Investigation on emission features on TTBC aggregates in PVA fiber mats by electrospinning

Abstract

1,1',3,3'-tetraetil-5,5',6,6'-tetraklorobenzimidazolokarbosayanin (TTBC) iki tip öbeklenme (J ve H-tipi) gösteren bir sayanin boyasıdır. Boya molekülleri genelde iyonik çözeltilerde ve katı yüzeylerde öbeklenme göstermektedir. Fakat bu öbeklerin çeşidini ve yönelimini kontrol etmek oldukça güçtür. Bu çalışmada, TTBC boyasını polivinil alkol (PVA) ile birlikte elektrodokuma yöntemine tabi tutularak, boyanın oluşturacağı öbeklenmelerin çeşidini ve yönelimini kontrol etmek hedeflenmiştir. Sulu PVA çözeltisi içerisinde monomerik halde dağıtılan TTBC molekülleri (kütlece %0,001 ile 0,65 oranında), kuvvetli elektrik alanı uygulanarak (0.95 ile 1.81 kV/cm), elektrodokuma işlemine tabi tutulmuştur. Yatay olarak tasarlanan elektrodokuma düzeneğinde, elektrot olarak birbirine paralel keskin uçlu iki metal levha kullanılmıştır. Oluşturulan lif yapılı filmlerin rastgele dağılmış ve yönlenmiş olmak üzere iki çeşit dizilişe sahip olduğu taramalı elektron mikroskopu ile saptanmıştır. Bunlara ek olarak, döngü kaplama ve dökme film adı verilen farklı iki ince film hazırlama tekniği de kullanılmış ve elektrodokumanın etkisi bu tekniklerle kıyaslanmıştır. TTBC boya molekülleri ve PVA'nın lif içerisindeki yapısal durumunu incelemek üzere sırasıyla fotoluminesans ve FTIR spektroskopisi kullanılmıştır. Döngü kaplama örnekler H- ve J-tipi, dökme film örnekleri sadece J-tipi öbeklenme gösterirken, elektrodokuma filmler sadece H-tipi öbeklenme göstermiştir. Fakat elektrodokuma liflerden yönlenmiş olan örnekler yüksek polarize özellik göstermiştir. Işımada gözlemlenen polarizasyonun sebebi ise H-öbeklerinin fiber yönünde yönlenmesidir. Sonuç olarak, elektrodokuma yönteminin lif yönünde H-tipi öbeklenme oluşturmada etkili bir yöntem olduğu anlaşılmıştır. TTBC/PVA sistemine ek olarak benzer deneyler TTBC/Polistiren(PS) ve Piren/PS sistemleri için de gerçekleştirilmiştir. Fakat elektrodokuma yöntemi, TTBC/PS sisteminde farklı bir etki göstermezken, Piren/PS sistemi için öbeklenmeye neden olmamıştır.

1,1?,3,3?-tetraethyl-5,5?,6,6?-tetrachlorobenzimidazolocarbocyanine (TTBC) is a frequently used cyanine dye that undergoes two different types of molecular aggregate (J and H-type). Dye molecules, in general, come into aggregation in ionic solutions and solid surfaces without control over the type and orientation of the resulting aggregate. In this research, we focused on electrospinning of aqueous poly(vinyl alcohol) (PVA)/TTBC solutions and investigated whether the aggregate formation could be controlled by solution and instrumental parameters of this process. Initially, TTBC was molecularly dispersed in aqueous PVA solution with a weight fraction of 0.001- 0.65 % and the precursor solution was subjected to electrospinning under electrical field ranging from 0.95-1.81 kV/cm. A stationary horizontal electrospinning set-up was used including two parallel-positioned metal strips as counter electrode. Both randomly-deposited and uniaxially aligned fibers were achieved. For the reason of comparison, reference films were prepared by spin-coating and film casting. Photoluminescence and polarized FTIR spectroscopy techniques were employed to examine spectral properties of the fibers. While H- and J-type aggregates coexist within spin-coated films and only J-aggregates exist within cast films, only H-type aggregates were observed within the fibers regardless of their alignment. A strong polarized emission was obtained from the unaxially aligned fibers due to the orientation of H-aggregates along the fibers. Consequently, electrospinning was found to be an alternative method to bring individually dispersed dye molecules into oriented H-type aggregates within submicron diameter fibers. Similar experimentation was also applied to TTBC/Polystyrene(PS) and Pyrene/PS systems to investigate aggregation behavior of dye molecules. TTBC exhibited similar behavior in PS/DMF system observed in PVA/H2O system. However, electrospinning has no remarkable influence on aggregation of pyrene in excimers. It slightly disassemble excimer structure.