Poliakrilonitril esaslı nanokompozit lif üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Poliakrilonitril (PAN), akrilonitril monomerlerinin polimerizasyonu sonucu elde edilen ve termoplastik özellik gösteren bir polimerdir. Polar akrilonitril grupları sayesinde yapısında güçlü ikincil etkileşimler bulunduran bu polimer, iyi mekanik özelliklere ve termal dayanıma sahip olmak gibi üstün özelliklere sahiptir. Bu üstün özellikleri sayesinde poliakrilonitril lif endüstrisi tarafından yoğun talep gören bir polimer haline gelmiştir. PAN lifleri endüstriyel ölçekte çözeltiden eğirme yöntemine göre üretilmektedir. Uygun çözgende çözünen PAN çözeltisi lif eğirme sisteminden jel formunda çıktıktan sonra çöktürme banyosunda katılaştırılmaktadır. Bu yöntemle elde edilen lifler genellikle mikron boyutundadır. PAN, mikro lifler yanında nanolif üretimi için de yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Elektroeğirme yöntemi nanolif üretimi için kullanılan yöntemler içerisinde en etkin metodlardandır. Geleneksel PAN lifleri üretiminde olduğu gibi elektroeğirme yönteminde de çözeltiden eğirme tekniği kullanılmaktadır. Lifler, uygun viskozitedeki polimer çözeltisinden elektriksel kuvvet etkisi altında elde edilmektedir. PAN nanoliflerinin yanında nanokompozit PAN lifleri de üretilebilmektedir. Hem PAN hem de nanokompozit PAN lifleri ilaç salınımı, doku mühendisliği, filtrasyon, yanmaz dış giyim, halı ve perde kumaşı gibi çok çeşitli kullanım alanlarına sahiptirler. Halosit, nano boyutta ve tüp şeklinde bir yapıya sahiptir. Doğadan elde edilen bu nanotüpler, tarihte ilk defa 1826 yılında Berthier tarafından kullanılmıştır. Saf halde elde edilen halosit nanotüpler genellikle beyaz renktedir ve taş benzeri bu hammadde kolaylıkla toz hale getirilebilmektedir. Halosit nanotüpler, kolay erişilebilirlik, yüksek fonksiyonalite, yüksek mekanik dayanım gibi birçok olumlu özelliğe sahiptir. Bu özellikler sayesinde katalizör, adsorban ve polimer dolgu malzemesi olarak kullanılabilmektedir. Diğer kil türevli nanodolgu malzemeleri ile karşılaştırıldığında, halosit nanotüpler yüzeyindeki nispeten düşük hidroksil grup içeriği sebebiyle daha hidrofobik bir yapıya sahiptir. Bu sebeple polar olmayan polimerlerde kolayca dağıtılabilmektedir. Nanoboyutta olması ve yüksek en/boy oranı sayesinde farklı birçok polimer için ideal bir dolgu malzemesidir. % 5 gibi düşük miktarlarda eklenmesi bile polimerlerin modül, sertlik, darbe dayanımını nispeten artırmaktadır. Ayrıca nanotüp yapısından kaynaklı olarak ısı ve kütle taşınımını yüksek ölçüde engellemekte ve nanokompozit yapısında alev geciktirici olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada halosit nanotüpleri içeren nanokompozit PAN lifleri, elektroeğirme yöntemi kullanılarak üretilmiştir. İlk adımda PAN çözeltisi ile bir optimizasyon çalışması yapılmış, bu çalışmanın ardından nanodolgu ile beraber farklı konsantrasyonlarda çözeltiler hazırlanmış ve nanokompozit lifler üretilmiştir. Elde edilen liflerin morfolojik analizleri taramalı elektron mikroskobu (FESEM) ile, ısıl özellikleri termal gravimetrik analiz (TGA) ile gerçekleştirilmiştir.

Polyacrylonitrile (PAN) is a thermoplastic polymer produced via polymerization of acrylonitrile monomers. Thanks to the polar acrylonitrile groups, many strong secondary interactions are found in its structure and those lead to superior properties such as good mechanical properties and strong thermal strength. Because of so called superior properties, polyacrylonitrile has become a highly demanding polymer by the fiber industry.PAN fibers are produced by solution spinning technique in the industrial scale. PAN solution which dissolves in appropriate solvent is released from fiber spinning system in the form of gels and after that gels are solidified in the precipitation bath. The fibers obtained by this method are generally in the micron size. In addition to microfibers PAN is widely used for nanofiber production. Electro-spinning method is one of the most effective methods used for nanofiber production. As in traditional PAN fiber production, solution spinning technique is used in electro spinning method. The fibers are obtained by using electrical force from the polymer solution that has proper viscosity. Besides PAN nanofibers, nanocomposite PAN fibers can also be produced. Both PAN and nanocomposite PAN fibers have a wide range of applications such as drug release, tissue engineering, filtration, fireproof outerwear, carpet and curtain fabric.Halloysites are nano-sized and have tubular structure. These nanotubes obtained from nature were first used by Berthier in 1826 in history. Pristine halloysite nanotubes are usually white in color and rock- shaped materials can easily be powdered. Halloysite nanotubes have many advantages such as easy accessibility, high functionality, high mechanical strength. Thanks to these properties, it can be used as catalyst, adsorbent and polymer filling material. Compared to other clay-derived nanofiller materials, the halloysite nanotubes have more hydrophobic structure due to the relatively low hydroxyl group content on the surface. Therefore, it can be dispersed easily in non-polar polymers. It is an ideal filler material for many different polymers due to its high nanoparticle and high aspect ratio. Even in the addition of such low amounts of 5% modulus, hardness, impact resistance of polymers is relatively increased. It also prevents heat and mass transport due to its nanotube structure and it is used as a flame retardant in nanocomposite structure. In this study, nanocomposite PAN fibers containing halloysite nanotubes were produced by using electro-spinning method. First, an optimization study was carried out by PAN solution. After this study, different concentrations of solutions were prepared and nanocomposite fibers were produced. Morphological analysis of the nanocomposite fibers was carried out by scanning electron microscopy (FESEM), and thermal properties were characterized by thermal gravimetric analysis (TGA).