2 Nanolif Üretim Teknikleri [Uyumluluk...

05.03.2017

1

Doç. Dr. Atilla EvcinMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü

Nanolif Üretimi ve Uygulamaları

Nanolifler• Nanolifler 100 nanometre veya daha küçük

çaptaki fiberler için kullanılan bir tanımlamadır.Ancak bazı kaynaklara göre nanolifler 1mikrometre altında bir boyuta sahip olan fiberleriçin de kullanılmaktadırlar.

• Günümüzde üretilen en küçük nanolifler 1.5 ve1.75 nm arasındadır.

• nanolifler 2-600 nm çap aralığında olduğu içinçıplak gözle görmek imkansızdır.

Nanoliflere has özellikler

• Boyut: nanoliflerin çok çok küçük olmasısebebiyle eşsiz kimyasal ve fiziksel özelliklerkazanırlar bununla beraber çok küçük ve daralanlarda kullanılabilirler.

• Yüzey-Hacim Oranı: nanoliflerin yüzeyleri ilehacimleri karşılaştırıldığında oldukça büyük biryüzey alanına sahip oldukları anlaşılmaktadır.

•.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com


05.03.2017

2

Nanoliflere has özellikler

• Nanolifler mevcut yüksek yüzey alanı kimyasalreaksiyonlar meydana getirebildiği için çok çokküçük ortamlar gerektiren yeni teknolojiler içinoldukça uygundur.

• Esneklik, yüksek porozite, küçük gözenekboyutu, eksenel mukavemet gibi özellikleri çokfarklı ve geniş uygulama alanları bulmasınaneden olmuştur.

• Nanoliflerin nanokatalist, doku çatısı, koruyucutekstiller , filtrasyon ve optik gibi alanlardakullanımı vardır.

Nanolif Üretim Yöntemleri

• Kendiliğinden tutunma (self assembly) metodu• Faz Ayırımı (phase separation) metodu• Şablon sentez (template synthesis) metodu• Çift bileşenli ekstrüzyon (bicomponent)• Çekme (drawing) metodu• Eriyik üfleme (meltblown) metodu• Eğirmeli bağlama (spunbond) metodu• Elektroeğirme (electrospinning) metodu

Kendiliğinden tutunma (self assembly) metodu

• Kendiliğinden tutunma (self-assembly), küçükmoleküller ile bloklar inşa etmek anlamınagelmektedir.

• Önce küçük moleküller eşmerkezli olacakşekilde aralarında bağ oluşturarak dizilir.

• Sonra, bu moleküllerin büyük oranda birleşmesiile nanolifler oluşur.

• Oluşan en küçük birim, makro molekülerfiberlerin şeklini belirler

• Aşağıdan-yukarı yaklaşımına uyan bu yöntemdeüretim moleküler seviyede gerçekleştiği için çokküçük çaplı nanolifler elde edilir.

• Atom ve moleküller birbirlerine hidrojen bağı,hidrofobik kuvvetler ve elektriksel etkileşimlergibi bağlarla bağlıdır ve çok kararlıdır





05.03.2017

3

• Luo ve arkadaşları yapıkları çalışmalarındapeptit moleküllerini kullanmışlar ve kendiliğindentutunma yöntemi ile peptit nanofiberleriüretmişlerdir


• Bu yöntemin diğer yöntemlere göre üstün yanıucuz ve uygulamasının kolay olmasıdır.

• Kimyasal maddeler hazırlanan çözelti içerisindekendiliğinden tepkimeye girerek lifoluşturmaktadır.

• Ayrıca bir makineye ihtiyaç yoktur. Fakat buyöntem ile sürekli lif elde etmek zordur.

• Her malzemeye uygulanamadığı için düşükverimlidir. Ayrıca çok uzun ve karmaşık biryöntemdir.


Faz Ayırımı (phase separation) metodu

• Faz ayrımı genellikle gözenekli polimermembranları elde etmek için kullanılan biryöntemdir.

• Bu yöntemde polimer jelleşme adımındangeçmeden önce bir çözücü ile karıştırılır.

• Bu prosesteki ana mekanizma fizikseluyumsuzluktan dolayı fazların ayrımıdır.

• Daha sonra bu fazlardan biri (çözücü) çıkartılırve geriye tek bir faz kalır.

• Bu yöntem ile nanofiber üretimi beş temel aşamada gerçekleştirilmektedir.– 1. Polimer çözme: Polimer uygun bir çözücü ile çözülür. – 2. Jelleşme: Jelleşme için polimer, içerisine uygun kimyasal

madde eklenerek, jelleşmenin gerçekleşmesi için teflon şişeye konulup buzdolabında bekletilir.

– 3. Çözücü uzaklaştırma: Çözücü değişimi için teflon şişe saf suyun içerisine konur ve 2 gün bekletilir. İki gün içerisinde saf su günde 3 kez değiştirilir.

– 4. Dondurma: Jel sudan çıkarılır ve kâğıt süzgeç yardımıyla süzülür, donması için -18C’de 2 saat bekletilir.

– 5. Soğuk kurutma: Donmuş olan jel soğuk kurutma kanallarına boşaltılır ve -55C de 1 hafta bekletilir





05.03.2017

4


• Tan ve Lim, faz ayırma yöntemini kullanarak L-laktik asit(PLLA) lifleri üretmiştir. Bunun için öncelikle PLLApolimeri tetrahydrofuran (THF) içerisinde 60C’deçözülmüştür.

• Elde edilen homojen çözeltiden bir damla mika altlıküzerine damlatarak -30C’de 3 saat bekletilmiştir.Buzdolabından çıkarılan numune yapısındaki THF’inuzaklaşması için 1 gün boyunca saf suda bekletilmiştir.

• Sudan çıkarılan numuneyi kuruması için vakum altındabir gün boyunca dondurucuda bekletilmiş ve çapı 50-500nm aralığında değişen PLLA nanofiberler üretilmiştir


Faz ayırma yöntemi ile üretilmiş PLLA nanofiberlerin SEM görüntüsü


Şablon sentez (template synthesis) metodu

• Şablon sentez istenilen malzeme veya yapıyıelde etmek için şablon kullanımını ifade eder.

• Feng ve grubu 2002 yılında yaptığı çalışmada;üzerinde nano ölçekli çapta gözenekler bulunanmetal oksit membranı nanolif üretimi için şablonolarak kullanılmıştır.

• Her bir gözenek; içinde istenilen malzemeninnano yapısının elektrokimyasal veya kimyasalolarak sentezlendiği bir beher olarakdüşünülebilir.




05.03.2017

5

• Polimer çözeltisi, su basıncı ile gözeneklimembrandan ekstrüze olur ve katılaştırmaçözeltisi ile etkileşime girer.

• Oluşan liflerin çapları kullanılan şablonungözenek boyutları ile belirlenir.

• Proses basit bir prosestir ve standart laboratuvardonanımı gerektirir.

• Farklı çaplardaki nanolifler farklı çaptagözenekleri olan şablonlar ile üretilebilir


Alumina ultra filtre


• Bu yöntemin avantajı malzeme çeşitliliğinin çokolmasıdır. Bu yöntemle yarı iletken, metal,seramik ve polimer nanolifler ve nanotüplerüretilebilir.

• Burada polimer çözeltisinin membrandan geçişisu basıncıyla gerçekleştirilir. Katılaştırıcı sıvı ilepolimer karıştırılır karıştırılmaz, fiber oluşur.Fiber çapları, birkaç nanometre ile 100nanometre arasındadır


Şablon sentez




05.03.2017

6

Çift bileşenli ekstrüzyon (bicomponent) metodu

• Çift bileşenli lifler aynı fiber içinde birliktebulunan iki polimerin ayrı düzeden çıkmasıolarak tanımlanabilir.

• Çift bileşenli lifler genellikle lif kesit yapılarınagöre– yan-yana (side by side),– kabuk/öz (steath core),– denizde adacık (island in the sea),– dış merkezli (exantric) ve– dilimli pasta (segmented pie) çift bileşenli lifler olarak

sınıflandırılırlar.


yan-yana (side by side),


kabuk / öz (steath core)


denizde adacık (island in the sea)




05.03.2017

7


dış merkezli (exantric)


dilimli pasta (segmented pie)

• Çift bileşenli ekstrüzyonda, iki farklı polimerbileşenin yan yana düzenlendiği yapılar bir bıçakağzı veya bölmeyle aynı düze deliğine getirilir.


çift bileşenli lifler





05.03.2017

8

Çekme (drawing) metodu

• Çekme yöntemiyle nanolif üretiminde birkaç myarıçapa sahip mikropipet bir mikro manipülatöryardımıyla polimer damlacığına daldırılır.

• Ardından mikro-pipet damlacıktan yaklaşık 10-4

m/s hızla çekilir ve lifler bir yüzeyde toplanır.• Bu işlem aynı damlacık üzerinden birkaç defa

tekrarlanır. Yüzeydeki buharlaşma nedeni iledamlacığın viskozitesi artar.

damla

Mikropipet temas çizgisine ilerletilir

Mikropipet temas çizgisi ile temas eder

Mikropipetin çekilmesiyle nanolif elde edilir

Çekilmiş nanolif


• Çekim prosesinde; polimer uygun bir çözücü ileçözülür. Bir yüzey üzerinde çözeltiden damlaoluşturulur.

• Daha sonra keskin uçlu bir mil (taramalı tünelmikroskobu nanomili gibi) damla ile temasettirilir.

• Mil hızla çekilir.• Bu esnada çözücü yüksek yüzey alanı/hacim

oranından dolayı hızla buharlaşır ve geriyekatılaşmış lif kalır.


• Xing, Wang, ve Li tarafından yapılan çalışmadapoly(trimethylene terephthalate) (PTT) nanolifüretmek için çekme yöntemi kullanılmıştır.

• 250C’de eritilen PTT kimyasalından 125 μmkalınlığındaki demir veya silika çubuk ileyukarıya doğru 0,1m/s’lik hızla çekerek lifüretimini gerçekleşmiştir.

• Xing ve ark., bir seferde 60 nm çapında ve 500mm uzunluğunda PTT fiberleri üretmiştir.





05.03.2017

9


PTT Nanofiberlerin çekme yöntemi ile üretimi

Eriyik üfleme (meltblown) metodu

• Diğer lif üretim tekniklerine göre çözücügerektirmeyen bir yöntem olduğu için dahaekonomik bir süreç olup yüksek üretim hızınasahiptir.

• Ayrıca, bu yöntem polimerlerin birçok türleri ileuyumludur.

• Bu yöntemde öncelikle polimer eritilmekte,filtrasyon adımlarından geçmekte ve sonra birpompa ile lif çekim başlığına gelmektedir.

• Düze (nozzle) başlığından fışkırtılan erimişpolimer direkt olarak düze ağzında yüksekhızdaki sıcak havaya maruz kalmaktadır.

• Bu şekilde lif hava karışımı oluşmaktadır.Yüksek sıcaklıkta lifleri çekmek için havasıcaklığı liflerin erime sıcaklığına göre ayarlanır.

• Daha sonraki aşamada soğuk hava uygulanır.Soğuk hava ile karşılaşan polimer katılaşır.






05.03.2017

10

• Üretilen liflerin çapları genellikle 0,5–10 marasındadır. Ayrıca bu metotla üretilen liflerinmukavemetleri düşüktür ve üretildikleri haliylefiber çapları düzenli bir dağılım göstermez.

• Eriyik püskürtme yöntemi ile miktarca fazla lifüretimine elverişli olması nedeniyle bu işlemingeliştirilmesi için birçok araştırma grubutarafından çalışmalar sürdürülmektedir.


Eğirmeli bağlama (spunbond) metodu

• Spunbond tekniğinde erimiş polimer düzelerdençekilerek lif formuna getirilir ve soğuk hava ilesoğutulur. (sonsuz elyaf serme metodu diye debilinir)

• Teknik;– polimerin eritilmesi,– erimiş polimerin taşınması ve filtrasyonu,– lif ekstrüzyonu,– lif çekimi,– liflerin bant üzerine yığılması ile– fiksaj adımlarından oluşur.


• Teknik olarak eriyik üfleme (meltblown) tekniğiile benzerlikler gösterir. Fakat liflerininceltilmesinde kullanılan havanın sıcaklığı vehızı ile liflerin çekildiği ve inceltme kuvvetininuygulandığı yerler açısından farklılık gösterirler.

• Eriyik üfleme tekniğinde kullanılan hava,polimerin sıcaklığında veya daha yükseksıcaklıktadır ve çekim kuvveti polimer hala eriyikhaldeyken düzenin ucunda uygulanır.


• Eğirmeli bağlama tekniğinde ise inceltme kuvvetiuygulamak için ortam sıcaklığına yakın, dahaküçük hacimde hava kullanılır ve bu kuvvetpolimer soğutulduktan ve sertleştikten sonradüzeden belirli bir mesafede uygulanır.

• Bu yüzden eriyik üfleme (meltblown) tekniğinegöre daha kalın lifler elde edilmektedir.




05.03.2017

11


Polimer

Ekstrüzyon

lif

yatırma

bağlama

sarma

Elektrik alan kullanarak özel olarak hazırlanmışbir solüsyondan polimerin çekilmesiyleuygulanan yöntemdir.

Ayrıca Elektroeğirme yöntemiyle polimer, metaloksit ve seramiklerden nanoliflerüretilebilmektedir.

Bu yöntemle tek boyutlu nanoyapıların oluşmasısağlanmaktadır.

Elektroeğirme (electrospinning) metodu


Elektroeğirme yönteminde kullanılan 3 ana parça şunlardır.

•Toplayıcı altlık , •Yüksek voltaj kaynağı ve•Metalik iğnedir.





05.03.2017

12


Polimer ve çözücüsü oda sıcaklığında karıştırılır ve homojen bir solüsyon hazırlanır. Daha sonra bu solüsyon şırıngaya enjekte edilir.

•Pompa yardımıyla şırıngadan metal iğneye sabitbir hızla gönderilir. Metal iğnenin ucunda damlacıktaylor konisi şeklini aldığında yüksek voltaj kaynağıaçılır.•Polimer damlacığı elektriklenir ve indüklenmişolan yük damlacık toplayıcı altlık yüzeyine eşitolarak dağılır.•İşlem sırasında iğne ağzından çıkan damlacığaetki eden kuvvetler; yerçekimi, yüzey gerilmesi,viskozite ve elektriksel gerilme kuvvetleridir


Bu kuvvetler birbirinidengeleyerek iğne ucundaTaylor konisi oluşturur vetüm kuvvetlerin birbirinidengelemesine bağlı olarakdamla veya sıvı jetmeydana gelir.

Bu elektriklenmiş jet hızlauzayarak uzun ve inceipliksi yapı oluşur. Taylor konisinin oluşumuna etki eden

kuvvetlerin şematik gösterimi



Sıvı jetin devamlı uzaması ve çözücününbuharlaşması sonucunda lif çapı mikrometreseviyesinden nanometre mertebesine düşer.Böylece sürekli lifler elde edilir.




05.03.2017

13


Elektroeğirme yöntemi ile çapı 10 – 100 nmaralığında değişen nanolifler üretilebilir.

Ayrıca; yüksek yüzey alanı / hacim oranı, yüksekuzunluk/çap oranı ve gözenekli liflerde gözenekboyutunu kontrol edebilme olanağı sağlar.

A) İçi Bos Nanolif Yapmak İçin Gelistirilen Düzenek ve Besleme ÜnitesiB-C) Bu Düzenekten Yapılan İçi Bos Nanoliflerin SEM Görüntüleri







05.03.2017

14

Bor katkılı TiO2Saf TiO2

Seryum katkılı TiO2 Gümüş katkılı TiO2

GaInP

Bor katkılı Hidroksiapatit




05.03.2017

15

Al2O3.TiO2




2 Nanolif Üretim Teknikleri [Uyumluluk...

Documents

Transcript of 2 Nanolif Üretim Teknikleri [Uyumluluk...