Lignin Örneklerinden Nano Liflerinin Üretimi

Elde edilen ligninlerden nano lif üretimi Şekil 4.3.ʼde temsili olarak gösterilen elektrospin yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Tablo 4.2.ʼe göre hazırlanan lignin polimer karışımlarının Şekil 4.3.ʼde gösterilen düzeneğe benzer bir elektrospin aleti ile nano lif üretim çalışmaları Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi, Tekstil Mühendisliği Bölümü, Nanotekstil Laboratuvarında gerçekleştirilmiştir.

Tablo 4.2. Deneme deseni ile üretilen lignin polimer liflerinin karışım oranları

Lignin türü Polimer Matriks Türü Karışım oranı (%)

- PAN 0:100

Indulin AT PAN 50:50

OBL Lignini PAN 50:50

Karaçam Lignini PAN 50:50

Kavak Lignini PAN 50:50

Buğday Sapı Lignini PAN 50:50

- TPU 100

Indulin AT TPU 17:83

OBL Lignini TPU 17:83

Karaçam Lignini TPU 17:83

Kavak Lignini TPU 17:83

Buğday Sapı Lignini TPU 17:83

Şekil 4.3. Elektrospin cihazının şematik gösterimi

Deneme deseninde (Tablo 4.2.) belirtilen oranlar literatürde yer alan çalışmalarda PAN-lignin karışımlarında ligninin miktarı elektrospin ile lif üretimi için hazırlanan çözeltinin toplam polimer oranının %50ʼsini geçtiği durumlarda üretilen liflerin morfolojisinin bozulması sebebi ile kullanılan PAN miktarını azaltacak en yüksek oran olarak 50:50 seçilmiştir (Seo vd., 2011; Jin vd., 2014; Demiroğlu-Mustafov vd., 2019).

Culebras vd. (2018) tarafından yapılan çalışmada eriyikten lif çekilebilecek en yüksek lignin-TPU oranının 70:30 olduğunu bildirmişlerdir. Culebras vd. (2019) yaptıkları çalışmada izosiyanat eklenmiş lignin-TPU çözeltilerinden yaklaşık 80:20, 70:30 ve 50:50 oranında elektrospin ile lif üretmişlerdir. TPU-lignin karışımlarından elektrospin ile lif üretimi için PAN-lignin karışımlarında kullanılan PAN miktarının çözeltide %12 konsantrasyonda olmasından yola çıkılarak TPU konsantrasyonu %12 olacak şekilde hazırlanan lif üretim çözeltisine başlangıçta eşit miktarda lignin eklenmiştir. Fakat çözelti oldukça viskoz olduğu için üretim yapılamamıştır. Başarısız olan her denemeden (Fotograf 4.1.) sonra, çözeltiye eklenen lignin miktarı azaltılarak kullanılabilecek en yüksek lignin miktarının belirlenmesi yapılmıştır. Hazırlanan çözeltiler sonucunda lif üretimi yapılabilen en yüksek lignin miktarlı çözelti, 1,2 g TPUʼya 0,25 g lignin eklenerek (5:1 oranında) oluşturulmuştur. Çözeltideki toplam polimer miktarına göre TPU-lignin oranı 83:17 olarak hesaplanmış ve tüm ligninlerden karışım oluşturularak lif üretimi yapılmıştır.

Fotograf 4.1. TPU-lignin karışımlarından bazı başarısız lif üretimi denemeleri

4.2.5.1. Lignin-PAN liflerinin üretimi

Lignin-PAN liflerinin üretimi ilk olarak Jin vd., (2014) tarafından uygulanan yöntemle gerçekleştirilmiştir. PAN miktarı %12 olacak şekilde DMF ile 50° Cʼde sürekli karıştırılarak çözülmüştür. Daha sonra çözeltiye ağırlıkça PAN miktarı kadar lignin ilave edilmiş ve ligninin sabit sıcaklıkta sürekli karıştırma ile çözünmesi sağlanmıştır. Çözeltilerden belirli miktarda Fotograf 4.2.ʼde gösterilen elektrospin cihazına alınmış ve 20 kV güç, plaka uzaklığı 20 cm ve şırınga pompasının hızı 1 ml/h olacak şekilde lif üretimi gerçekleştirilmiştir.

Fotograf 4.2. Karaçam-PAN karışımından elektrospin ile lif üretimi

4.2.5.2. TPU-lignin liflerinin eldesi

TPU-lignin liflerinin üretimi optimize edilerek bulunan karışım oranına göre gerçekleştirilmiştir. Öncelikli olarak %12ʼlik TPU DMF içerisinde sabit sıcaklık ve karıştırma ile 16 saat süre ile çözündürülmüştür. Daha sonra TPU çözeltisine çözeltideki oranı %2,5 olacak şekilde lignin ilave edilmiş ve ligninin çözünmesi için sabit sıcaklık ve karıştırma ile 4 saat bekletilmiştir. Elde edilen çözeltilerden elektrospin cihazı için uygun şırınga ile belirli miktar alınarak 0,7 ml/h saat pompa hızında, 23,9 kV güç ile toplayıcı tabaka uzaklığı 17 cm ve ortam bağıl nemi %54 olacak şekilde lif üretimi gerçekleştirilmiştir.

4.2.5.3. Liflerin termal stabilizasyonu ve karbonlaştırılması

Liflerin termal stabilizasyonu Tablo 4.3.ʼde belirtilen deneme deseni ile Grafik 4.1.ʼde I. bölgesinde gösterildiği şekilde gerçekleştilmiştir. Deneyler Kastamonu Üniversitesi Malzeme Mühendisliği Laboratuvarında yer alan tüp fırınında, PAN-lignin lifleri için ısıtma hızı 5°C/dk, işlem sıcaklığı 250 °C olacak şekilde hava ve inert gaz ortamında (hızı 3 l/dk) olmak üzere iki farklı ortamda 2 saat boyunca bekletilerek yapılmıştır. TPU-lignin lifleri için de öncelikli olarak 250 °C’de stabilizasyon denenmiş fakat yapısı gereği termo plastik olması ve TGA özelliklerine göre 200 °C’de bozulmaya başlamasından dolayı TPU içeren lifler için literatüre göre daha koruyucu bir stabilizasyon gerçekleştirilmesi amacıyla 220 °C’de stabilizasyon yapılmıştır (Uraki vd., 2001; Braun vd., 2005; Zhang ve Ogale, 2014). Grafik 4.1.’in II. Kısmında

gösterildiği gibi stabilizasyon periyodunun ardından tüp fırında ısıtma hızı 10 °C /dk ve karbonlaştırma sıcaklığı 1000 °C olacak şekilde inert ortamda (gaz hızı 3 l/dk) 1 saat ısıl işleme tabi tutularak karbonlaştırılması sağlanmıştır. Deneylerde inert gaz olarak argon kullanılmıştır.

İşlemler sırasındaki madde kayıplarının ve verimin belirlenmesi amaçlı başlangıçtaki miktar ve işlem sonucu miktarlar belirlenmiştir. Stabilizasyon ve karbonlaştırma aşamalarının verimleri Eşitlik 4.9ʼdaki gibi son olarak elde edilen miktarların başlangıçtaki miktarlara oranlanarak tespit edilmiştir.

Verim, % = A x 100 / B, (4.9)

Burada:

A: İşlem sonu madde miktarı (g) B: İşlem öncesi madde miktarı (g). Tablo 4.3. Stabilizasyon deney deseni

Hammadde Stabilizasyon ortamı Katkı Maddesi Stabilizasyon Sıcaklığı Süre

Kavak Hava TPU 220 2 saat

Kavak Argon TPU 220 2 saat

Kavak Hava PAN 250 2 saat

Kavak Argon PAN 250 2 saat

Karaçam Hava TPU 220 2 saat

Karaçam Argon TPU 220 2 saat

Karaçam Hava PAN 250 2 saat

Karaçam Argon PAN 250 2 saat

Buğday sapı Hava TPU 220 2 saat

Buğday sapı Argon TPU 220 2 saat

Buğday sapı Hava PAN 250 2 saat

Buğday sapı Argon PAN 250 2 saat

Indulin AT Hava TPU 220 2 saat

Indulin AT Argon TPU 220 2 saat

Indulin AT Hava PAN 250 2 saat

Indulin AT Argon PAN 250 2 saat

OBL Hava TPU 220 2 saat

OBL Argon TPU 220 2 saat

OBL Hava PAN 250 2 saat

OBL Argon PAN 250 2 saat

PAN Hava - 250 2 saat

PAN Argon - 250 2 saat

TPU Hava - 220 2 saat

Grafik 4.1. Stabilizasyon ve karbonlaştırma işlemlerinde sıcaklık zaman grafiği