Hava filtrasyonu uygulamaları için çözeltiden üfleme yöntemi ile PVDF nanoliflerin optimizasyonu

Nanolif yapılı yüzeylerin yüksek yüzey- hacim oranına sahip olmaları ile kazandıkları birçok mekanik ve fiziksel özellikleri bu malzemelerin hava filtrasyonu, medikal kıyafetler, yara örtüleri, koruyucu kıyafetler, süper kapasitörler, Li-iyon piller, separatörler ve daha birçok uygulama alanında geniş bir kullanıma sahip olmalarına neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında elektroüretim işlemine göre yüksek üretim hızı ve nispeten düşük maliyetiyle öne çıkan çözeltiden üfleme işlemi ile PVDF nanolif filtrelerin üretimi için optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu doğrultuda endüstriyel kullanıma daha uygun olması ve insan sağlığını olumsuz etkileyebilecek çözücü malzeme kullanımını azaltmak amacı ile yaygın olarak kullanılan çözücülere alternatif olması amacı ile çalışmalarda DMSO çözücüsü kullanılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda üretim esnasında çözücünün tam olarak buharlaştırılamaması nedeni ile homojen lif üretiminin gerçekleştirelemediğive ıslak yani çözücü içeren yüzeylerin oluştuğu gözlenmiştir. Deney tasarımı oluşturulurken istatiksel değerlendirmesinin yapılması ve optimum koşulların belirlenmesi için gerekli olan deney sayısının ciddi oranda azaltılmasını öngören ve yine kendi içinde bir çok parametreyi aynı anda değerlendirme imkanı sunan Taguchi methodu kullanılmıştır. L9 ortogonal matris oluşturulmuş ve belirtilen düzende dokuz deney, dokuz farklı PVDF-DMSO/AC çözeltisi hazırlanarak gerçekleştirilmiştir. En düşük lif çapı 610 nm olarak ölçülmüştür. Lif çapı ölçümleri üretim esnasında gözlemlenen iki farklı lif yapısı göz önüne alınarak yapılmıştır. Ölçümler sonucunda birbirne yapışarak lif demeti oluşturan yapıların (nispeten çok daha büyük çaplı lif oluşumu) dahil olduğu bir birinci ölçüm ve bu liflerin ölçümlere dahil edilmediği ikinci bir lif ölçümü gerçekleştirilmiş ve ortalama lif çapları iki ayrı değer şeklinde ifade edilmiştir. Bu çalışma ile çözücü etkisi ile oluşan kalın lif demetlerinin filtrasyon üzerindeki etkisi gözlemlenmek istenmiştir. İki ölçüm arasında ciddi farklar olduğu görülmüş ve ortalama lif çapı ve standart sapma değerleri belirlenerek karşılaştırılmıştır. Oluşan lif demetlerinin ölçülmesindeki birinci amaç üretilen filtre yüzeylerinin filtrasyon testleri esnasında büyük çaplı lifler şeklinde etki gösterecek olmalarıdır. Çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlar Minitab 18 yazılımı ile analiz edilip optimum koşulların tayini yapılmıştır. Varyans analizi (ANOVA) yapılarak seçilen faktörlerin ortalama lif çapı üzerindeki etkisi ve parametrelerin birbiri ile etkileşiminin istatiksel olarak değerlendirilmesi amaçlanmıştır. PVDF-DMSO/AC çözeltisinden analiz sonucunda belirlenen optimum koşullarda üretim gerçekleştirilmiş fakat toplayıcı yüzeyde lif oluşumu gözlenmemiştir. Bu deneyler ve analizler sonucunda çözücü etkisinin karşılaştırılmalı bir çalışmasının yapılabilmesi için aynı polimer malzeme ve aynı deney düzeni kullanılarak literatür çalışmalarında yaygın olarak karşımıza çıkan DMF/AC çözücü karışımı ile dokuz farklı PVDF çözeltisi daha hazırlanmıştır. Aynı işlemler ile yapılan deney sonuçlarında 166 nm ortalamanın elde edildiği onuncu bir deney gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada büyük çaplarda lif demeti oluşumu gözlenmediği için ikincil bir ortalama lif çapı ölçümü gerçekleştirilmemiştir. Böylece çözeltiden üfleme yöntemi ile PVDF nanolif üretiminde çözücü malzeme seçiminin ortalama lif çapı üzerinde çok büyük bir öneme sahip olduğu gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında varyans analizi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar polimer konsantrasyonun % 66,75 oranında lif çapı üzerinde etkin olduğunu göstermiştir. Analiz sonucunda elde edilen ve parametrelerin önemini ve birbiri üzerindeki etkisini istatisksel olarak ifade eden p-değeri 0,05'ten düşük bulunmuş ve tüm sonuçların istatiksel olarak anlamlı olduğu belirlenmiştir. Ayrıca bu çalışmada DMF/AC çözücü karışımları ile daha yüksek konsantrasyonlarda üretim yapılabileceği ayrıca gözlenmiştir. Karşılaştırılmalı çalışma yapılabilmesi için yüksek konsantrasyonlarda çözelti hazırlanmamıştır. Deney seti sonunda elde edilen en düşük, en yüksek ve optimum koşulların belirlenmesinden sonra üretilen onuncu numune için ayrı ayrı dört kat nanolif kaplı yüzey üretilmiştir. Tek katlı olarak hava geçirgenlikleri test edilmiştir. Daha sonra bir, iki, üç ve dört katlı olarak hava filtrasyonu özellikleri test edilmiş ve optimum koşullarda üretilen numunenin penetrasyonu yaklaşık olarak % 0,88 elde edilmiştir. Bu da % 99,11 verime karşılık gelmektedir. Ticari olarak EPA 11 filtre seviyeleri yakalanmış ve bu çalışma ışığında endüstriyel olarak sonsuz uzunlukta yüksek performanslı filtre kağıdı üretimi gerçekleştirilebilceği görülmüştür. Filtrasyon özelliklerine ek olarak yapılan optimizasyon çalışması sonucunda, polimer malzemenin su iticilik ve düşük penetrasyon özellikleri göz öne alınarak koruyucu kıyafet ve membran üretiminde de çözeltiden üfleme yöntemi ile PVDF nanolif üretiminin endüstriyel uygulamalar için büyük önem kazanabileceğini de ayrıca göstermektedir.