Elektro-eğirme Prosesinin Modellenmesi

Elektro-eğirme prosesindeki aşamalar şu şekilde ifade edilebilir (Şekil 5.3): 1. Damlacık oluşumu,

2. Taylor konisi oluşumu,

3. Elektro-eğirme jetinin oluşumu, 4. Kararlı bölgede jetin uzaması,

5. Kararsız bölgenin oluşması (whipping instability) 6. Fiber formunda katılaşması

5.2.1. Damlacık oluşumu

Elektro-eğirme metodunun ilk aşamasında eriyik ya da çözelti formundaki sıvı polimer bir lüle ucundan çok düşük hızlarda beslenir. Herhangi bir elektrik alan uygulanmadığı durumda kılcal boru ucunda bir damlacık oluşur ve yer çekiminin etkisi

ile damlacık düşer. Bu durumda damlacığa etki eden sadece iki kuvvet vardır. Bunlardan biri sıvının yüzey gerilimi diğeri yer çekimi kuvvetidir. (Andrady 2008). Polimer beslemek için genellikle perküzyon pompası kullanılır. Perküzyon pompasında polimer çözeltisi besleme hızı mL/dak. veya mL/h şeklinde ayarlanır.

Şekil 5.3. Elektro-eğirme prosesinin aşamaları şematik şekli

5.2.2. Taylor konisi oluşumu

Kılcal boru ucunda asılı duran çözelti damlacığı, yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisi ile kritik bir voltaj değerine kadar küresel formda bulunur (Şekil 5.4a,b,c). Uygulanan voltaj kritik bir değere ulaştığı anda, elektrostatik kuvvetler yüzey gerilimi ve yerçekimi kuvvetlerine eşitlenir. Bu noktada polimer damlası şekil değiştirerek koni biçimini alır, koni açısı 50°’dir (Şekil 5.4d). Bu koniye Taylor konisi denir (Kozanoğlu, 2006). Taylor, elektrik alan içindeki viskoz sıvının bu açıda konik formdayken yüzey gerilimi ile elektrostatik kuvvetlerin denge halinde olduğunu göstermiştir (Huang ve ark., 2003). Farklı çözelti ve eriyikler için bu değer farklı olabilir (Andrady, 2008).

5.2.3. Jet oluşumu

Polimer damlası Taylor konisi halini aldıktan sonra gerilimdeki çok küçük bir artışla birlikte koni ucundan bir jet fışkırır (Şekil 5.4e) (Kozanoğlu, 2006; Andrady, 2008).

Şekil 5.4. Artan voltajın etkisi ile polimer damlacığının taylor konisi formuna geçişi ve jet oluşumu (a),(b),(c),(d) voltajın artmasıyla lüle ucundaki damlacık formunun değişimi, (e) kritik voltaj seviyesinde

iken polimer jetinin fışkırması, (f) kritik voltaj değerinden sonraki polimer jeti (Kozanoğlu, 2006)

5.2.4. Kararlı bölgede jetin uzaması

Bu durum Şekil 5.3’de (4) ile ifade edilmiştir. Polimer çözeltisine uygulanan voltaj, kritik voltaj değerini geçtiği anda aniden jet başlangıcı gerçekleşir (Şekil 5.4f). Oluşan polimer jetinin yüzeyindeki yüklerin coloumb itme kuvvetleri, jeti toplayıcıya doğru uzatan eksenel bir bileşene sahiptir. Yapılan akışkan hızı ölçümleri göstermiştir ki, Taylor konisinden uzaklaştıkça jet hızının yanı sıra jet hızının değişimi de artış göstermektedir. Yani Taylor konisinden baş gösteren jet, gittikçe hızlanarak bir müddet lineer bir yolda seyretmektedir. Bunun sonucu olarak jet çapı, jetteki uzama ve çözücünün buharlaşmaya başlamasına bağlı olarak hızla düşmektedir. Jetin incelmesi ile jetin birim alandaki yüzey yükü azalırken birim kütledeki yüzey alanı artmaktadır (Andrady, 2008).

5.2.5. Kararsız bölgenin oluşması

Whipping kararsızlığı da denen kararsız bölgenin oluşumu sırasında polimer jeti, izlediği kararlı yolun ardından kararsız bir bölgeye girer. Kararsız bölge, Şekil 5.3’te (5) numara ile gösterilmiştir. Kullanılan polimer çözeltisi veya eriyiğinin özelliğine ve sistem değişkenlerine bağlı olarak değişebilen üç kararsızlık hali mevcuttur. Jet, bu

kararsızlık hallerinden sadece birini gösterebileceği gibi üç kararsızlık halini de gösterebilir. Bu kararsızlık halleri; (i) klasik Rayleigh karasızlığı, (ii) eksenel simetrik elektrik alan akımı ve (iii) whipping kararsızlığıdır. Elektro-eğirme işleminde en çok görünen kararsızlık hali whipping’dir. Whipping oluşumunun nedeni, jet yüzeyindeki yüklerin karşılıklı olarak birbirlerini itmesi ile meydana gelen ve yüklerin bir arada olamamalarından dolayı jette merkezden radyal bir şekilde burulma oluşmasıdır. Jet toplayıcıya yaklaştığında ise ana jetten ayrılan küçük jetler meydana gelir. Bu küçük jetlerin oluşmasının nedeni ise radyal yüklerin birbirini itmesi sonucu ana jetten ayrılması olarak izah edilmiştir. Jet yeterince inceldiğinde ve viskoelastik kuvvetler yeterince sönümlendiğinde yeni whipping karasızlıkları oluşur. Bu karasızlık haline ikinci whipping karasızlığı denir (Kozanoğlu, 2006).

Kararsız bölgede yüklü polimer jetine altı kuvvet etki eder. Bunlardan bir kısmı damlacığın deforme olmasını ve jet oluşumunu desteklerken bir kısmı da tersi yönde çalışır, damlacığın akışına engel olur.

Whipping kararsızlığında jete etki eden kuvvetler;

a) Yer çekimi kuvveti (Fg): Çözeltinin yoğunluğuna bağlıdır (modellemelerde

çoğunlukla ihmal edilir).

b) Elektrostatik kuvvet (FE): Jetin uzamasını ve toplayıcıya doğru ilerlemesini

sağlayan kuvvettir. Bu kuvvet, uygulanan elektrik alan ve materyal karakteristiği ile tanımlanır.

c) Coloumb itme kuvveti (FC): Jetin yüzeyinde kararsızlığa ve spiral hareketlere

sebep olur. Bu kuvvetin miktarı, polimerin ve çözücünün karakteristiklerine bağlıdır. d) Viskoelastik kuvvetler (FV): Jetin uzamasına ve ilerlemesine karşı yönde etki

eden bir kuvvettir. Polimerin tipine, molekül ağırlığına ve çözücüye bağlıdır.

e) Yüzey gerilimi kuvvetleri (Fγ): polimer jetinin çekilmesine karşı yönde etki

eder. Çözücü tipine, polimere ve katkı maddelerine bağlıdır.

f) Sürtünme kuvvetleri (FF): Polimer jetinin yüzeyi ile onu çevreleyen hava veya

gaz arasında oluşan sürtünme kuvvetleridir (Andrady, 2008).

Elektro-eğirme esnasında bütün bu kuvvetler dengede olup Denklem 5.1’de ifade edildiği gibidir. Burada tüm kuvvetler Denklemdeki gibi yazılır, yer çekimi kuvveti eşitliğin sağında, solunda olabilir, hatta hiç olmayabilir. Bu elektro-eğirmenin aşağıya veya yukarıya doğru yapıldığına veya yatay yapıldığında göre değişir. Şayet eğirme işlemi aşağıdan yukarıya doğru yapılıyorsa Denklem 5.1‘deki gibi yazılır. Yatay

yapıldığında yer çekimine karşı bir kuvvet gerekmediğinden bu kuvvet denklemde yazılmaz.

⃗+ ⃗ = ⃗ + ⃗ + ⃗ + ⃗ (5.1)

Yapılan hesaplamalar ve denemeler neticesinde, yüksek gerilme altında polimer jet hızının, toplayıcıya yakın yerlerde sesin havadaki yayılma hızı kadar olduğu tespit edilmiştir (340 m/s). Polimer jeti elektriksel kuvvet etkisiyle hızlanırken viskoz direnci de giderek artmaktadır ve viskoelastik kuvvetler, elektrostatik kuvvetlerden çok küçük miktarda büyük olduğu anda polimer jeti stabil olmayan bir harekete başlamaktadır. Bu durumda, oluşan hafif bir hava türbülansı bile salınıma neden olmaktadır (Kozanoğlu, 2006).

5.2.6. Fiber formunda katılaşma

Polimer jeti kararsız bölgede ilerlerken jet alanının inanılmaz derecede artmasıyla kütle hızları da çok artmakta ve bu esnada çözelti içerisindeki çözücünün buharlaşması gerçekleşmektedir. Jetin kararsızlık bölgesinden geçtiği süreç aynı zamanda çözücünün buharlaşma hızı ile kontrol edilir. Yüksek buharlaşma hızında bir çözücü kullanıldığında jetin uzama viskozitesi, deformasyonu sağlamak için fazla yüksek kalacak, whipping kararsızlığı kısa sürecek ve buna bağlı olarak daha kalın nanofiberler elde edilecektir. Kullanılan çözücünün uçuculuğu, fiber çapını kontrol etmede anahtar rol oynar. Uygun bir çözücünün seçimi, uygun proses parametrelerinde çok küçük nanofiberlerin elde edilmesini sağlar (Andrady, 2008).

Çözücünün buharlaşması ile topraklanmış toplayıcı üzerinde, birbiri üzerine rastgele konumlanmış katı nanofiberler oluşur.