Optimization of solution blown PVDF nanofibers for air filtration applications
Hava filtrasyonu uygulamaları için çözeltiden üfleme yöntemi ile PVDF nanoliflerin optimizasyonu
- Tez No: 511470
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ KILIÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- 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: 96
Özet
Nanolif yapılı yüzeylerin yüksek yüzey- hacim oranına sahip olmaları ile kazandıkları birçok mekanik ve fiziksel özellikleri bu malzemelerin hava filtrasyonu, medikal kıyafetler, yara örtüleri, koruyucu kıyafetler, süper kapasitörler, Li-iyon piller, separatörler ve daha birçok uygulama alanında geniş bir kullanıma sahip olmalarına neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında elektroüretim işlemine göre yüksek üretim hızı ve nispeten düşük maliyetiyle öne çıkan çözeltiden üfleme işlemi ile PVDF nanolif filtrelerin üretimi için optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu doğrultuda endüstriyel kullanıma daha uygun olması ve insan sağlığını olumsuz etkileyebilecek çözücü malzeme kullanımını azaltmak amacı ile yaygın olarak kullanılan çözücülere alternatif olması amacı ile çalışmalarda DMSO çözücüsü kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda üretim esnasında çözücünün tam olarak buharlaştırılamaması nedeni ile homojen lif üretiminin gerçekleştirelemediğive ıslak yani çözücü içeren yüzeylerin oluştuğu gözlenmiştir. Deney tasarımı oluşturulurken istatiksel değerlendirmesinin yapılması ve optimum koşulların belirlenmesi için gerekli olan deney sayısının ciddi oranda azaltılmasını öngören ve yine kendi içinde bir çok parametreyi aynı anda değerlendirme imkanı sunan Taguchi methodu kullanılmıştır. L9 ortogonal matris oluşturulmuş ve belirtilen düzende dokuz deney, dokuz farklı PVDF-DMSO/AC çözeltisi hazırlanarak gerçekleştirilmiştir. En düşük lif çapı 610 nm olarak ölçülmüştür. Lif çapı ölçümleri üretim esnasında gözlemlenen iki farklı lif yapısı göz önüne alınarak yapılmıştır. Ölçümler sonucunda birbirne yapışarak lif demeti oluşturan yapıların (nispeten çok daha büyük çaplı lif oluşumu) dahil olduğu bir birinci ölçüm ve bu liflerin ölçümlere dahil edilmediği ikinci bir lif ölçümü gerçekleştirilmiş ve ortalama lif çapları iki ayrı değer şeklinde ifade edilmiştir. Bu çalışma ile çözücü etkisi ile oluşan kalın lif demetlerinin filtrasyon üzerindeki etkisi gözlemlenmek istenmiştir. İki ölçüm arasında ciddi farklar olduğu görülmüş ve ortalama lif çapı ve standart sapma değerleri belirlenerek karşılaştırılmıştır. Oluşan lif demetlerinin ölçülmesindeki birinci amaç üretilen filtre yüzeylerinin filtrasyon testleri esnasında büyük çaplı lifler şeklinde etki gösterecek olmalarıdır. Çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlar Minitab 18 yazılımı ile analiz edilip optimum koşulların tayini yapılmıştır. Varyans analizi (ANOVA) yapılarak seçilen faktörlerin ortalama lif çapı üzerindeki etkisi ve parametrelerin birbiri ile etkileşiminin istatiksel olarak değerlendirilmesi amaçlanmıştır. PVDF-DMSO/AC çözeltisinden analiz sonucunda belirlenen optimum koşullarda üretim gerçekleştirilmiş fakat toplayıcı yüzeyde lif oluşumu gözlenmemiştir. Bu deneyler ve analizler sonucunda çözücü etkisinin karşılaştırılmalı bir çalışmasının yapılabilmesi için aynı polimer malzeme ve aynı deney düzeni kullanılarak literatür çalışmalarında yaygın olarak karşımıza çıkan DMF/AC çözücü karışımı ile dokuz farklı PVDF çözeltisi daha hazırlanmıştır. Aynı işlemler ile yapılan deney sonuçlarında 166 nm ortalamanın elde edildiği onuncu bir deney gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada büyük çaplarda lif demeti oluşumu gözlenmediği için ikincil bir ortalama lif çapı ölçümü gerçekleştirilmemiştir. Böylece çözeltiden üfleme yöntemi ile PVDF nanolif üretiminde çözücü malzeme seçiminin ortalama lif çapı üzerinde çok büyük bir öneme sahip olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında varyans analizi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar polimer konsantrasyonun % 66,75 oranında lif çapı üzerinde etkin olduğunu göstermiştir. Analiz sonucunda elde edilen ve parametrelerin önemini ve birbiri üzerindeki etkisini istatisksel olarak ifade eden p-değeri 0,05'ten düşük bulunmuş ve tüm sonuçların istatiksel olarak anlamlı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca bu çalışmada DMF/AC çözücü karışımları ile daha yüksek konsantrasyonlarda üretim yapılabileceği ayrıca gözlenmiştir. Karşılaştırılmalı çalışma yapılabilmesi için yüksek konsantrasyonlarda çözelti hazırlanmamıştır. Deney seti sonunda elde edilen en düşük, en yüksek ve optimum koşulların belirlenmesinden sonra üretilen onuncu numune için ayrı ayrı dört kat nanolif kaplı yüzey üretilmiştir. Tek katlı olarak hava geçirgenlikleri test edilmiştir. Daha sonra bir, iki, üç ve dört katlı olarak hava filtrasyonu özellikleri test edilmiş ve optimum koşullarda üretilen numunenin penetrasyonu yaklaşık olarak % 0,88 elde edilmiştir. Bu da % 99,11 verime karşılık gelmektedir. Ticari olarak EPA 11 filtre seviyeleri yakalanmış ve bu çalışma ışığında endüstriyel olarak sonsuz uzunlukta yüksek performanslı filtre kağıdı üretimi gerçekleştirilebilceği görülmüştür. Filtrasyon özelliklerine ek olarak yapılan optimizasyon çalışması sonucunda, polimer malzemenin su iticilik ve düşük penetrasyon özellikleri göz öne alınarak koruyucu kıyafet ve membran üretiminde de çözeltiden üfleme yöntemi ile PVDF nanolif üretiminin endüstriyel uygulamalar için büyük önem kazanabileceğini de ayrıca göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Air purification has become an important issue worldwide as a result of the increasing population and industrial development. Melt-blown filters, spunbond filters, and glass fiber filters are the conventional air filters. Nanofibrous filters, as another and novel alternative for air filtration, offer higher efficiency, lower resistance or pressure drop, longer filter life, and flexibility compared to traditional filters. Mainly, fiber diameter and packing density (solidity) are the dominant factors on the nanofibers for the air filtration performance. This can be explained by the fact that filter efficiency increases when the diameter of fibers decreases. In this study, PVDF based nanofibrous webs were produced for particulate air filtration application. PVDF has extremely good mechanical, thermal and physical properties to adapt to various application areas such as air filters, membranes, supercapacitors, batteries, special textile products in industrial scale application. Its hydrophobic properties make it a perfect material for protective clothes application. In literature, there are lots of publications about PVDF nanofibers and their excellent properties in different application areas. Most of these studies are used electrospinning method to produce PVDF nanofibers. Electrospinning is the well-known method to produce polymeric nanofibers with old history. Unfortunately, due to its low production rate and electric potential, electrospinning method has not been adopted by the industry completely. Centrifugal spinning and solution blown spinning methods are more suitable to produce nanofibers in the industry due to their high production rate and safer components. In non-electro nanofiber production methods, solution blowing is one of the promising technique. Pneumatic forces are used to form the fiber from a polymer solution. In this technique, compressed air forwards the polymer solution towards a collector and fibers are collected as a nonwoven structure on the collector. In this thesis study, PVDF nanofibers are produced by using a semi-industrial solution blowing machine, which has 70 cm width and infinite length. It also has a multi-nozzle system with eight needles, and a hot air system to heat the compressed air to improve the evaporation of solvents. The aim of the study is the optimization of PVDF nanofibers production and to adopt the production of nanofiber webs into the industry for air filters. Firstly to prepare the solutions, DMSO was chosen as the main solvent since it is partially a less hazardous solvent. As a result of this study, homogenous fiber production could not be performed due to the fact that the solvent could not be completely evaporated, so the second set of experiments was conducted with commonly used solvent DMF to produce PVDF nanofibers. To form the design of the experiment, Taguchi method was used and in accordance with the results, optimum conditions were determined. The effect of parameters over the fiber diameter was analyzed. Furthermore, the analysis of variance (ANOVA) was applied to observe the effects of each parameter on fiber diameter. The results were found to be statistically significant. The concentration of polymer solution was determined the most dominant parameter with making contribution approximately 66,75% over the fiber diameter increment. Under optimum conditions, nanofibrous webs were produced and subsequently the air filtration efficiency of the webs was tested. The filtration properties of the nanofibrous webs comprised of several samples that have different average fiber diameters, which involves the optimum sample, were analyzed. With the optimum sample was obtained the maximum filtration efficiency, Knudsen number, and quality factor values. The results showed that the average fiber diameter was dominant over the air filtration performance. The results also showed that the filtration efficiency of the optimum sample had approximately EPA 11 level efficiency. After the filtration results, solution blow spinning with higher fiber production efficiency can be concluded as a feasible method of producing high-performance air filters.
Benzer Tezler
- Çözeltiden üfleme tekniği ile yeni tip filtre ve membranların geliştirilmesi
Development of novel filters and membranes by solution blowing technique
YUSUF POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Fabrication of nanostructured metal oxide materials and their use in energy and environmental applications
Nanoyapılı metal oksit malzemelerin üretimi ve enerji ve çevre uygulamalarında kullanımı
MEHMET DURMUŞ ÇALIŞIR
Doktora
İngilizce
2020
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- PTC ısıtıcı ünitesi geliştirilmesi tasarımı ve analizi
PTC heater unit development design and analysis
ALTAY TABANCACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNER ÇOLAK
- Ev tipi buzdolaplarında enerji tüketimine etki eden parametrelerin incelenmesi
An investigation of the parameters affecting on the energy consumption of refrigerators
ÖZGÜN SAKALLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Demir çelik endüstrisinde toz kömür ve karışımları enjeksiyonunun çevresel etkisinin incelenmesi
Investigation of environmental impact of pulverized coal and coal mixtures injection on the iron and steel industry
CEMİL KOYUNOĞLU
Doktora
Türkçe
2021
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ARISOY