Preparation and characterisation of polyacrylonitrile based nanofibers by electrospinning
- Global styles
- Apa
- Bibtex
- Chicago Fullnote
- Help
Abstract
Elektroeğirme, tarihçesi 1934'lü yıllara dayansa da 21. Yüzyılda yeniden keşfedilmiş ve aradaki süreçte neredeyse hiç çalışılmamış, farklı polimerlerden nano boyutta elyaf üretmeyi sağlayan bir tekniktir. Poliakrilonitril, çok yönlü uygulamalara açık olması sebebi ile, üzerinde en sıkça araştırma yapılan ve çalışılan polimerlerden biridir. Çözücü cinsinin ve çözelti konsantrasyonlarının nanoelyaf çaplarındaki değişime olan etkilerini gözlemlemek için bu çalışmada polimer olarak Poliakrilonitril (PAN), çözücü olarak ise Dimetilformamid (DMF), Dimetilasetamid (DMAc) ve Dimetilsülfoxid (DMSO) kullanılmıştır. Üç farklı çözücü içinde %5 ile %22.5 (v/w) arasında değişen konsantrasyonlarda 8 farklı çözelti hazırlanmış, her bir çözelti, sadece çözücü ve konsantrasyonun etkilerini görebilmek için sabit elektrik akımı, sabit toplayıcı uzaklığı ve sabit çözelti besleme oranında tek iğneli elektroeğirme düzeneği ile çekilmiştir. Toplayıcı mesafesi 20cm, voltaj 20 kV ve debi 3mL/saat olarak ayarlanmıştır.Elde edilen nanoelyafların karakterizasyonu Taramalı Elektron Mikroskobu ile yapılmıştır. Çözelti konsantrasyonunun ve viskozitenin değişiminin elyaf çaplarına olan etkisi incelenmiş farklı çözücüler için çalışmalar tekrar edilmiştir. Düşük konsantrasyon ve düşük viskozitede daha düşük elyaf çaplarına ulaşılabileceği, konsantrasyon, dolayısı ile viskozite yükseldikçe elyaf çaplarının da arttığı gözlemlenmiştir. Çözücülerin etkisi incelendiğinde, aynı konsantrasyonlarda daha düşük elyaf çaplarına DMF'in çözücü olarak kullanıldığında ulaşıldığı görülmüş, bu şartlarda PAN'ın elektroeğirmesi için kullanılan 3 çözücü içinde elyaf çaplarına ve oluşan ağın formasyonuna bakarak PAN'ın elektroeğirmesi için en kötü çözücünün de DMSO olduğu bulunmuşturNanoelyaf ağ tabakasındaki boncuk oluşumu incelenmiş, düşük çaplı elyafa sahip ağlarda boncuk oluşumunun daha olası olduğu görülmüştür. Her üç çözücü için de % 5 (w/v) konsantrasyonlarda boncuklanma oluşumu görülmüş, DMAc ve DMSO çözücülerinde daha üst konsantrasyonlarda boncuklanma görülmemiş fakat DMF için %7,5 (w/v) konsantrasyonda da boncuklanma gözlenmiştir. Düşük viskozitenin boncuklanmaya sebep olduğu görülmüştür.Çözeltilerin yüzey gerilimleri halka koparma yöntemi ile ölçülmüş, yüzey gerilimlerinin düşük konsantrasyonlarda çok fazla değişmediği görülmüştür. Bu çalışmada bütün çözelti ve konsantrasyonlarda elektroeğirmeyi başlatabilecek, dolayısı ile çözeltinin yüzey geriliminden daha güçlü bir voltaj uygulanması sebebi ile yüzey geriliminin elyaf çapları üzerine bir etkisi olduğu hakkında yorum yapılamamıştır.DSC çalışmaları nanoelyaf formuna çekilen polimerin camsı geçiş sıcaklığı ve bozunma egzoterm pikinde toz polimer haline göre her ikisi için de yaklaşık 10 0C lik bir düşüş olduğunu göstermiştir. Bu düşüş nanoelyaf haline geçen polimerin yüzey alanının artması ve yüzeydeki polimer zinciri kısımların bulk haline göre daha fazla olması dolayısı ile ısınmanın daha çabuk olması ve hareketlenmenin daha hızlı olması ile açıklanabilir.Taramalı Elektron Mikroskobu sonuçlarına destek olmak için Atomik Kuvvet Mikroskobu çalışmaları yapılmıştır. AFM çalışmaları elyaf çapları açısından SEM ile uyumlu sonuçlar vermiştir. Electrospinning, while historically first applied in 1934, is a technique that has been rarely used until the 21st century but re-invented again during the last decade which can be used to produce nanofibers by using a variety of polymers. Poly(acrylonitrile) (PAN) is one of the most widely investigated and used polymers due to its versatile applications. To investigate the effect of different solvents and solution concentrations on the nanofiber diameter, PAN was used as the polymer and Dimethylformamide (DMF), Dimethylacetamide (DMAc) and Dimethylsulphoxide (DMSO) were used as solvents in this work. For all three solvents, 8 solutions were prepared with different concentrations changing from 5% to 22.5 % (w/v). Each solution was electrospun under constant voltage, collector distance and feed ratio with a single needle system to specifically investigate the effects of solvent and concentration on the diameter of the nanofibers. Collector distance was set to 20 cm, voltage was 20kV and feed rate was 3mL/h.The characterization of the obtained nanofibers was performed by Scanning Electron Microscopy (SEM). The effect of solution concentration and viscosity on the nanofiber diameters were investigated for all three solvents. The results showed that with low concentrations and viscosities, nanofibers with smaller diameters could be obtained, while the diameters increase with increasing concentration and viscosity. Considering the effect of the solvents, it has been seen that the smaller diameters were observed when DMF was used as solvent and DMSO was found to be the least appropriate solvent for electrospinning due to the disorder in web formation and the high diameter of the PAN nanofibers.Bead formation on the nanofiber web was investigated and it was observed that the formation of beads was due to low viscosity. Bead formation was observed at 5% concentrations for all three solvents, disappeared for DMAc and DMSO for higher concentrations but has been observed for 7.5 % for DMF solutions. The viscosities of DMF solutions in these two concentrations were lower than the other two solvents.The surface tension of the solutions were measured with the platinum ring method and seen that the surface tensions of the solutions do not differ significantly for the different solvents at low concentrations. In this work, a constant voltage which was enough to start a jet for all solutions was used, so an effect of surface tension on the nanofiber diameters cannot be observed for these parameters.Differential Scanning Calorimetry measurements showed that glass transition temperature and the peak of the exotherm decreased for about 10 0C. This decrease can be the result of the increased surface area in nanofiber form. While the surface area was higher in nanofiber form, the amount of chains exposed from the surface would be higher compared to the bulk state. Additionally, the increase in the surface area facilitates the heat transfer.To support the SEM results, Atomic Force Microscopy (AFM) was used. The results were in harmony with SEM pictures regarding the nanofiber diameters.
Collections