P PSBB-PSBH-based nanofibrous membranes for environmental and energy applications

Abstract

Bu tezde, çevreci enerji üretim yöntemlerine yönelik PVDF bazlı ve PVDF/karışım bazlı nanofiber membranların tasarımı yapılıp bu membranlar üretilmiş ve üretilen bu malzemelerin karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Bu membranlar yeni geliştirilen Aerosol Hava Filtrasyonu ve Lityum-İon Bataryaları alanlarında kullanıma yönelik olarak özel ve özgün bir Elektrik-destekli Çözeltiden Üfleme ile Eğirme yöntemi ile üretilmiştir.İlk olarak kullanılan Elektrik-destekli Çözeltiden Üfleme ile Eğirme yöntemini kısaca açıklamak gerekirse, bu yöntem geleneksel Elektro-eğirme ve Çözeltiden Üfleme adlı iki sık kullanılan ve oldukça olgunlaşmış iki yöntemin birleştirilmesi ile oluşmuş bir üretim şeklidir. İki yöntemin birleştirilmesi ile Elektro-eğirme ve Çözeltiden Üfleme yöntemlerinin birbirinden farklı olan avantajlı noktalarının biraraya getirildiği ve bu iki yöntemin dezavantajlarının oratk bir sinerji ile aynı anda minimize edildiği bir üretim yöntemi oluşturulmaya çalışılmaktadır. Bu şekilde hem eğirme sonucunda ortaya çıkan son ürünün özelliklerini daha iyi kontrol edilmesi, hem de üretim hızının arttırılması amaçlanmaktadır. Ek olarak, sistem büyük ölçüde nanofiber membran üretme maliyetini düşürebilir. Bu büyük bir üretim oranını destekleyerek mümkündür.Kısacası bu çalışma, aerosol filtrasyonu ve lityum-iyon pil uygulamaları için düşük maliyetle yüksek kaliteli membranların geliştirilmesinde önemli bir anlayış sağlar. Birincisi, bu çalışma elektret aerosol filtre ortamı geliştirmek ve ikincisi de güvenlik ve yüksek performanslı lityum iyon pil için ayırıcı olarak nano lifli bir zar geliştirmek ile ilgilidir.PVDF-bazlı nanofiber membranlar Aerosol hava filtrasyonu alanında kullanıma uygun şekilde üretilmişlerdir. Bu çalışmada, bir değişken haricinde tüm diğer değişkenlerin sabit tutulduğu ve bu değişkenin farklı değerlerinde aynı deneyin tekrarlanıp, üretimde ortaya çıkan her bir numunenin karakterizasyon analizlerinin yapıldığı ve her bir değişken için tekrarlanan adımlar sonrasında tüm sonuçların ayrı ayrı karşılaştırılmasının yapıldığı parametrik bir çalışma yapılmıştır. Bu parametrik çalışmada değiştirilen iki parametre çözelti derişikliği ve elektrik voltajıdır; diğer parametreler sabit tutulmuştur.Çözelti reolojisi, yüzey morfolojisi, filtrasyon etkinliği testleri, elektrik yüklerinin yok edilmesinden önce ve sonra iki kere yapılarak sonuçlar gözlemlenmiş ve ölçümlenmiş, bu özellikler üzerinden üretilen membranın performansı etüt edilmiştir. Sonuçlar, çözelti derişikliği ve elektrik voltajı parametrelerinin fiber çapı ve ortalama gözenek çapını, dolayısıyla da filtrasyon etkinliğini büyük ölçüde etkilediğini göstermiştir. Ayrıca elekrik voltajının varlığı elyaf tanelerinin elektrik yükleriyle bombalanmasına izin vererek membranın elektriksel olarak polarize olmasına olanak vermekte, bu da filtrasyon etkinliğinin daha da güçlenmesine olanak sağlamaktadır.Aerosol elektret filtre ortamının tek adımda geliştirilmesi mümkündür. Bu geliştirilen malzemelerin filtrasyon özellikleri, literatürdeki yeni geliştirilen membranlarla karşılaştırıldığında nispeten düşük bir basınç düşüşünde yüksek filtrasyon verimlerine sahiptir.İkinci grup deneylerde PVDF / modakrilik-SiO2 bazlı nanofiber membranlar üretilmiş ve üretilen bu membranların lityum-iyon bataryalarında ayırıcı olarak kullanımına yönelik karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Bir önceki deney grubunda yapılanın aksine bu gruptaki deneylerde iki katlı sistematik bir yöntem kullanılmış ve sistem, proses ve malzeme parametreleri sabit tutularak sadece karışım oranları değiştirilerek bu farklı değerler için deneyler yapılmıştır.İlk olarak tüm karışım içinde sabit bir oran olarak %13 oranındaki PVDF / modakrilik karışımında PVDF ve Modakrilik ikilisi dört farklı oranda karıştırılarak deneyler yapılmıştır. Bu dört farklı numune karakterizasyon analizlerine tabi tutulmuş ve porozite, elektrolit emilimi, iyonik iletim ve boyutsal kararlılık testlerine sokulmuştur.Daha bu noktada analiz sonuçları, halihazırda üretilen ve satılan ticari ayırıcılara nazaran büyük ve umut verici gelişim ve iyileştirme göstermiştir. Ancak bu noktada durulmayıp elde edilen ayırıcıların işlevselliğinin arttırılması amacıyla bir adım daha atılmıştır. Bir önceki sonuçlar incelenerek, numunelerin içinden en umut verici olan PVDF/Modakrilik'in %50:50 karışımı yüksek boyutsal kararlılık ve elektrolit emilimi gösterdiği için bir sonraki adım için seçilmiştir. Bu adımda hidrofilik SiO2 nanopartiküllerinin polimere olan ağırlık oranında değişikliğe gidilmiştir.Sonuçlar ağırlıkça % 0.1 ile % 1 gibi çok ufak oranlarda bile polimere katılan bu nanopartiküllerin nanofiberin porozitesini arttırdığını ve dolayısıyla elektrolit emilimini yükselttiğini göstermiştir. Boyutsal kararlılığa gelindiğinde ise polimerin içerisine bu arallığın alt limitinde nanopartiküllerin katılımının bile (ağırlıkça % 0.1 ) 140º C'de ayırıcının boyutsal kararlılığını arttırdığı ve böylece yüksek oranda güvenli lityum iyon bataryalarının üretimine olanak sağladığı görülmüştür.İyonik iletkenlik sonuçları, PVDF / modakrilik bazlı nano lifli membranın, yüksek porozite ve yüksek elektrolit alımına bağlı olarak ticari PP ayırıcılardan daha yüksek iyonik iletkenliğe sahip olduğunu göstermektedir. Ayrıca, bu iyonik iletkenlik, SiO2 nanopartiküllerinin eklenmesinden sonra daha da geliştirilmiştir.Ayrıca, PVDF / modakrilik bazlı nano lifli membran, membrana bir alev geciktirici özellik ekler ve poliakrilonitril bazlı membran ile karşılaştırıldığında mekanik özellikleri geliştirir. Genel olarak, modakrilik ve Si02 nanoparçacıklarının eklenmesi, lityum-iyon bataryadaki güvenlik sorunlarına bir çözüm sunar ve bunları, kırılgan ve biraz yanıcı PP ve poliakrilonitril bazlı membranların bir ikame olarak destekler.Modakrilik ve SiO2 içeriğinin, Lityum-iyon bataryadaki bir ayırıcı için mükemmel bir temel malzeme olduğu gösterilmiştir.Sonuçta, bu çalışma hava filtrasyonu ve enerji uygulamaları için fonksiyonel membranlar geliştirmiştitir.

In this thesis, PVDF-based and PVDF/blend-based nanofibrous membranes were developed and characterized for environmental energy applications. Those membranes were manufactured using a technique called Electrically-assisted Solution Blow Spinning to meet the development of Aerosol Air Filtration and Separator for Lithium-ion Battery applications.First, Eclectically-assisted Solution Blow Spinning is simply nanofiber production method, which uses, as the name suggests, electric potential and pressurized air for fiber formation. This technique brings together the features of Electrospinning and Solution Blow Spinning in one setup. With this technique, one can expect to have more control over the end product and production at a high rate.PVDF-based nanofibrous membranes were developed and characterized for aerosol air filtration application. In this work, a parametric approach was adopted in which solution concentration and electric voltage parameters were varied, and the rest of the parameters were kept constant. Solution rheology, surface morphology, pore size distribution, and filtration properties before and after charge elimination were evaluated and investigated. Results show that solution concentration and electric voltage affect average fiber diameter and average pore size dramatically and, consequently, filtration efficiency. Additionally, electric voltage facilitates the bombarding of electrostatic charges that have resulted in obvious electret properties and led to increase in the filtration efficiency of those membranes. Separately, PVDF/modacrylic/SiO2-based nanofibrous membranes were developed and characterized as a separator in Lithium-ion battery application. The aim is to develop a separator for high safety and performance lithium-ion battery. In other words, the aim of this work is to develop a nanofibrous membrane of high porosity, high electrolyte uptake, and thermally and mechanically stable. A systematic approach was adopted in which all the system, process, and material parameters were kept constant except for blend ratios. First, PVDF/modacrylic blend weight ratios of 100:0, 75:25, 50:50, and 25:75 at a constant solution concentration of 13 wt.% were spun. The different samples were characterized for their porosity, electrolyte uptake, dimensional and thermal stabilities, ionic conductivity, and mechanical properties. Resells show a significant improvement compared with the results of the available commercial separators. The addition of Modacrylic enhanced the porosity, electrolyte uptake, and thermal and mechanical stabilities. These enhancements would promote high safety and performance lithium-ion battery. Moreover, after the addition of hydrophilic fumed SiO2 nanoparticles at different concentrations to PVDF/modacrylic-based membrane (PVDF/modacrylic of a weight ratio of 50:50 wt.%), some of the separator properties were further enhanced. Results show the addition of those nanoparticles, at small fractions (0.1 and 1 wt.%) increase porosity, and thus, higher electrolyte uptake has achieved. Interestingly, at only a weight fraction of 0.1 wt.% dimensional stability of the membranes was enhanced, which promotes high safety lithium-ion batteries. Ionic conductivity results show PVDF/modacrylic-based nanofibrous membrane has higher ionic conductivity than commercial PP separators due to higher porosity and high electrolyte uptake. Furthermore, PVDF/modacrylic-based nanofibrous membrane adds a flame-retarding property to the membrane and enhances mechanical properties compared with polyacrylonitrile-based membrane. Generally, the addition of modacrylic and SiO2 nanoparticles provide a solution to safety issues in lithium-ion battery and promote them as a substitution for brittle and somewhat flammable PP and polyacrylonitrile-based membranes.