Production of electrospun polyacrylonitrile nanofiber yarn
Elektro-üretim yöntemi ile poliakrilonitril nano liflerden iplik üretilmesi
- Tez No: 510836
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
Elektro-üretim yöntemi ile farklı polimerlerden, polimer çözeltisi yada eriyiği kullanılarak nanolif üretilebilmektedir. En temel hali ile bu işlem, çözeltinin beslendiği bir iğne, nanoliflerin toplandığı bir toplayıcı ve elektrik alan oluşması için kullanılan bir yüksek voltaj güç kaynağından oluşmaktadır. Yüzey gerilimi etkisi ile iğnenin ucunda tutulan polimer çözeltisi damlacığına voltaj uygulanır. Elektrik alanın artması ile damlacık, Taylor Konisi adı verilen şekli alır. Elektriksel gerilimin, yüzey geriliminden baskın hale gelmesiyle koni halini alan damlacıktan jetler halinde çözelti fışkırmaya başlar. Toplayıcıya olan seyahatleri süresince jetler bir takım gerilme, uzama ve katılaşma (çözücünün buharlaşması ile) işlemine maruz kalır ve toplayıcı üzerine nanolif formunda birikirler. Ancak elde edilen naoliflerin, genellikle rastgele yerleşmiş tülbent yapıda olması, kullanım alanlarının sınırlı kalmasına neden olmuştur. Bu çalışmada iğneli elektro-üretim yöntemi temel alınarak, nanoliflerden iplik elde edilecek şekilde elektro-üretim düzeneğinin modifiye edilmesi, bu düzenek ile nanoliflerden oluşan bir iplik elde edilmesi ve bu sayede kullanım alanlarının genişletilebilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında iğneli elektro-üretim düzeneği temel alınarak yapılan deneyler ve cihaz modifikasyonları anlatılmaktadır. İlk çalışmalarda pozitif güç kaynağı tarafından beslenen üç iğne, topraklanmış döner toplayıcı ve iplik sarım ünitesi kullanılmıştır. Çalışmalar gösterdi ki, bu düzenek ile kesintisiz olarak iplik üretmek mümkün. %10'luk PAN çözeltisi kullanılarak, 20 kV voltaj ile ortalama lif çapı 320 – 355 nm olan nanolifler içeren iplik elde edilmiştir. Ancak aynı yüklü nanoliflerin birbirlerini itme eğilimi nedeniyle üretilen nanoliflerin tamamının iplik olarak elde edilemediği ve zamanla toplayıcıda biriktiği gözlendi. Bu da bir süre sonra ipliğin kopmasına neden olacaktır. Bu aşamda besleme ünitesi, pozitif ve negatif güç kaynakları tarafından ayrı ayrı beslenen iki iğne kullanılacak şekilde modifiye edilmiş, farklı yüklü nanoliflerin birbirlerine tutunma eğilimlerinden faydalanılmıştır. Modifiye edilen cihaz, zıt yüklü güç kaynaklarından beslenen iğneler, topraklanmamış dikey doğrultuda döner toplayıcı ve iplik sarım ünitesi kullanılarak son halini almıştır. İğneler, yuvarlak plastik bir tabla üzerine yerleştirildi. Dikey yönde ekseni etrafında dönebilen toplayıcı, iğnelerin üstüne gelecek şekilde konumlandırıldı. İplik sarım ünitesi, toplayıcı ile parallel, ama iğnelerin altında kalacak şekilde yerleştirildi. İğnelere ayrı ayrı pozitif ve negatif güç kaynaklarından voltaj verildi. İğne uçlarından fışkıran farklı yüklü nanolifler, yukarıda konumlanan toplayıcıya doğru yönlendiler. Zıt yüklü olan nanolifler, birbirlerine tutunma eğiliminde olduğundan topraklanmamış toplayıcı tercih edildi. Nanolifler, toplayıcının ağız kısmında birikti ve bir ağ tabaka oluşturdular. Bir ucu toplayıcıya, diğer ucu iplik sarım ünitesine bağlı olan kılavuz bir iplik, toplayıcı ağzında biriken nanolif ağının ortasında kalacak şekilde yerleştirildi. Yeterince nanolif birikmesi ile kılavuz iplik, iplik sarım ünitesi tarafından sarılmaya başlandı ve bu da nanoliflerden oluşan ağ tabakayı ortasından çekerek koni şeklini almasını sağladı. Toplayıcının kendi ekseni etrafıda dönme hareketi ile koninin tepe noktasında incelen ağ yapıya büküm kazandırıldı. Daha sonra nanoliflerden oluşan bükümlü iplik, iplik sarım ünitesine sarıldı. Bu işlemde kesintisiz olarak iplik üretilebilmesi için, koni formundaki nanoliflerden oluşan ağ yapının sürekliliğinin sağlanmasının önemli olduğu görüldü. İğnelerden üretilen nanolif miktarının yeterli ve kesintisiz olması, aynı zamanda iplik sarım hızının nanolif üretim hızı ile orantılı olması gerektiği deneysel çalışmalarla gözlemlendi. Nanolif konisine yeterli miktarda nanolif katılabilmesinin sağlanması için doğru konsantrasyonda çözelti kullanılması, yeterli besleme oranının sağlanması ve üretim mesafesi ile voltaj değerlerinin optimize edilmesi gerektiği gözlemlendi. Ayrıca iğnelerin açıları da, nanolifleri direk toplayıcıya yönlendirecek şekilde ayarlanmalıdır. Farklı çözelti konsantrasyonları, voltaj, çözelti besleme oranı, üretim mesafeleri, iğne açıları, toplayıcı tipleri, toplayıcı ve iplik sarım ünitesi dönüş hızları parametreleri ile deneyler yapılmış. Bütün parametreler optimize edilerek nanoliflerden oluşan bükümlü PAN ipliğin kesintisiz olarak elde edilmesine çalışılmıştır. İpliği oluşturan nanoliflerin kuru olması, iplik düzgünlüğü açısından önemlidir. Bu nedenle elektro-üretim ile elde edilen nanoliflerin, toplayıcıya olan seyahati sırasında incelmeleri ve içerlerindeki çözeltinin buharlaşabilmesi için, yine işlem parametrelerinin optimize edilmesi üzerinde çalışılmıştır. Elde edilen ipliklerin karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. Değişen işlem parametrelerinin nanolif çapına, iplik düzgünlüğüne ve işlemin kesintisiz sürdürülebilmesi üzerine olan etkileri incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Nanotechnology is an interdisciplinary technology that finds more application areas to itself over time. Nanoscale materials exhibit different optical, thermal and magnetic properties compared to their bulk forms, and they promise a great opportunity and possibility in technologies including medicine, information technologies, energy and environment. Nano structures are defined as materials with at least one dimension is below 100 nm. However, nanofibers are defined as fibers with diameters less than 1 µm as the current production techniques cannot produce fibers under 100 nm. There are many methods to produce nanofibers. Electrospinning is accepted as the most effective and versatile technology among those methods. Electrospinning process relies on applying electrostatic forces to produce nanofibers from various polymer solutions or melts. Basic set-up consists of three main units; feeding unit (spinneret), collector and high voltage power supply. Voltage is applied to the droplet, which is held at tip of the spinneret`s needle under influence of surface tension. When the electrostatic forces overcome the surface tension, jets eject from the droplet towards to the collector. Jets undergo stretching, elongation, solidification during their travel and nanofibers are collected on the collector. However, they are generally in randomly oriented nonwoven mat form, which limits the utilization areas. In this study it is aimed to modify the needle electrospinning technique in order to obtain three dimensional yarns from nanofibers and expand the usage areas. Polyacrylonitrile (PAN) is a polymer used in many studies due to its suitability for versatile investigations and being precursor of carbon fibers. In this study, PAN is used as the polymer and dimethylformamide (DMF) is used as solvent. Polymer solutions were prepared in three different concentrations. In the first part of the study, experiments and device modifications made based on needle electrospinning technique are explained. In the first studies, three spinnerets, which are connected to positive high voltage power supply, a grounded vertically rotating collector and yarn winding unit was used. It was observed that, although it was possible to obtain staple yarn continuously with that apparatus, all the nanofibers cannot be drawn as yarn due to tendency of the same loaded nanofibers to repel each other. Some of the nanofibers were accumulated on the collector`s walls, which would cause the yarn to break after a while. At this stage the feeding unit has been modified to use two spinnerets connected to positive and negative high voltage power supplies separately, taking advantage of the tendency of oppositely charged nanofibers to hold together. The modified apparatus was finalized using a vertically rotating unearthed collector and yarn winding unit. Ejected nanofibers were deposited towards the collector and formed a nanofibrous web by covering mouth of the collector. A conventional guide yarn, of which one end was attached to collector and the other end to the winding system, was used to pull fibrous web from the center. A cone shape was formed due to pulling of the fibrous web. Vertically rotating collector was used to give twist to the yarn at the apex of the cone. Experiments were done with different polymer concentrations, applied voltage values, polymer feed rates, spinning distances, spinnerets angles, collector types and the speeds of the collector and the winding systems. It was tried to obtain twisted PAN staple yarn, composed of nanofibers, continuously by optimizing all process parameters. It is important to ensure dried nanofibers to join yarn structure as wet nanofibers cause yarn structure to be defected. For this reason, optimization of process parameters has been studied to obtain enough stretching, elongation and solvent evaporation of nanofibers during their travel between the spinneret and the collector. The characterization of the yarns was done visually with scanning electron microscope (SEM). The effects of varying process parameters on nanofiber diameter, yarn smoothness and continuity of the process have been investigated. In the last part of the study, the experimental work held with other spinnable polymers was explained. It was observed that the developed apparatus can be used to obtain yarns from all spinnable polymers.
Benzer Tezler
- Synthesis, characterization, and application of a novel thin film composite (TFC) forward osmosis (FO) membrane for seawater desalination
Deniz suyu arıtımı için yeni ince film kaplamalı ileri osmoz (İO) membranı üretimi, karakterizasyonu ve uygulanması
RAED M S ELKHALDI
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Yanma gecikmeli poliakrilonitril polimer ve elyafları üretimi
Producing flame retardant polyacrylonitrile polymers and fiber manufacturing from the same
MUSTAFA YILMAZ
Doktora
Türkçe
2020
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET AKAR
- Electrospun polyacrylonitrile based composite nanofibers containing polyindole and graphene oxide
Poliindol ve grafen oksit içeren poliakrilonitril tabanlı kompozit nanofiberler
İLKNUR BOZKAYA GERGİN
Doktora
İngilizce
2023
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Elektrospun PAN nanofiber ve grafen oksit ile takviye edilmiş polimer kompozit tabakaların mekanik performansının belirlenmesi
Determination of mechanical performance of electrospun PAN nanofiber and graphen oxide reinforced polymer composite plates
MUSTAFA SEVBAN AKKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiBiyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ VOLKAN ESKİZEYBEK
- Elektrospinning tekniği ve UV ışımasının eşzamanlı olarak uygulanması ile nanofiber membranların uygulanması hazırlanması ve kıymetli metallerin adsorpsiyonunda
Preparation of nanofiber membranes by the implementation of electrospinning technique and UV radiation simultaneously and application on adsorption of precious metals
BİHTER ZEYTUNCU
Doktora
Türkçe
2014
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN AKMAN
PROF. DR. ONURALP YÜCEL