklı üretim parametreleri kullanılarak üretilen nanoliflerin çekilebilirlikleri ve lif morfolojileri incelenmi?tir.Yapılan testler neticesinde bu 3 polimer tipinin elektro eğirme işlemine uygunlukları SEM görüntüleri alınarak irdelenmiştir. Ayrıca elde edilen sonuçlara göre hangi çözeltilerin hangi oranlarda elektro eğirme işlemi için daha uygun olduğu araştırılmıştır. Bunun neticesinde ise işlem parametreleri üzerinde bir optimizasyona gidilerek en iyi nanolif morfolojisine sahip numuneyi üretecek parametreler tespit edilmi?tir. Daha sonraki selüloz nanowhisker içeren çalışmalarda ise polimer olarak, yapısının uygunluğu ve yüksek eğirilebilme özelliği sebebiyle SEBS-g-MA seçilmi?tir. SEBSg-MA termoplastik bir polimerdir. Genellikle polimer yapılarını modifiye etmek amacıyla, özellikle de Polipropilen ile beraber kullanılmaktadır. Polimerin yapısında bulunan Maleik Anhidird grup orta bloğa graftlanmıştır ve polimerin polar kaplamalarla olan etkileşimini arttırmaktadır. Polar yapıya sahip olan selüloz nano whisker ile yapılan denemelerde bu polimerin seçilmesinin ana sebeplerinden biri de budur. Nanolif üretimi için 2 farklı iğne tipi seçilmi?tir; tek uçlu ve coaxial. Tek uçlu sisteme göre daha yeni bir sistem olan coaxial uç, özellikle özlü yapıda veya içi boş liflerin üretilmesinde tercih edilen bir yöntemdir. Bu yöntemle fonksiyonalize edilmiş nano partiküller, nanolif yapısının içerisine veya dış yüzeyine yerleştirilebilir. Bu sayede katalizlerden gaz sensörlerine pek çok alanda kullanılabilir malzemeler üretilebilir. Coaxial yöntem aynı zamanda geli?kin optik, elektriksel ve mekanik özelliklere sahip konjüge polimerlerin eğrilebilme özelliğini de arttırmaktadır. xxiTek uç ile ypaılan deneylerde selüloz nano whisker polimer çözeltisine doğrudan katılırken, coaxial sistemde selüloz çözeltisi eğirme esnasında iç uçtan beslenmi?tir. Yapılan çalı?malarda iki sistemin avatajları ve dezavantajları taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınarak ortalama lif çapı ve çap dağılımı açısındanincelenmi?tir. Ayrıca yapıya katılan selüloz nano whiskerların lif morfolojisi üzerine etkileri de incelenmi?tir. Özellikle tek uçlu sistemde selüloz nano whiskerların polimer çözeltisine doğrudan katılması ile coaxial yöntemde iç uçtan beslenmesinin sonuçlar üzerindeki etkileri irdelenmiştir.Bunun dı?ında nanolif yapısıyla film yapısını kıyaslayabilmek adına selüloz nano whisker içeren nanokompozit film de üretilmi?tir. Ayrıca hem film hem de nanolif numunelerinde selüloz nanowhiskers içermeyen referans numuneler de üretilmiştir.Selüloz nano whisker içeren numunelerde, selülozun yapıdaki varlığı Fourier Dönünü?ümlü Kızıl Ötesi (FTIR) spektroskopisi sonuçları neticesinde, karakteristik tepe noktaları gözlemlenerek kanıtlanmı?tır. Üretilen tüm numunelerde selülozun 3200?3550 cm-1civarında görülen tipik -OH pikine rastlanmı?tır.TGA analizleri ile selüloz nano whiskerların malzemenin ısıl dayanımına olan etkisi incelenmi?tir. Ayrıca film ve nanolif numuneler de, termal dayanım yönündenkar?ıla?tırılmı?tır. Selüloz nano whisker içeren ve referans nanolif ve film numunelerinin mekanik özelliklerini incelemek adına gerilim yükleme cihazı (Instron) kullanılmı?tır. Bu sayede selüloz nano whiskerların malzemenin mukavemet, modülüs ve kopma uzaması gibi değerleri üzerine etkileri incelenmi?tir. Özellikle eklendiği polimer çözeltisinin elektrik iletkenliği değiştirmesi, selüloz nano whiskerların nanoliflerin mekanik özelliklerinde dramatik bir geli?me sağladığı gözlenmi?tir. Sonuç olarak; 3 farklı polimer tipi kullanılarak yapılan elektro eğirme i?leminde optimizasyon çalı?maları gerçekle?tirilmi?. Bunun devamında elde edilen en uygun numunelerle nanokompozit bir yapı üretilmi?tir. Yapıya katılan destekleyici selüloz nano whisker malzemesinin, nanolif ve film yapısı üzerindeki termal ve mekanik etkileri incelenmi?tir. Tüm bunların dı?ında selüloz nano whisker içeren kompozit yapılara ait sınırlı sayıdaki literatür çalı?masına da katkı sağlamak amaçlanmıştır

Özet (Çeviri)

Nanotechnology is an emerging interdisciplinary technology that has been booming in many areas. Nanomaterials with their enhenced properties, promise a great future and many possibilites for developing technologies including textiles and fibrious materials.Nanocomposite materails are gaining more application areas each day with the developing technology. Materials like carbon nano tubes (CNT), nano clays and carbon black are gaining more atteintion in scientific researches and high technology industrial applications. Cellulose nanowhiskers (CNW) are one of the nano materials which have great potenital of usage and application in nano composite area. Although some studies on cellulose nano whiskers (CNW) have been carried out in the last two decades, detailed investigations on the use of CNW in composite materials are quite recent. Cellulose is the most abundant biopolymer. It is also biodegredable, non-toxic, low cost. Cellulose nano whiskers have been successfully used as reinforcing fillers for both synthetic and natural matrices. CNW have great properties such as high aspect ratio, high modulus, high strength, renewability and biodegradability. But on the other hand lack of commercial availability, low yield production, agglomeration tendency are the main obstacles using CNW. Fibers with the diameter under 1 micron are called nanofibers. With their high surface area, flexibility, superior mechanical and thermal properties, nanofibers have many current and potential application areas from filtration to the medical field. In this study, nanofibers from 3 different elastomeric polymers (SEBS-g-MA, PSIsoprene and SBS) have been produced with electrospinning method. Elastomeric polymers have been chosen due to their potential application areas such as wound dressing or filtration because of their elasticity and high surface area. Different type of solvents with different combinations and different production parameters have been tried to investigate the spinnability and fiber morphology of resultant nanofibers.From the results it has been seen that, Toluene is not a suitable solvent for electrospinning process. Better results have been obtained from the studies with Cyclohexane, DMF and THF in certain ratios. Sample with the ratio of 10% SEBSg-MA, 70% Cyclohexane, 20% DMF and 10%THF has shown the best results in the spinning process. When the samples containing CNW were investigated, it has been seen that the presence of CNW results in a more uniform diameter distribution and also a decrease in the diameter of the each type of composite nanofibers, when compared with reference sample. Also different nozzle types in the electrospinning system have been investigated. It was found that the single-component nozzle system resulted in more uniform and thinner nanofibers than the coaxial nozzle system. In the single nozzle system, CNW were dispersed in the polymer solution before electrospinning process. But in the coaxial system CNW were carried by water into the core of the nanofibers during spinning without being directly mixed with the polymer solution. Not directly mixing the CNW caused more agglomeration and non-homogenous placement of CNWs in the nanofiber matrix.From the TGA analysis it has been seen that, addition of CNW decreases the thermal stability of the sample due to its low thermal stability. On the other hand presence of CNW increased the tensile strength around two-fold and modulus around three-fold of nanofibers.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    310633

    Preparation and characterization of polypropylene nanocomposite materials reinforced with cellulose nano whiskers by solvent casting

    Selüloz nano parçacıklarıyla güçlendirilmiş polipropilen nanokompozit malzemelerin solvent casting metodu ile hazırlanması ve analizi

    ELİF RAFİYE BAHAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. H. AYŞEN ÖNEN

    PROF. DR. NURAY UÇAR

  2. Tez No

    684548

    Production of cellulose by using bacteria isolated from homemade vinegar

    Ev yapımı sirkeden izole edilmiş bakteri kullanılarak selüloz üretimi

    İDİL YEMİŞER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    BiyomühendislikMarmara Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DİLEK KAZAN

  3. Tez No

    515751

    Selüloz esaslı takviyelendirici içeren yeşil kompozit üretimi

    Production of cellulose based reinforced green composite

    EBRU AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriYıldız Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR

  4. Tez No

    305497

    Selüloz-gümüş nanotaneciklerinin dezenfektan olarak üretimi ve biyolojik aktivitelerinin belirlenmesi

    Production of cellulose-silver nanoparticles and determination of their biological activity as disinfectant

    UTKU DOLDUR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUZAFFER YAŞAR

  5. Tez No

    547265

    Sirkeden izole edilen asetik asit bakterisi ile selüloz üretimi ve bakteriyel selülozun karakterizasyonu

    Production of cellulose by acetic acid bacteria isolated from wine vinegar and characterization of bacterial cellulose

    BURAK TOP

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    BiyolojiPamukkale Üniversitesi

    Biyoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAZİME MERCAN DOĞAN

Geri Dön