Electrospun nanofibers from copolymers and terpolymers of acrylonitrile, vinyl acetate and vinylphosphonic acid
Akrilonitril, vinil asetat ve vinilfosfonik asit kopolimerleri̇nden ve terpolimerlerinden elektro-eğirilmiş nanofiber eldesi
- Tez No: 517402
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NESRİN KÖKEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Polimer malzemeler, insan hayatının her alanında faaliyet göstermektedir. Seramik ve metal gibi malzemelere oranla daha hafif olmaları, kolay işlenmeleri, yüksek mekanik özellik göstermeleri sebepleri ile çok fazla tercih edilmektedirler. Kullanılacağı alana göre, polimer malzemelerin özelliklerini geliştirmek amacı ile fiziksel veya kimyasal yöntemler kullanılarak bir takım iyileştirmeler uygulanabilmektedir. Özellikle dolgu ve katkı maddeleri, polimer özelliklerini arttırmak amacı ile sık olarak kullanılmaktadır. Polimer yapısı, kullanılacak her bir dolgu ve katkı maddesine göre şekillenmektedir. Alev geciktiriciler, stabilizatörler, antioksidanlar ve plastikleştiriciler gibi katkı maddeleri sıklıkla kullanılmaktadır. Nanofiberler, 100 nm'nin altındaki çaplara, yüksek yüzey alanına ve yüksek gözenekliliğe sahip yüksek fonksiyonlu malzemeler olarak birçok uygulamada bulunmaktadır. Bu uygulamalar arasında tekstil endüstrisi, doku mühendisliğinde yapı iskeleleri, ilaç endüstrisi, enzim immobilizasyonu, filtrasyon, yara iyileşmesi, biyosensörler gibi alanlar bulunmaktadır. Akrilik elyaflar, tekstil endüstrisinde en çok kullanılan elyaf türüdür. Dünyada artan yün ihtiyacını karşılamak amacı ile yapılan çalışmalar sonucunda bulunan akrilik elyaf, yüne benzeyen doğal his vermesi, kolayca yıkanabilme, güneş ışığına ve kimyasallara karşı dayanıklılık gibi özelliklere sahip olmasından dolayı çok fazla tercih edilmektedir. Orlon patent adı ile piyasaya sürülen, %100 akrilonitrilin polimerizasyonu ile homopolimer olarak üretilen ilk akrilik elyaf, sert ve kırılgan ve boyanması zor olması sebebi ile ikinci bir monomer ile karıştırılarak, kopolimere dönüştürülerek tekstilde kullanıma uygun hale getirilmiştir. Genellikle yaş ve kuru çekim sistemleriyle üretilen, akrilonitril monomeri ve komonomerinden oluşan akrilik elyaf, nano elyaf olarak da üretilmektedir. Bu çalışmada akrilonitril kopolimer ve terpolimerlerinin nano elyaflarının üretilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaç doğrultusunda, akrilonitril monomeri ve komonomerlerin polimerizasyon reaksiyonu gerçekleştirilip, elektro-eğirilme tekniği kullanılarak nano elyaf eldesi gerçekleştirilmiştir. Aynı zamanda, akrilonitril kopolimerleri ve terpolimerleri, farklı su/monomer oranları ile değişik formülasyonlarda üretilmiş ve her bir formülasyondan nano elyaf eldesi gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, akrilonitril monomeri ve vinil asetat komonomeri 70 0C sıcaklıkta, amonyum persülfat başlatıcısı ile polimerleştirilmiştir. Su/monomer oranları; 3,5 ve 10 olarak ayarlanarak, farklı kompozisyonlarda kopolimerler üretilmiştir. Aynı yöntem terpolimer eldesi için de kullanılmıştır. Terpolimerin eldesi için akrilonitril ve vinil asetat monomerine ilaveten vinilfosfonik asit monomeri kullanılmıştır. Çevre dostu, halojensiz alev geciktirici türler olan fosfor içeren alev geciktiriciler yaygın olarak kullanılmaktadır. Yoğunlaştırılmış faz mekanizmasında, alev geciktiriciden gelen fosforik asit, polimerin termal bozunmasını değiştirerek kömür oluşumuna katkıda bulunmaktadır. İkinci aşamada, oluşturulan polimerlerden, dimetilformamid (DMF) çözücüsü kullanılarak çözeltiler hazırlanmıştır. Kopolimer çözeltileri %10 oranında hazırlanırken, terpolimer çözeltileri %5 oranlarında hazırlanmıştır. Bu çözeltiler, nano elyaf üretim yöntemi olan elektro-eğirme yönteminde kullanılarak, nano elyaf eldesi gerçekleştirilmiştir. Akrilik nano elyaflar ve polimerler, FTIR-ATR (Fourier Dönüşümlü Infrared Spektrofotometresi), SEM (Taramalı Elekron Mikroskobu), TGA (Sıcaklık Kütle Analizörü), DSC (Diferansiyel Taramalı Kalorimetri), Ostwald viskozimetre ve ICP (İndüktif Eşleşmiş Plazma) analiz cihazlarıyla karakterize edildi. Farklı su/monomer oranları ile hazırlanan kopolimer çözeltilerinden nanolif eldesi gerçekleştirildi. Aynı oranlarda hazırlanan terpolimer çözeltilerinden ise su / monomer oranı 10 olan terpolimer çözeltisinden nanolif eldesi gerçekleştirilebilirken, su/monomer oranı 3 ve 5 olan terpolimer çözeltilerinden nanolif eldesi gerçekleştirilememiştir. Nanolif eldesinin gerçekleştirilememesinin sebebi ise su/monomer oranı 3 ve 5 olan terpolimer çözeltilerinin yüksek viskoziteleridir. Yüksek viskoziteye sahip bu polimerlerin lif üretim aşamasında solvent attığı görülmektedir. Yarıkristal polimerlerin camsı geçiş sıcaklıklarının ve erime sıcaklıklarının komonomer ilavesi ile azaldığı bilinmektedir. Diffaransiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) sonuçlarında, akrilonitril homopolimerin camsı geçiş sıcaklığı ile kıyaslandığında terpolimer ve kopolimerlerin camsı geçiş sıcaklıklarının arttığı görülmektedir. Camsı geçiş sıcaklıklarındaki yükselme, vinil asetat monomeri ve vinilfosfonik asit monomerinde bulunan elektronegatif atomların oluşturduğu hidrojen bağının etkisinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, terpolimerlerin camsı geçiş sıcaklıklarındaki artmanın, kopolimerlere oranla daha fazla olduğu görülmektedir. Kor (karbon) tabakası, yanıcı uçucu maddeleri incelten su buharı oluşumunu arttırır. Aynı zamanda, ısı kaynağından polimerik malzemeye ısı transferini azaltır. Polimerlerdeki kalıntı miktarının artması, karbon tabakası oluşumunun arttığı anlamına gelmektedir. Yaklaşık %52 kalıntı miktarı ile CP-2 örneğinde, en fazla karbon tabakası oluşumu görülmektedir. Terpolimerler arasında ise %47 kalıntı miktarı ile TP-3 örneğinde, en fazla kalıntı miktarı ve en fazla karbon tabakası oluşumu görülmektedir. Ek olarak, terpolimer sentezinde kullanılan su miktarının artması ile terpolimer örneklerindeki karbon tabakası oluşumunun azaldığı görülmektedir. Sentezlenen kopolimerlerin ve terpolimerlerin karbon tabakası oluşumuna katkısının homopolimer ve ticari P(AN-co-VAc)' den daha az olduğu görülmüştür. Su tutma testi sonuçlarına göre, sentezlenen kopolimerlerin ve terpolimerin su tutma yüzdesinin homopolimer açısından artış gösterdiği görülmektedir. Kopolimerlerin ve terpolimerlerin su tutma yüzdelerini karşılaştırırsak, kopolimerlerin su tutma yüzdelerinin neredeyse terpolimerlere eşit veya daha büyük olduğu görülür. Bunun nedeni, terpolimerler içinde bulunan fosfonik asit gruplarının kendi aralarında hidrojen bağları oluşturması ve dolayısıyla su ile hidrojen bağlanma oranının azalmasıdır. Sentezlenen terpolimerlerin gösterdiği düşük su tutma değerleri, nanoliflerin farklı kullanım alanları için uygun olabilir. Bu polimerler suya dayanıklı, su tutma özelliği düşük nanolif eldesi için kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Polymer materials are active in every area of human life. They are preferred because they are lighter than ceramics and metals and are easy to process and have high mechanical properties. Depending on the area to be used, a number of improvements can be made using physical or chemical methods to improve the properties of polymer materials. Particularly fillers and additives are frequently used with the aim of enhancing the polymer properties. The structure of each filler and additive to be used varies depending on the polymer structure. Additives such as flame retardants, stabilizers, antioxidants and plasticizers are frequently used to improve the properties of the materials. Nanofibers are found in many applications as high function materials with diameters below 100 nm, high surface area and porosity. These applications include areas such as scaffolds in tissue engineering, drug delivery, enzyme immobilization, filtration, wound healing, biosensors. Acrylic fibers are the most commonly used fiber type in the textile industry. Acrylic fibers found in the works to meet the increasing wool need in the world are preferred because of their natural feel like wool, easy washability, resistance to sunlight and chemical resistance. The first acrylic fiber produced as homopolymer with 100% acrylonitrile polymerization, marketed by Orlon patent name, is hard and brittle and difficult to paint. In order to solve this difficulty, it was mixed with a second monomer and converted into copolymers to make the use in textile. Acrylic fiber, which is made up of acrylonitrile monomer and comonomer, usually produced by wet and dry spinning systems, can be produced as a nanofiber. In this study, it is aimed to produce nanofibers of acrylonitrile copolymers and terpolymers. For this purpose, the polymerization reaction of acrylonitrile monomers and comonomers was carried out and the nanofiber production was carried out using electrospinning technique. At the same time, acrylonitrile copolymers and terpolymers were produced in different formulations with different water/monomer ratios and nanofiber of each formulation was produced. In the first step, the acrylonitrile monomer and the vinyl acetate comonomer are polymerized with an ammonium persulfate initiator at a temperature of 70 °C. Copolymers have been produced in different compositions with the water/monomer ratios: 3,5 and 10. The same method was used for the terpolymer production. In addition to acrylonitrile and vinyl acetate monomer, vinylphosphonic acid monomer is used for the terpolymer. Environmentally friendly, halogen-free flame retardant species, phosphorus-containing flame retardants are widely used. In the condensed phase mechanism, flame retardant phosphoric acid contributes to the formation of coal by altering the thermal degradation of the polymer. In the second step, solutions were prepared from the polymers formed using dimethylformamide (DMF) solvent. While the copolymer solutions were prepared at 10%, the terpolymer solutions were prepared at 5%. These solutions were produced to use in electrospinning method which is a nanofiber production method. Nanofibers and polymers are characterized by FTIR-ATR (Fourier Transform Infrared Spectrophotometer), SEM (Scanning Electron Microscope), TGA (Temperature Mass Analyzer), DSC (Differential Scanning Calorimetry), Ostwald viscometer, ICP (Inductively Coupled Plasma) analysis. Nanofiber formation was carried out from copolymer solutions prepared with different water / monomer ratios. In the case of the terpolymer solutions prepared at the same ratios, the nanofiber formation of the terpolymer solution having a water / monomer ratio of 10 can be carried out, whereas the nanofiber formation of the terpolymer solutions having a water / monomer ratio of 3 and 5 can not be achieved. This is due to the high viscosity values of the terpolymer solutions with a water / monomer ratio of 3 and 5. These polymers with a high viscosity values appear to release solvent when fiber production is needed, during the fiber production stage. It is known that glass transition temperatures and melting temperatures of semicrystalline polymers decrease with comonomer addition. The results of differential scanning calorimetry (DSC) show that the glass transition temperatures of the terpolymer and copolymers are increased when compared to the glass transition temperature of the acrylonitrile homopolymer. The increase in glass transition temperatures is due to the influence of the hydrogen bond formed by the electronegative atoms in the vinyl acetate monomer and the vinylphosphonic acid monomer. In addition, the increase in glass transition temperatures of terpolymers is greater than that of the copolymers. The Char layer enhances the formation of water vapor which reduces flammable volatile substances. At the same time, it reduces heat transfer from the heat source to the polymeric material. The increase in the amount of residues in the polymer means that the formation of carbon layer is increased. In the sample CP-2 with a residual amount of about 52%, the most carbon layer formation occurs. Among the terpolymers, TP-1 with a residual amount of 47% shows the maximum amount of residues and maximum carbon layer formation. In addition, carbon layer formation in the terpolymers decrease with increasing the amount of water. It has been found that the contribution of the synthesized copolymers and terpolymers to carbon layer formation is less than the contribution of homopolymer and commercial P (AN-co-VAc) to the formation of carbon layer. According to the water absorption test results, it appears that the water absorption percentage of the synthesized copolymers and terpolymer increases with respect to homopolymer. If we compare the water absorption percentages of the copolymers and terpolymers, it is seen that the water absorption percentages of the copolymers are almost equal to or even greater than the terpolymers. The reason for this is that the phosphonic acid groups present in the terpolymers form hydrogen bonds between themselves and therefore the rate of hydrogen bonding with water is reduced. Low water absorption values of terpolymers may be useful for use in different areas of nanofibers. These polymers can be used to produce a water-resistant nanofiber.
Benzer Tezler
- 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 nanofibers of acrylonitrile and itaconic acid copolymer
Elektroçekim ile hazırlanmış akrilonitril ve itakonik asit kopolimeri nanolifleri
SELDA ŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. SEZAİ SARAÇ
- Biyouyumlu damar greftlerinin mikromekanik özelliklerinin nanoindentasyon ile belirlenmesi
Determination of micromechanical properties of biocompatible vascular grafts by nanoindentation
EMEL BERNA YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
BiyomühendislikTokat Gaziosmanpaşa ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN EĞRİ
DOÇ. DR. MUSTAFA OĞUZHAN ÇAĞLAYAN
- Elektro çekim yöntemiyle poly (styrene-b-ethylene-co-butylene)-b-styrene) triblok kopolimerinden fonksiyonel nanolif eldesi ve uygulamaları
Production of functional nanofibers of poly (styrene-b-(ethylene-co-butylene)-b-styrene) triblock copolymer and its applications
ESRA AKKULAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN AVCI
- Solution processing: Fabrication and characterization of polymeric nanocomposite films and polystyrene nanoparticles
Polimerik nanokompozit filmlerin ve polistiren nanoparçacıkların çözelti işleme, üretim ve nitelendirme teknikleri
MUSTAFA MUAMMER DEMİR