Elektro-eğirme Yöntemine Etki Eden Parametreler

Elektro-eğirme yöntemine etki eden parametreler, sistem ve malzeme parametreleri olarak gruplandırılabilir. Bu iki parametreye çevresel değiĢkenleri (çözelti sıcaklığı, çevre sıcaklığı, nem, v.b.) de ilave edebiliriz.

1. Malzeme parametreleri a. Moleküler ağırlık b. Polimerin yapısı c. Çözelti özellikleri c1. Viskozite c2. Elektriksel Ġletkenlik c3. Yüzey gerilimi c5. pH 2. Sistem parametreleri a. Uygulanan voltaj

b. Kılcal boru içindeki hidrostatik basınç c. Debi

d. Toplama plakası ile düze arasındaki mesafe e. Toplama plakasının hareketliliği

Moleküler ağırlık ile elektriksel özelliklerin viskozite, yüzey gerilimi, elektriksel iletkenlik ve dielektrik kuvveti üzerinde önemli bir etkisi vardır. Yapılan çalıĢmalarda, çok düĢük moleküler ağırlıktaki polimer çözeltilerin liften çok boncuklanma eğiliminde olduğu gözlemlenmiĢtir ve yüksek moleküler ağırlıktaki nanolif çözeltilerinden ortalama daha geniĢ çaplar elde edilmiĢtir (Deitzel ve ark., 2001; Heikkila ve Harlin, 2008; Megelski ve ark., 2002).

Polimer konsantrasyonu ve çözelti viskozitesi arasındaki iliĢki genellikle polimer doğasına (yapı ve moleküler ağırlık gibi) ve polimer çözeltinin içerisindeki moleküller içi etkileĢime (polimer-polimer, polimer-çözücü, çözücü-çözücü, v.b.) bağlıdır.

%4‟lük konsantrasyonların altında, elektro-eğirme iĢlemi lif ve damlacık karıĢımı bir yapı üretir. %10‟un üzerindeki konsantrasyonlardaki çözeltilerin ise yüksek viskozitelerinden dolayı nanolif üretimi için uygun olmadıkları ileri sürülmektedir. Viskozitesi yüksek çözeltileri Ģırınga ucuna beslemek oldukça zordur. %15‟lik ya da daha yüksek konsantrasyondaki çözeltilerde damlacık kılcalın ucunda çapı 0.5 mm olan kalın bir yapıya dönüĢüp titreĢim hareketi yapar. Sonunda yerçekimi nedeniyle kılcaldan kopup zemin üzerine iner. Bu nedenle, devamlı bir jet eldesi oldukça zordur. Eğer diğer tüm değiĢkenler sabit tutulursa, lif üretilebilen konsantrasyon aralığı kullanılan polimer/çözücü sistemi, viskozite ve yüzey gerilimi kuvvetlerine bağlı olarak iĢlemin üst ve alt sınırını belirleyecektir (Kozanoğlu, 2006).

DüĢük konsantrasyonlarda, oluĢan liflerin düzensiz yapılı oldukları ve lif boyunca çaplarının değiĢtiği tespit edilmiĢtir. Çok sayıda düzensizlik ve boncuğa rastlanır. Yüksek konsantrasyonda, lifler düzenli ve silindirik bir morfolojiye sahip ve ortalama olarak daha geniĢ ve daha uniform bir çapa sahip olurlar. Yüksek konsantrasyonlarda lifler düz, silindirik ve göreceli olarak daha az boncuk barındıran bir morfolojiye sahiptir. Aynı zamanda, toplayıcıya kuru bir Ģekilde gelir. Morfolojide görünen değiĢiklik düĢük yüzey geriliminin ve yüksek konsantrasyonundaki çözücü içeriğinin bir göstergesi olabilir (Kozanoğlu, 2006).

Konsantrasyonun ve buna bağlı olarak değiĢen viskozitenin, lif oluĢumu ve morfolojisi ile lif oluĢumu sırasında oluĢan hatalar üzerindeki etkisi oldukça fazladır.

% 9 konsantrasyonda PVA sulu çözeltisinin elektro-eğirme yönteminde sürekli ve stabil bir jet oluĢumu ve toplayıcı plaka üzerinde kısa zamanda yoğun bir lifli yüzey oluĢumu gözlemlenmiĢtir. PVA oranı arttıkça elektriksel iletkenlik ve yüzey gerilimi değerlerinin düĢtüğü, viskozite ve pH değerlerinin arttığı gözlemlenmiĢtir (Üstündağ ve Karaca, 2009).

Yüksek viskoziteli polimer solüsyonları düĢük viskozitelerinin aksine yüksek visko elektrik kuvvetine sahip olup polimer jetinin iğne ucundan uzamasını sağlar. Daha az çözücü içerdiği için çabuk katılaĢır ve lif çapında artma gözükür (Jiang ve ark, 2004). Çözelti iletkenliği, elektro-eğirme yöntemiyle üretilmiĢ lif çapını yüksek oranda etkileyen bir polimer çözeltisi özelliğidir. Çözeltinin iletkenliği, çözeltinin bir elektrik akımı taĢıma kabiliyeti olarak tanımlanabilir (Yener ve ark., 2011). Çözelti iletkenliği fazla olan polimerlerde iyonların fazla olmasından dolayı yük taĢıma kapasitesi artar ve bu da uygulanan elektrik alan ile daha fazla gerilime sebep olur. Baumgarten jet çapının çözeltinin iletkenliğinin küp kökünün tersiyle orantılı olduğunu göstermiĢtir (Subbiah ve ark., 2005).

Elektro-eğirme iĢleminde çözelti kullanıldığı zaman çözeltinin bir pH değeri vardır ve iĢlem parametreleri içerisinde yer almaktadır. PVA polimerinden elektro- eğirme yöntemi ile üretilmiĢ numunelerin pH etkisi altında çaplarını ve morfolojileri incelenmiĢtir. Burada, %7‟lik PVA çözeltisi kullanılırken pH değerleri, 2.0 ile 12.9 aralığındadır. pH değeri 7.2 iken ortalama lif çapları 290 nm„dir. Elektro-eğirme ile üretilen PVA nanoliflerin artan pH değerlerinde yani bazik durumda daha düz ve ince olduğu fakat çözeltinin sürekliliğini kaybettiği ve liflerde boncuklu yapıların meydana geldiği gözlemlenmektedir. Bunun nedeni ise asidik durumlarda PVA‟nın proton fazlalığındandır (Son ve ark., 2005).

Kılcal uç ile toplayıcı levha arasındaki mesafe arttıkça lif çapı azalmakta, lif varyasyonu azalmakta ve liflerdeki boncuk boyutu azalmaktadır (Kim ve ark., 2005; Süpüren ve ark, 2007b; Süpüren ve ark, 2007a).

Sabit gerilim, konsantrasyon ve kılcal uç-toplayıcı levha arası mesafesi durumunda polimer besleme debisi arttıkça lif çapı da artmaktadır. Ancak besleme debisinin çok artması lif düzgünsüzlüklerine sebebiyet vermektedir. Bunun nedeni, liflerin topraklanmıĢ levhaya ulaĢmadan önce kurumalarının zor olmasıdır. Polimer besleme debisi çok düĢük olduğunda ise, lif çapları çok geniĢ bir dağılım göstermektedir (Kim ve ark., 2005; Süpüren ve ark, 2007a; b).

Fridrikh ve ark. (2003) üretim sırasında lif çapının kontrol edilebileceğini göstermiĢlerdir.

_(4.5)

Burada; , son çap; Q, akıĢ oranı; I, elektrik akımı; ε, dielektrik geçirgenliği ve X, kararsızlığın boyutsuz dalga boyudur.

Voltajın artması, lif çapını belli bir noktaya kadar azaltırken, o noktadan sonra voltajın daha da artması daha fazla polimer beslenmesini gerektirir. Taylor konisi iğnenin ucunda olma eğilimi gösterirken, artan voltaj değeri ile koni iğne içinde oluĢmaya baĢlar ve daha fazla polimer çekilir. Öte yandan lif çapı artarken, elektro- eğirmede hata olarak nitelendirilen, lifler üzerinde boncuklu yapı oluĢmaya baĢlar (Deitzel ve ark., 2001; Reneker ve Chun, 1996; Fong ve ark., 1999; Kozanoğlu, 2006; Zarkoob ve ark., 2004).

AĢçıoğlu (2005) çalıĢmasında voltaj etkisi ile koni açısını hesaplamıĢ ve fotoğraflamıĢtır. 15 kV uygulanan voltaj değeri için koni açısı 7º ve 10º; 17,5 kV değeri için koni açısı yaklaĢık 30º ve 20 kV için koni açısı 45º olarak bulunmuĢtur (ġekil 4.9).

ġekil 4.9. Voltaj ile koni açısı arasındaki iliĢki

AĢçıoğlu (2005) yaptığı deneylerin sonucunda, üretim açısının uygulanan voltaj tarafından etkilendiği ve üretim açısı ile uygulanan voltaj arasında ġekil 4.10‟da gösterilen bir iliĢkinin olduğu sonucuna ulaĢmıĢtır.

ġekil 4.10. Uygulanan voltajın üretim açısına etkisi

Buna göre voltaj ile üretim açısı arasındaki ampirik iliĢki Denklem 4.6‟daki gibi ifade edilir.

(4.6)

Burada; x uygulanan voltaj, Y ise üretim açısıdır (°).

Lif oluĢumu sırasında oluĢan hatalara boncuksu yapı veya tespih tanesi (bead) denmektedir. Bu konuyla ilgili Reneker ve ark. (2000), Lee ve ark. (2003) ve Zuo ve ark. (2005) çalıĢmıĢlardır.

Bu hataların ortaya çıkmasında en önemli faktörler aĢağıdaki gibi özetlenebilir. - Viskozite değeri yüksek olursa boncuk oluĢumu engellenebilir.

- Yüzey gerilimi boncuk oluĢumunu arttıran bir faktördür, fakat düĢük bir yüzey gerilimi boncuk oluĢumunu engelleyebilir.

- Çözeltinin viskozitesi arttıkça boncuk büyür, boncuklar arasındaki mesafe artar, lif çapı artar ve boncuğun Ģekli küresel halden düz hale gelir.

- Net yük yoğunluğu arttıkça boncuk küçülür ve iğimsi halini alır aynı zamanda lif çapı da azalır.

- Yüzey geriliminin düĢürülmesi boncukları neredeyse görünmez yapar. Jet tarafından taĢınan yükün nötralizasyonu boncuk oluĢumunu teĢvik eder çünkü lifteki gerilim net yük itmesine ve elektrik alan ile net yükün etkileĢmesine dayanır.

Lee (2003) çalıĢmasında polistren polimeri kullanılarak farklı türden çözücülerin boncuk oluĢumuna etkisi incelenmiĢtir. ġekil 4.11‟de viskozite ile boncuk oluĢumu arasındaki iliĢki gösterilmiĢtir.

ġekil 4.11. Viskozite ile boncuklu yapı arasındaki iliĢki (Kozanoğlu, 2006)

ġekil 4.12‟de boncuk Ģekillinin konsantrasyona bağlı olarak değiĢimi görülmektedir. Buna göre konsantrasyonun artmasıyla boncuk boyutu küçülür ve en sonunda düz ve lineer bir lif elde edilir.

ġekil 4.12. Konsantrasyonun artması ile boncuk Ģeklinde meydana gelen değiĢiklik (Kozanoğlu, 2006)

ġekil 4.13‟de ise boncuk Ģeklinin voltaja bağlı olarak değiĢimi görülmektedir. Buna göre voltajın artmasıyla ilk baĢta boncuk boyutunun küçüldüğü fakat voltaj değerinin daha da artmasıyla boncuk boyutunun tekrar arttığı gözlenmiĢtir.

ġekil 4.13. Voltajın artması ile boncuk Ģeklinde meydana gelen değiĢiklik (Kozanoğlu, 2006)

ġekil 4.14‟de ise toplayıcı plaka ile düze arasındaki mesafenin, uygulanan elektrik geriliminin, çözeltinin akıĢ hızının ve çözelti konsantrasyonun lif çapına etkisini gösteren grafikler görülmektedir. Buna göre kolektör mesafesi ve elektrik geriliminin artmasıyla lif çapı azalırken; akıĢ hızının ve konsantrasyonun artmasıyla lif çapı da artmaktadır.

ġekil 4.14. Bazı parametrelerin lif çapına etkisi, (a) kolektör mesafesi, (b) elektrik gerilimi, (c) akıĢ hızı, (d) konsantrasyon (Süpüren ve ark., 2007)

Elektro-eğirme iĢleminde genelde DC yüksek güç kaynakları kullanılmakta iken, bazen AC güç kaynakları da kullanılmaktadır. AC kullanıldığı zaman net yük yoğunluğu azalmakta ve bu da elektrostatik kuvvetlerin kararsızlığını azaltmaktadır.

a)

c)

b)

Her iki sistemde de lif çapı inceliği polimer konsantrasyonu ile yakından alakalıdır (Kessick ve ark., 2004).

Elektro-eğirme iĢleminde süreci etkileyen birden fazla parametre mevcuttur. Fakat tüm parametrelerin son ürüne etkisi aynı değildir. Yukarıda anlatılanlardan da çıkarılacağı gibi elektro-eğirme iĢlemine doğrudan etki eden en önemli parametreler; konsantrasyon ve çözeltiye uygulanan gerilimdir.