Elektro-eğirme Yöntemi ve Nano Elyaflar

Elektro-eğirme üretim yöntemi, en basit hâli ile, polimer solüsyonu içeren bir pipetten, iki elektrotttan ve kV mertebesinde doğru akım veren bir kaynaktan oluşur (Şekil 2.17). Şırınga ucundan çıkan polimer damlası, yüksek voltajın etkisiyle çekilerek elyaf hâline gelir. Voltaj etkisiyle çekilen polimer damlası, doğal olarak elektriksel olarak yüklenmiştir ve bu yük, yol boyunca polimer jetinin helisel yol almasına neden olur ve jetin (elyafın) çapı gittikçe azalır. Nihayetinde, hedefe ulaşan elyaf, karışık yönlü olarak bu hedef yüzeyde toplanır.

Elektro-eğirme sürecinin önemli hususları şu şekildedir:

• Polimerin çözülmesi için uygun çözücünün kullanılması gerekmektedir.

• Nano elyaf hedef yüzeye ulaştığında, çözücünün elyaf yüzeyinden rahatlıkla uzaklaşması gerekir. Bu çok yavaş olduğunda, üst üste binen nano elyaflar arasında köprü bağları meydana gelir ve ayrıca çözücü uzaklaşamayacağı için kompozit yapıda kullanılması mümkün olmaz. Fakat, çözücünün çok hızlı buharlaşması da, elyafın hedefe ulaşmadan önce, mikron altı ya da nano ölçeğine getirilmesi, yani başarılı çekme işlemi mümkün olmayabilir.

• Çözücünün viskozitesi ve yüzey gerilimi optimum aralıkta olmalıdır. Çok düşük değer, eğirme sırasında polimer ile çözücünün ayrışmasına, çok yüksek değer ise, elyafın şekil almasını güçleştirir.

• Güç kaynağı, polimer solüsyonun nano elyaf formuna ulaşmasını sağlatacak ve viskozite ve yüzey tansiyonu eşiğini geçecek yeterlilikte olmalıdır.

• Şırınga ucu ile topraklanmış hedef yüzey arasındaki mesafe eğer çok kısa olursa, iki kutup arasında atlamalar meydana getirir. Optimum uzunluk, elyaf oluşumu sırasında ve hedef yüzeyde çözücüin elyafden uzaklaştırılabileceği mesafedir. Polimerlerin bünyesinde genellikle kristalin ve amorf kısımlar bulunur (Şekil 2.18). Bu iki farklı yapının oranı, polimerin özelliğini tayin eder. Eğer bir polimerin lineer moleküllerinin dizilimi tamamen amorf (karışık-düzensiz) yapıda ise, bu polimerin amorf yapıda olduğu belirtilir. Eğer bu molekül zincirleri doğrusal (lineer) yapıda ise, bu molekülün kristalin yapıda olduğu belirtilir. Kristalin yapıdaki bu zincirlerin birbiri üzerine katlandıkları ve amorf yapıdaki kuyruk molekülleri tarafından bu katların tutuldukları belirtilir. Bu katlı yapı bükülerek kurdeleye benzer yapıya sahip olur.

Yüksek kristalin yapıya sahip polimerler daha yüksek akma dayanımına, modül değerine ve sertliğe sahip olur. Bu kristalin yapıdaki polimer gerdirildiğinde, polimer zincirleri, gerilme yönünde dizilirler ve kurdele yapıyı bozarlar. Bu polimerler, daha iyi aşınma ve kimyasal dayanıma sahiptir. Fakat, kristalin yapıdaki polimerler daha kırılgandırlar. Amorf yapıdaki polimerler, görünüş açısından şeffaf olurken, kristalin yapıdaki polimerler daha opaktırlar. Polimer zincirler, tekrarlayan birimlerden (monomerlerden) meydana geldiği için, polimerin moleküler ağırlığı, bu tekrarlayan monomerlerin ağırlıklarının toplamıdır. Genellikle daha yüksek moleküler ağırlıktaki polimerlerin çözücü çözünme direnci yüksektir.

Camsı geçiş sıcaklığı, polimerlerin önemli bir özelliğidir. Bu sıcaklığın altında moleküller donduğu için, amorf yapıdaki polimerler kırılgan olurlar. Fakat, bu sıcaklığın üzerinde daha yumuşak bir hâle ulaşır ve molekül zincirlerin birbirleri üzerinde kaymasını sağlayacak yeterli ısıl enerjiye kavuşmaları sağlanır. Camsı geçiş sıcaklığının üzerinde, amorf yapıdaki polimerlerin doğal olarak elastisite modülleri düşer. Bu sıcaklık değerlerinde, polimerin mekanik davranışı, yükleme oranından etkilenir. Eğer yükleme oranı hızlı olursa, moleküler zincirlerin vereceği tepki için yeterli zaman olmayacak, fakat, bu oran yavaş olursa, tepki için yeterli zaman olacaktır.

Elektro-eğirme yönteminde başarılı bir elyaf ağ yapısının üretilebilmesi için, seçilen polimerin moleküler ağırlığının ve viskozitesinin önemli değişkenler olduğu belirtilmişti. Moleküler ağırlık, polimer solüsyonunun da viskozitesini etkilemektedir. Yüksek moleküler ağırlığa sahip bir polimer çözücü içinde çözdürüldüğünde, viskozitesi, aynı polimerin daha düşük moleküler ağırlığına sahip tipinin aynı derişimdeki solüsyonuna göre daha yüksek viskozite değerine sahip olacaktır. Aşırı moleküler ağırlığa sahip polimerin elektro-eğirme süreci sırasında, şırınga ucundan çıkan solüsyon jeti, hedef yüzeye ulaşırken esneyerek uzayacaktır. Bu uzama sırasında, molekül zincirlerinin birbirlerine dolanmış olması, elektrik yüklü jetin yolda kopmasını önleyecek ve sürekli bir jet akışına sağlayacaktır. Daha yüksek moleküler ağırlık, polimer zincirinin daha yüksek olduğunu temsil etmektedir.

Optimum viskoziteye ulaşmak için uygulanacak bir başka prosedür, polimerin solüsyondaki derişimini artırmaktır. Derişim artışı da, benzer olarak, polimer molekül zincirlerinin yoğunluktan dolayı dolaşıklığının artışını beraberinde getirecek ve kopmadan sürekli bir

elyaf oluşumunu sağlayacaktır. Moleküler ağırlığın ve viskozitenin aşırı derecede yüksek olması ise, elyaf yapılarda boncuklaşma (bead) oluşumuna neden olacaktır. Ayrıca, polimer solüsyonun pompalanması zorlanacak, şırınga ucunda donmalar ile karşılaşılacaktır. Dolayısıyla, en az seviyede moleküler ağırlık ve viskozite teşkili önemli olmaktadır.

Polimer solüsyon jetinin süreç sırasında yüzey gerilimini yenmesi, şeklin düzgünlüğü için gereken bir diğer detaydır. Solüsyonun yüzey geriliminden dolayı dış yapının bozulmaması için, solüsyona etil alkol ya da yüzey aktif maddesi katılması, bu konuda olumluluk sergileyecektir.

Elektro-eğirme sürecinde önemli bir diğer etmen, uygulanan voltajdır. Yüksek voltaj, solüsyonun elektriksel olarak yüklenmesini sağlamakta, solüsyonun yüzey enerji eşiği aşıldıktan sonra, ortamdaki elektriksel alanla beraber eğirme işleminin başlamasını sağlamaktadır. Genellikle, 6 kV’dan daha yüksek voltaj değeri, şırınga ucunda Taylor Konisinin oluşumunu tetiklemektedir. Voltajın yükseltilmesi, polimer jetinin hızını artırmakta ve şırınga ucundan daha büyük hacimde polimer solüsyonunun çekilmesini sağlamaktadır. Bu çekme işlemi, besleme oranından uyumsuz olursa ve çok büyük olursa, Taylor Konisi oluşamayacaktır. Voltajın elyaf morfolojisine etkisi irdelendiğinde, daha yüksek voltaj değerinin elyaf çapını azalttığı ve çözücü buharlaşmasını hızlandırdığı belirtilebilir. Fakat, yüksek voltaj, elyaflarda boncuklaşmaya da neden olmaktadır. Düşük viskoziteli solüsyon kullanıldığında, yüksek voltaj, eğirme işlemi sırasında ikinci jet oluşumuna zemin hazırlar. Bu durum da, elyaf çapının düşmesine neden olur. Jetin şırınga ucu ile topraklanmış hedef yüzey arasındaki uçuş süresi arttığında, elyafların esnemesi ve hedefe ulaşmadan önce daha fazla uzamasına neden olur. Dolayısıyla, daha düşük voltaj düzeyi de, bu sürenin artışına neden olarak, oluşan elyafların çap değerinin düşmesini sağlamaktadır. Bu etkiler göz önüne alınarak, optimum voltaj değerinin ayarlanması, istenilen çap değerine sahip elyaf oluşumu için önemlidir.

Uygulanan voltaj, elyafların sadece fiziksel özelliklerini değil, elyaf hâldeki polimerin molekül zincirlerinin dağılımını da etkilemektedir. Elektriksel alanın bir noktaya kadar artışı, polimerde kristalin yapının oluşmasını sağlarken, daha fazla voltaj artışı, kristalin yapı oluşumu için yeterli süre veremeyecektir.

Elektro-eğirme sürecinde Taylor Konisinin kararlılığının sağlanması için belirli voltaja denk gelen besleme oranı bulunur. Besleme oranı daha da artırıldığında, oluşacak elyafların çap değeri artış gösterecek ve meydana gelecek boncuklaşmaların büyüklüğü artacaktır. Besleme oranının gerekenden fazla olması, polimer jetinde bulunan çözücünün buharlaşması için gereken sürenin fazla olması ihtiyacını beraberinde getirecektir. Hedef yüzeye ulaşan fakat bünyesindeki çözücüyü atabilmek için gereken süreyi bulamayan elyafların birbiri üzerine binmesi, temas noktalarında bir kaynamayı beraberinde getirecektir. Bu da, istenmeyen bir durum olduğu için, gereken en az besleme hızının seçilmesi, sağlıklı nano elyaf oluşumu için gereken değişkendir.

Şırınga iğnesinin delik çapı da, elektro-eğirme sürecine etki eden bir başka etmendir. Küçük iç çap değeri, meydana gelen elyafda boncuklaşma miktarının azalmasında ve iğnenin tıkanmasının önlenmesinde etkilidir. İğnedeki tıkanıklığın çap ile azalmasının nedeni, elektro-eğirme süresince çözeltinin atmosfere daha az maruz kalmasıyla ilgilidir. Ayrıca, küçük iç çap değeriyle çalışılması, elyaf çaplarının da azalmasını sağlamaktadır. Şırınga ucundaki polimerik solüsyonun miktarının azalması, solüsyon damlasının yüzey enerjisinin artmasına, bu durum da, polimer solüsyon jetinin hızının düşmesine neden olacaktır. Bu hız düşüşü, jetin daha fazla esneyip uzamasını sağlayacaktır. Fakat, şırınga iç çap değerinin daha fazla azaltılması, şırınga haznesinden iğneye solüsyon akışını kısacaktır.

Elektriksel alan içerisinde solüsyon jetinin uçuş süresi de, elyafı etkileyen bir başka değişkendir. Şırınga iğne ucu ile hedef yüzey arasındaki mesafenin değiştirilmesi, hem jetin uçuş süresini ve hem de elektriksel alan yoğunluğunu etkileyecektir. Uçuş süresinin üzerinde etkili olduğu en önemli konu, çözücünün buharlaşarak elyaf yapıdan uzaklaşmasıdır. Eğer bu mesafe düşürülürse, solüsyon jeti doğal olarak daha kısa bir yol çizecek, aynı zamanda kutuplar birbirlerine yaklaştırıldığı için elektriksel alan yoğunluğu artacaktır. Bu durum, jetin hızlanmasına neden olacak ve çözücünün buharlaşması için yeterli bir zaman sağlamayacaktır. Eğer mesafe çok kısaltılırsa, kollektör üzerinde birbiri üzerine binen elyafler arasında, buharlaşamayan çözücü dolayısıyla, temas noktalarında kaynamalar meydana gelecektir. Fakat, ilginç nokta, bu ara noktalardan bağlantılı elyaf ağ yapısı, ek bir dayanımı da beraberinde sağlamasıdır.

etkisi önemli ya da önemsiz olabilir. Bazı durumlarda, mesafenin elyaf çapı üzerinde önemli bir etkisi yoktur. Fakat, mesafe çok kısa olduğunda, elyaflarda boncuklaşma artar. Boncuklaşma, iki kutup arasındaki elektriksel alan yoğunluğunun arttığının göstergesidir. Dolayısıyla, mesafenin azaltılması ve voltajın artırılması, aynı sonucu (elektriksel alan yoğunluğunun artışını) verecektir ve bu değerlerin yüksekliği, boncuklaşmayı beraberinde getirecektir. Mesafenin artırılması, ortalama elyaf çapını azaltacaktır. Fakat, mesafenin artmasının elyaf çapını artırması sonucunu veren durumlar da söz konusudur. Bu durum, elektriksel alanın zayıf kalması ile ilgili bir durumdur. Elektriksel alanın zayıflığı, çözeltiden doğan jetinin yolda iken daha az esnemesine ve uzamasına neden olacaktır. Mesafenin çok fazla olması, kollektör üzerinde elyafların birikmesini de olumsuz etkileyecektir. Dolayısıyla, optimum elektriksel alanın sağlanması gerekmektedir.

Ortamın nemi de, elyaf yüzeyinde etki eden bir başka değişkendir. Genellikle, % 50’nin altındaki nem oranlarında gerçekleştirilen süreçlerde, meydana gelen elyaf yüzeylerinin düz olduğu görülmektedir. Fakat, nem oranı arttıkça, bu yüzeyin değiştiği, kollektöre doğru ilerleyen ve kollektör üzerinde biriken elyafin çözücü buharlaşırken soğuyan yüzeyde yoğuşan su buharının yüzeyde birikmesi ve ilave olarak tekrar çözücüyle beraber buharlaşması, elyaf yüzeylerinin pürüzlülüğü olmasına neden olmaktadır. Bu durum, aslında, nano elyafın matris ile arayüz bağlantısını kuvvetlendirmede olumlu olarak etkileyen bir husustur. Çok düşük nem ortamlarında gerçekleştirilen eğirme sürecinde, iğne ucundan çıkan çözeltide yüksek derecede çözücü buharlaşması meydana geleceği için, iğnede tıkanmalar yaşanabilmektedir [67].