Geri Dön

Producing biodegradable micro-nanofibrous webs via solution blowing and melt blowing methods and their air filtration applications

Çözelti üfleme ve erıyık üfleme yöntemlerı̇yle bı̇yobozunur mı̇kro-nanofı̇bröz ağların üretı̇mı̇ ve bunların hava fı̇ltreleme uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 891945
  2. Yazar: ANDINET KUMELLA ETICHA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HARUN ÇUĞ, DR. ÖĞR. ÜYESİ YASİN AKGÜL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Karabük Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 233

Özet

Bu çalışmada, biyolojik olarak parçalanabilir biyomateryal ve sentetik parçalanabilir materyallerden yapılmış yeni bir çok katmanlı kompozit filtre membranı hava filtreleme uygulamaları için kullanılacaktır. Günümüzde, hava kirliliği seviyelerindeki artış ve COVID-19 gibi küresel salgınlar nedeniyle kirli havayı filtrelemek için filtre malzemelerine olan ihtiyaç artmaktadır. Bununla birlikte, filtrelerin büyük çoğunluğu, kullanımdan sonra çevreye atıldığında ikincil kirliliğe katkıda bulunan sentetik polimer bazlı filtrelerdir. Bu sorunu çözmek için, sentetik filtrelerin organik atık jelatin biyopolimer ve biyolojik olarak parçalanabilen sentetik bazlı polimerlerden yapılmış biyolojik olarak parçalanabilen alternatiflerle değiştirilmesi çok önemlidir. Bu, temiz bir çevrenin korunması ve temiz hava sağlanması için gereklidir. Bu çalışma, elektrik destekli çözeltiden üfleme (ESBS) veya elektro üfleme (EB) ve eriyik üfleme (MB) teknolojisi olarak adlandırılan optimize edilmiş jelatin nanofibröz ağları kullanarak biyolojik olarak parçalanabilir bir kompozit lifli ortam üretmeyi amaçlamaktadır. Buna ek olarak, polipropilen (PP)-termoplastik poliüretan (TPU)-çinko stearat (ZnSt) veya PP-polilaktik asit (PLA)-ZnSt'den yapılmış mikron altı dokunmamış ağlar eriyik üfleme yoluyla üretilmiştir. Elektret lifleri oluşturmak için korona şarjının etkisi de kullanılmış ve eriyik üflemeli filtre malzemeleri üzerinde karakterize edilmiştir. Filtrasyon performansı, mekanik özellikler ve biyolojik bozunma oranı yoluyla çevre dostu olmayı içeren karakterizasyon testi sonuçlarına dayanarak, PP-TPU veya PP-PLA-ZnSt eriyik üflemeli ağlar, kompozit dokunmamış ağlar oluşturmak için nanofiber jelatin malzeme ile birleştirilmek üzere seçilmiştir. Seçilen eriyik üflemeli malzeme, jelatin nanofiberlerin toplanması için bir substrat görevi görmüştür. Elde edilen kompozit filtre malzemesi,  0.3 µm (PM0.3) boyutundaki partikül madde aerosolünü kirli havadan uzaklaştırmak için bir hava filtresi olarak potansiyel kullanımı açısından incelenmiştir. Jelatin nanofiber ağların üretimi ESBS teknolojisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Jelatin konsantrasyonu, hava basıncı ve elektrik voltajının nanolif ağların ortalama lif çapı (AFD) ve ortalama damlacık alanı (ADA) üzerindeki etkisi Taguchi deney tasarımı kullanılarak incelenmiştir. Taguchi optimizasyonunda ağırlıkça %9, 12 ve 15 jelatin konsantrasyonları, 1, 2 ve 3 bar hava basınçları ve 0, 15 ve 20 kV elektrik gerilimleri dikkate alınmıştır. Amaç, gelişmiş filtrasyon performansı için jelatin nanofiber filtre malzemesini optimize etmekti. Sonuçlar, G-12120 olarak etiketlenen optimize edilmiş nanolifli ağın ağırlıkça %12 jelatin konsantrasyonunda, 1 bar hava basıncında ve 20 kV elektrik voltajında üretildiğini göstermiştir. Burada, jelatin konsantrasyonunun değişen elyaf çapı ve damlacık alanı üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu bulunmuştur. G-12120 filtresi 0,3 μm partiküller için %90,5 filtrasyon verimliliğine sahiptir ancak 225 Pa basınç düşüşü vardır. Optimize edilmiş nanofibröz ağ 0,0105 Pa-1 kalite faktörüne (QF) sahiptir. PP-TPU eriyik üflemeli çalışmada, eriyik üfleme ile ilk kez gerilebilir ve yüksek filtrasyon performanslı bir PP-TPU tekstil malzemesi üretildi. Korona şarjlı çift katmanlı 80PP-20TPU nonwovenlar, 95 L/dak hava akış hızında %99,25 filtrasyon verimliliğine ve 0,13 mm H2O-1 QF değerine sahiptir. Ağırlıkça %20 TPU ilavesi PP'nin gerilme mukavemetini %72,22 ve uzamasını %38,1 oranında artırmıştır. Biyolojik olarak parçalanabilen önemli bir sentetik polimer olan PLA, son zamanlarda hava filtrasyonu için eriyik üfleme işleminde kullanılmaya başlanmıştır. Bununla birlikte, kırılganlık özellikleri eriyik üflemeli işlemeyi zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, ZnSt plastikleştirici eklenmesi esnekliği artırarak eriyik üflemeyi kolaylaştırır. Buna ek olarak, PP gibi diğer kolay eritilerek şişirilebilen polimerlerle karıştırılması PLA'nın eritilerek şişirme işlemini kolaylaştırabilir. PP, PLA ve ZnSt gibi polimerler kullanılarak biyolojik olarak parçalanabilen bir filtre malzemesi üretmek için eriyik üfleme tekniği kullanılmıştır. Bu bölüm, PP-PLA-ZnSt filtre malzemelerinin olağanüstü filtrasyon performansını ve esnekliğini keşfetmeyi amaçlamıştır. Korona şarjlı çift katmanlı 75PP-25PLA-ZnSt, 0,12 mmH2O-1 filtrasyon performansı ile 95 l/dak akış hızında %97,42 gibi etkileyici bir verimlilik elde etmiştir. Filtre malzemesi 75PP-25PLA-ZnSt ayrıca 380 ± 70 kPa maksimum gerilme mukavemeti ile olağanüstü gerilebilirliğe sahiptir. Bu nedenle, eriyik üfleme çalışmalarına dayanarak hem 80PP-20TPU hem de 75PP-25PLA-ZnSt benzer filtreleme performansı göstermektedir. Bununla birlikte, 75PP-25PLA-ZnSt, 80PP-20TPU'dan daha iyi bozunabilirliğe ve gerilebilirliğe sahiptir. Bu nedenle, 75PP-25PLA-ZnSt (MF), kompozit elyaf bazlı bir filtre malzemesi oluşturmak üzere jelatin nanolifleri toplamak için substrat olarak seçilmiştir. Son olarak, jelatin nanolifler (NF)/eritilerek şişirilmiş lifler (MF)-5 kullanılarak yeni bir biyolojik olarak parçalanabilir çift katmanlı kompozit filtre membran ürünü başarıyla üretilmiştir. Süreç, elektro-üflemeli NF ağlarının iki MF nonwoven arasında 5 dakika boyunca kaplanmasını içeriyordu. NF/MF-5 entegre filtre, 32 Pa'lık düşük bir basınç düşüşüne karşı %78,36'lık bir filtrasyon verimliliği sergilemiştir. Ayrıca, 0,05 Pa-1'lik tatmin edici bir yüksek filtrasyon performansı (QF) elde edilmiştir. Bu bulgular, NF/MF-5 kompozit lifli filtre membranının PM0.3 partiküllerini filtrelemek için uygun bir seçenek olarak hizmet edebileceğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler : Çözeltiden Üfleme; Eriyik Üfleme, Hava Filtreleme Performansı, Mekanik Mukavemet, Biyolojik Olarak Parçalanabilirlik. Bilim Kodu : 91425

Özet (Çeviri)

In this study, a novel multi-layer composite filter membrane made from biodegradable biomaterial and synthetic degradable materials would be used for air filtration applications. Nowadays, there is an increasing need for nonwoven filter materials to filter contaminated air, driven by the surge in air pollution levels and global outbreaks such as COVID-19. However, the vast majority of filters are synthetic polymer-based filters that contribute to secondary pollution upon disposal to the environment after usage. To address this issue, it is crucial to replace synthetic filters with biodegradable alternatives made from organic waste gelatin biopolymer and biodegradable synthetic-based polymers. This is essential for maintaining a clean environment and ensuring fresh air. This study aims to produce a biodegradable composite fibrous media by utilizing optimized gelatin nanofibrous webs through electrically assisted solution blow spinning (ESBS) sometimes also called as electro-blowing (EB) and melt-blowing (MB) technology. In addition, submicron nonwoven webs made of either polypropylene (PP)-thermoplastic polyurethane (TPU)–zinc stearate (ZnSt) or PP-polylactic acid (PLA)-ZnSt were produced through melt blowing. The effect of corona charging to create electret fibers was also employed and characterized on the melt-blown filter materials. Based on the characterization test results, which included filtration performance, mechanical properties, and environmental friendliness through biodegradation rate, either PP-TPU or PP-PLA-ZnSt melt-blown webs were chosen to be combined with the nanofiber gelatin material to form composite nonwoven webs. The selected melt-blown material served as a substrate for collecting gelatin nanofibers. The resulting composite filter material was examined for its potential use as an air filter to remove particulate matter aerosol size of  0.3 µm (PM0.3) from polluted air. The production of gelatin nanofiber networks was achieved through the use of ESBS technology. The impact of gelatin concentration, air pressure, and electric voltage on the average fiber diameter (AFD) and average droplet area (ADA) of the nanofiber networks was examined using the Taguchi design of experiment. The Taguchi optimization considered gelatin concentrations of 9, 12, and 15 wt.%, air pressures of 1, 2, and 3 bar, and an electric voltage of 0, 15, and 20 kV. The objective was to optimize the gelatin nanofiber filter material for improved filtration performance. The results showed that the optimized nanofibrous web, labeled as G-12120, had been fabricated at a gelatin concentration of 12 wt.%, air pressure of 1 bar, and electric voltage of 20 kV. Herein, gelatin concentration was found to have a significant influence on varying fiber diameter and droplet area. The G-12120 filter had a filtration efficiency of 90.5% for 0.3 μm particles but had a pressure drop of 225 Pa. The optimized nanofibrous web had a quality factor (QF) of 0.0105 Pa−1. In the PP-TPU melt-blown study, a stretchable and high-filtration performance PP-TPU textile material was produced for the first time by melt-blowing. Corona-charged double-layer 80PP-20TPU nonwovens have a filtration efficiency of 99.25% and a QF of 0.13 mm H2O-1 at an air flow rate of 95 L/min. The addition of 20 wt.% TPU increased the tensile strength of PP by 72.22% and elongation by 38.1%. PLA, a prominent biodegradable synthetic polymer, recently started to be used in the melt-blown process for air filtration. However, its brittleness properties make the melt-blown processing challenging. Hence, adding a ZnSt plasticizer improves flexibility, making melt-blowing easier. In addition, blending it with other easily melt-blown processable polymers like PP could smoothen the melt-blowing process of PLA. A melt-blowing technique was employed to produce a biodegradable filter material using polymers such as PP, PLA, and ZnSt. This part aimed to explore the exceptional filtration performance and elasticity of the PP-PLA-ZnSt filter materials. The corona-charged double-layer 75PP-25PLA-ZnSt achieved an impressive 97.42% efficiency at a flow rate of 95 l/min, with a filtration performance of 0.12 mmH2O-1. The filter material 75PP-25PLA-ZnSt also has exceptional stretchability, with a maximum tensile strength of 380 ± 70 kPa. Therefore, based on the melt-blowing studies both 80PP-20TPU and 75PP-25PLA-ZnSt show similar filtration performance. However, 75PP-25PLA-ZnSt has better degradability and stretchability than 80PP-20TPU. Therefore, 75PP-25PLA-ZnSt (MF) was chosen as the substrate for collecting gelatin nanofibers to create a composite fiber-based filter material. Finally, a novel biodegradable bi-layer composite filter membrane product was successfully produced using gelatin nanofibers (NF)/melt-blown fibers (MF)-5. The process involved coating the electro-blown NF webs for 5 minutes between two MF nonwovens. The NF/MF-5 integrated filter exhibited a filtration efficiency of 78.36% against a low-pressure drop of 32 Pa. Additionally, a satisfactory higher filtration performance, QF of 0.05 Pa−1, was achieved. These findings suggest that the NF/MF-5 composite fibrous filter membrane could serve as a viable option for filtering PM0.3 particles. Key Words :Solution Blow Spinning, Melt-Blowing, Air Filtration Performance, Mechanical Strength, Biodegradability. Science Code :91425

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323855

    Nanolif yara örtücü yüzeylerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

    Development and characterization of nanofiber wound dressings

    ZARİFE DOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ DEMİR

  2. Tez No

    516147

    Karışık piridin türevli metal halojen kompleksleriyle modifiye edilmiş antibakteriyel mikro/nanoliflerin elektroeğirme yöntemiyle eldesi

    Producing antibacterial micro/nano-fibers modified with mixed pyridine metal halogene complexes via electrospinning

    DERYA KILIÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    KimyaBurdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi

    Malzeme Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH MEHMET EMEN

  3. Tez No

    788765

    Kemik doku mühendisliğine yönelik sitrat içeren iskele yapıların 3b baskı ile üretilmesi ve etkinliğinin değerlendirilmesi

    Producing with 3d printing and evaluation of efficiency of scaffold structures containing citrate for bone tissue engineering

    MÜGE MUŞMULA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Polimer Bilim ve TeknolojisiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Rejeneratif Tıp Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERDAR SEZER

  4. Tez No

    421087

    Preparation of biocomposites using spray dryer and their applications in drug delivery systems

    Püskürtmeli kurutucu ile biyokompozitlerin hazırlanması ve ilaç taşınım sistemlerinde kullanımı

    ERHAN ÖZSAĞIROĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Biyokimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  5. Tez No

    352370

    Peptit bağlı altın nanoparçacıklar kullanarak bazı eser elementlerin ayrılması

    Separation of some trace elements using peptide bound gold nanoparticles

    GİZEM GEDİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SÜLEYMAN AKMAN

Geri Dön