1. GİRİŞ:
Nano lifler ağırlığına oranla geniş yüzeye sahip olması, yüksek gözenekli yapıları, bakteriler ve
mikroorganizmalara karşı mükemmel bariyer yapısı, yüksek nem geçirgen özelliği ve kaplama
özelliğinden dolayı son yıllarda birçok alanda kullanılma geçmiştir. Tekstil alanında nano liflerin
kullanımı büyük önem taşımaktadır, buna bağlı olaraktan birçok nano lif üretim metodu geliştirilmiş ve
sistem ve materyal parametreleri belirlenmiştir [1-14].
Elektro lif çekim yöntemini belirleyen parametreler sistem ve materyal parametreleri olarak
gruplandırılabilir. Sistem parametreleri uygulanan elektrik alanı, polimer çözeltisinin akış oranı, iğne ucu
ve toplayıcı arasındaki mesafe vb. parametreleri içerir. Çalışma parametrelerindeki kısa süreli yüklenme
lif morfolojisinde kayda değer bir değişim gösterir. Örneğin, daha ince lif çapları daha küçük çaptaki iğne
uçlarından eğrilir; akışkan oranını arttırmak daha büyük lif çapına neden olur; daha yüksek voltaj
uygulaması lif çapını azaltır fakat boncuklu bir lif yapısı ortaya çıkar. [14-16].
Elektro lif çekim yöntemini ve lif morfolojisini etkileyen materyal özellikleri polimer konsantrasyonu,
çözelti viskozitesi, çözelti iletkenliği, yüzey gerilimi ve polimer çözücüden oluşmaktadır. Materyal
özellikleri arasında çözelti konsantrasyonu lifli yapıyı sabit tutma açısından temel bir rol oynar, çünkü
aynı zamanda çözelti viskozitesi, yüzey gerilimi ve iletkenlik gibi diğer çözelti özelliklerini etkiler.
Kullanılan çözücü diğer önemli bir faktördür. Çünkü çözücü özelliği yüzey gerilimini ve buharlaşma
işlemini belirler. Uçucu çözücüler elyafın yüzey morfolojisini ve ağsı yapıyı etkiler.
Bu çalışmayla moleküler ağırlığın, konsantrasyonun ve buna bağlı olarak değişen viskozitenin lif
morfolojisi üzerindeki etkisi incelenmiştir.
2. MALZEME VE METOT
Bu çalışmada kullanılan polivinil butiral (60.000 ve 75.000 g/mol) Kuraray firmasından temin edilmiştir.
Asetilleme derecesi orta, H grubundandır (%18-21 polivinil alkol, % 0-4 polivinil asetat içerir). Etanol
çözücü olarak kullanılmıştır. Hazırlanan polimer konsantrasyonları aşağıdaki Tablo 1‟de yer almaktadır.
Tablo 1: Hazırlanan polimer solüsyonunun konsantrasyonları
PVB60 % 6 % 7 % 8 % 9 %10 %12 %14
PVB75 % 6 % 7 % 8 % 9 %10 %12 %14
Moleküler ağırlığına bağlı olarak polimer solüsyonları PVB60 ve PVB75 şeklinde gösterilmektedir.
İletkenlik ölçümü, Radelkis, OK-102/1 marka iletkenlik ölçer ile, yüzey gerilimi ölçümleri, Krüss marka
Du Nouy Ring yöntemi ile, viskozite ise HAAKE Roto Visco 1 marka reometre cihazı ile 25°C sıcaklıkta
gerçekleştirilmiştir.
Elektro lif çekim yönteminde çözeltide hazırlanan polimer çözeltisi bir enjektör içerisine yerleştirilir,
iğnenin bir ucuna yüksek voltaj kaynağına bağlı yüklü bir elektrot yerleştirilir. Bir pompa yardımıyla
hareket eden polimer çözeltisi iğne ucuyla toplayıcı arasındaki yüksek elektrik akım gücüyle iğne
ucundan toplayıcıya doğru lifler şeklinde çekilir (Şekil 1). Elektrik gücünün artmasıyla damlalar uzamaya
başlar ve koni şeklini alır. Lif çekimi sırasında voltajın etkisiyle iğne ucunda oluşan bu koniye Taylor
konisi denir [17].
Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34 Materyal Parametrelerinin Elektro Lif Çekim Yöntemiyle Oluşturulan…
28
Şekil 1: Elekto lif çekim yönteminin şematik görünümü ve Taylor konisi oluşumu [18]
Hazırlanan polimer çözeltilerinin elektro lif çekimi Tablo 2‟de gösterilmektedir.
Tablo 2: Elektro lif çekim yöntemi proses parametreleri
Uygulanan
voltaj (kV)
İğne ve
toplayıcı
arasındaki
mesafe (cm)
Bağıl nem (%) Ortam
sıcaklığı (C°)
Akışkan hızı
(ml/saat)
İğne çapı
(mm)
30 20 66 21,5 0,5 0,8
Şartlar bütün polimer solüsyonları için sabit tutulmuştur. Üretilen liflerin SEM görüntüleri kullanılarak
Lucia 32G görüntü analiz sistemi ile lif çapı ve morfolojik analizler gerçekleştirilmiştir. Her bir örnekten
en az 100 farklı lifin çapı ölçülmüştür. Lif çapına, düzgünlüğüne, çap dağılımına ve boncuklu yapı
olmamasına göre en ideal moleküler ağırlıkta ve konsantrasyondaki polimer solüsyonu belirlenmiştir.
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMALAR
Moleküler ağırlık, reholojik ve elektriksel özelliklerin viskozite, yüzey gerilimi, iletkenlik ve dielektrik
kuvveti üzerinde önemli bir etkisi vardır. Yapılan çalışmalara göre çok düşük moleküler ağırlıktaki
polimer çözeltilerinin liften çok boncuklaşma eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir ve yüksek moleküler
ağırlıktaki nano lif çözeltilerinden ortalama daha geniş çaplar elde edilir [14,19,20].
Çözelti iletkenliği elektro çekim yöntemiyle üretilmiş lif çapını yüksek oranda etkileyen bir polimer
çözeltisi özelliğidir. Çözeltinin iletkenliği; çözeltinin bir elektrik akımı taşıma kabiliyeti olarak
tanımlanabilir bundan dolayı iletkenlik polimer çözeltisinin lif çekim sırasında hareket oranını etkiler.
Polimer çözeltisinin iletkenliği kontrollü elektro lif çekim yönteminin bir ana parametresi olarak
tanımlanabilir.
Yener F., Jirsak O.,Yalçınkaya B. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34
29
Elektro lif çekim yönteminde lif oluşabilmesi için, elektrostatik kuvvet polimer solüsyonunun yüzey
gerilimini aşacak kadar yüksek olmalıdır. Polimer çözeltisinin yüzey gerilimi, iğne ucundan toplayıcıya
doğru harekete geçen çözeltinin damlalar halinde kırılmasına neden olurken polimer çözeltisi esneme
yapar. Bir nano lif çözeltisinin yüzey gerilimini azalttığımızda liflerde boncuksuz yapıda elde edilebilir.
Yüzey gerilimi daha çok çözücü kompozisyonlarının bir fonksiyonu olarak görülür fakat çözelti
konsantrasyonuna ihmal edilebilecek şekilde bağlıdır. Damlaların yapısı, boncuklu yapı ve lifler
çözeltisinin yüzey gerilimi tarafından kontrol edilebilir. Yüzey gerilimi ve iletkenlik değerleri Tablo 3„te
gösterilmektedir.
Tablo 3: PVB60 ve PVB75 polimer çözetlilerinin yüzey gerilim ve iletkenlik değerleri
PVB 60 PVB 75
%6 %7 %8 %9 %10 %12 %14 %6 %7 %8 %9 %10 %12 %14
İletkenlik
(μS)
7,32 7,60 9,12 8,88 9,60 11,28 10,84 1,20 1,12 1,32 1,52 1,44 1,56 1,60
Yüzey
Gerilimi
(mN/m)
24,0 24,0 23,2 22,3 23,1 23,2 23,1 22,1 22,4 22,3 23,7 24,6 24,2 28,9
Tablo 3‟ten de anlaşılacağı gibi artan konsantrasyon değerlerine karşı yüzey gerilimi ve iletkenlik
değerleri büyük ölçülerde değişmemiştir. PVB75 daha düşük iletkenlik değerlerine sahiptir, buna bağlı
olarak PVB60 kadar iyi elektro lif çekim performansına sahip değildir.
Polimer konsantrasyonu ise elektro lif çekim yönteminde temel bir rol oynar. Aynı elektro lif çekim
şartları altında, polimer konsantrasyonunu arttırınca lif çapı da artar.
Polimer konsantrasyonu ve çözelti viskozitesindeki ilişki çoğunlukta polimer doğasına (yapı ve moleküler
ağırlık gibi) ve polimer çözeltinin içerisindeki moleküler içi etkileşim (polimer-polimer, polimer-çözücü,
çözücü-çözücü, vb.) bağlıdır. Bu değişkenlerden dolayı, elektro lif çekim yönteminde verilen bütün
polimer-çözücü sistemini içeren evresel bir formül üretmek neredeyse imkansızdır. Verilen çözücü
sistemi ve özgül çalışma şartlarında (uygulanan voltaj, akışkan hızı ve çekim mesafesi gibi), elyaf çapının
kontrolünü anlamak için lif çapı ve polimer konsantrasyonu arasındaki bağlı ilişkiye bakmak gereklidir
(Şekil 4). Konsantrasyona bağlı viskozite değerleri Şekil 2‟deki gibidir.
Şekil 2: Konsantrasyona bağlı viskozite değişim grafiği.
Şekil 2‟den de anlaşıldığı gibi yüksek moleküler ağırlığa sahip PVB75‟in viskozite değerleri daha
yüksektir. Ayrıca viskozite ve konsantrasyon arasında lineer bir ilişki olup artan konsantrasyon değerine
karşı viskozite değeri de artış göstermiştir.
Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34 Materyal Parametrelerinin Elektro Lif Çekim Yöntemiyle Oluşturulan…
30
Düşük viskozite lifler üzerinde boncuklu yapıya neden olur (Şekil 3). Visko elektrik kuvveti, lifli yapıyı
tutmak için çok küçüktür. Jet iğne ucunda çözülmeye başlar ve bu bölümde genellikle yüzey
gerilimindeki hareketlilikten dolayı damlalar oluşturur. Çözeltinin buharlaşmasıyla yüzey yük
yoğunluğunu artar. Daha yüksek elektrostatik itmeden dolayı damla küçük damlacıklar olarak ayrılır.
Yüksek viskoziteye polimer solüsyonları ise düşük viskozitelilerin aksine visko elektrik kuvveti yüksek
olup polimer jetinin iğne ucundan uzamasını sağlar. Daha az çözücü içerdiği için çabuk katılaşır ve lif
çapında artma gözükür (Şekil 4) [21].
PVB60 PVB75
%6
%7
%8
Yener F., Jirsak O.,Yalçınkaya B. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34
31
%9
%10
%12
Lif Oluşmadı.
%14
Lif Oluşmadı.
Şekil 3: PVB60 ve PVB75 polimer çözeltilerinden farklı konsantrasyonlarda elde edilen lif çapları
Şekil 3‟te açıkça görüldüğü gibi düşük viskoziteye sahip PVB60 %6 ve %7 polimer çözeltilerinden elde
edilen nano lif yüzeyi çok fazla boncuklu yapıya sahiptir. %8 ve %9 konsantrasyonlu PVB60 polimer
çözeltisinde ise boncuklu yapı azalmış yerine düzgün yüzeyli nano lifler oluşmuştur. %10 konsantrasyona
sahip PVB75 polimer çözeltisinde ise çok az lif oluşumu ve çok fazla polimer püskürtmesi olmuştur.
Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34 Materyal Parametrelerinin Elektro Lif Çekim Yöntemiyle Oluşturulan…
32
Viskozite arttıkça lif çapı da artmış, aşırı yüksek viskozitelerde ise polimer çözeltisinin visko elastik
özelliği azaldığından lif çekimi gerçekleşmemiştir (PVB75 %12 ve %14 polimer konsantrasyonu).
Değişken konsantrasyona bağlı lif çap grafiği Şekil 4‟te gösterilmektedir.
Şekil 4: Değişken konsantrasyona karşı lif çap dağılım grafiği.
Bu grafiğe bağlı olarak konsantrasyonun ve buna bağlı olarak artan viskozitenin lif çapı üzerindeki etkisi
polivinil butiral kullanarak bir kez daha kanıtlanmıştır.
4. SONUÇ
Bu çalışmada elektro lif çeklim yöntemiyle elde edilen polivinil butiral nano liflerinin materyal
parametrelerinin lif morfolojisi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla değişken moleküler ağırlıkta ve
konsantrasyonda polimer çözeltileri hazırlanıp testleri yapılmıştır. Yüzey geriliminin ve iletkenliğin
konsantrasyonla değişmediği kanıtlanmıştır. Konsantrasyonun ve buna bağlı olarak değişen viskozitenin
ise lif yüzeyi ve morfolojisi üzerinde etkisi büyüktür. Bu çalışmayla yalnız materyal parametrelerinin
etkisi incelenmemiş ayrıca uygun lif çapı ve yüzeye sahip PVB nano lifte belirlenmiştir. %8, %9, %10,
%12 PVB60 ideal konantrasyon olarak gözükmektedir fakat %8 ve %9 PVB60 nano lifleri çok az da olsa
boncuklu yapıya sahip oldukları için %10 ve %12 PVB60‟ı ideal konsantrasyon olarak sayabiliriz.
Viskozite değeri 0,713 Pas çıktığında (%12 PVB75 polimer solüsyonu) lif çekimi gerçekleşmemiştir.
Buna bağlı olarak diyebiliriz ki PVB polimeriyle lif oluşturabilmek için belirli değerin altında viskoziteye
sahip olmamız gerekir.
Teşekkürler
Bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde her konuda yardımlarını esirgemeyen Çek Cumhuriyeti, Liberec
Teknik Üniversitesi, Tekstil Mühendisliği Fakültesi, Dokusuz Yüzeyler Bölümü‟nde çalışan teknik
elemanlara ve Baturalp Yalçınkaya‟ya teşekkür ederim.
KAYNAKLAR
Yener F., Jirsak O.,Yalçınkaya B. Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34
33
1. Gu, K. B., Shin, K. M., Sohn, W. K., 2007, “Direct Fabrication Of Twisted Nanofibers By
Electrospinning”, Appl Phys Lett, 90, 263902-263904.
2. Panda, K. P., Ramakrishna, S., 2007, “Electrospinning of Alumina Nanofibers Using Different
Precursors”, J Mater Sci, 42(6), 2189-2193, India.
3. Kim, G., Kim, W., 2006, “Formation of Oriented Nanofibers Using Electrospinning”, Appl Phys.,
88(23), 233101-233103, Korea.
4. Formhals, A., 1934, Process and Apparatus for Preparing Artificial Threads, US Patent 1, 975, 504
5. Frenot, A., Chronakis, S. I., 2003, “Polymer Nanofibres Assembled By Electrospinning”, Curr Opin
Colloid Interface Sci., 8(1), 64-75, Sweden.
6. Li, D., Xia, Y., 2004, “Electrospinning of Nanofibres: Reinventing The Wheel”, Adv Mater, 16(14),
1151–1169, USA.
7. Subbiah, T., Bhat, G. S., Tock, R. W., Parameswaran, S., Ramkumar, S. S., 2005, “Electrospinning Of
Nanofibres”, J Appl Polym Sci., 96 (2), 557-569, Texas.
8. Zuo, W., Zhu, M., Yang, W., Yu, H., Chen, Y., Zhan, Y., 2005, “Experimental Study On Relationship
Between Jet Instability And Formation Of Beaded Fibres During Electrospinning”, Polym Eng Sci,
45(5), 704-709, China.
9. http://ckpmac7.yz.yamagata-u.ac.jp/E-page/Project/research/spinning/espinning_E.htm, 2010.
10. Thompson, C.J., Chase, G.G., Yarin, A.L., Reneker D.H., 2007, “Effects Of Parameters On Nanofiber
Diameter Determined From Electrospinning Model”, Polymer, 48, 6913-6922, US.
11. Heikkilä, P., Harlin, A., 2008, “Parameter Study Of Electrospinning Of Polyamide-6”, European
Polymer Journal, 44, 3067-3079, Finland.
12. Jirsak, O., Sanetrnik, F., Lukas, D., Kotek, V., Martinova, L. and J. Chaloupek, 2005, C. R. Patent,
WO2005024101.
13. Cengiz F., Jirsak O., Dayik M., 2009, “Ortam Rutubetinin Silindirli Elektro Lif ekim Yöntemiyle
Nano Lif Üretimi Üzerine Etkilerinin İncelenmesi” Electronic Journal of Textile Technologies, 3(3)
24-32.
14. Deitzel, J. M., Kleinmeyer, J., Harris, D., Tan, N. C. B., 2001, “The effect of processing variables on
the morphology of electrospun nanofibers and textiles” Polymer, 42, 261-272.
15. Katta, P., Alessandro, M., Ramsier, R. D., Chase, G. G., 2004, “Continuous Electrospinning of
Aligned Polymer Nanofibers onto Wire Drum Collector”, Nano Lett., 4, 2215-2218.
16. Lee, J.S., Choi, K.H., Ghim, H.D., Kim, S.S., Chun, D.H., Kim, H.Y., Lyoo, W.S., 2004, “Role of
molecular weight of atactic poly(vinyl alcohol) (PVA) in the structure and properties of PVA
nanofabric prepared by electrospinning”, J. Appl. Polym. Sci. 93, 1638-1646.
17. Taylor, 1964, "Disintegration of Water Droplets in an Electric Field". Proc. Roy. Soc. London. Ser.
A 280 (1382): 383.
Teknolojik Araştırmalar: TTED 2011 (2) 26-34 Materyal Parametrelerinin Elektro Lif Çekim Yöntemiyle Oluşturulan…
34
18. http://www.yflow.com/?q=node/3, 2011
19. Heikkila P., Harlin A., 2008, “Parameter Study of Electrospinning of polyamide-6”, Europaan Polymer
Journey, 44, 3067-3079.
20. Megelski, S., Stephens, J.S., Chase, D.B., Rabolt, J.F., 2002, “Micro and nanostructured surface
morphology on electrospun polymer fibers”, Macromolecules, 35, 8456-8466.
21. Jiang, L., Zhao, Y., Zhai, J., 2004, “A Lotus-Leaf-like Superhydrophobic Surface: A Porous
Microsphere/Nanofiber Composite Film Prepared by Electrohydrodynamic”, Angewandte Chemie,
116, 4438-4441.
