Production of electrospun polyacrylonitrile nanofiber yarn

Elektro-üretim yöntemi ile farklı polimerlerden, polimer çözeltisi yada eriyiği kullanılarak nanolif üretilebilmektedir. En temel hali ile bu işlem, çözeltinin beslendiği bir iğne, nanoliflerin toplandığı bir toplayıcı ve elektrik alan oluşması için kullanılan bir yüksek voltaj güç kaynağından oluşmaktadır. Yüzey gerilimi etkisi ile iğnenin ucunda tutulan polimer çözeltisi damlacığına voltaj uygulanır. Elektrik alanın artması ile damlacık, Taylor Konisi adı verilen şekli alır. Elektriksel gerilimin, yüzey geriliminden baskın hale gelmesiyle koni halini alan damlacıktan jetler halinde çözelti fışkırmaya başlar. Toplayıcıya olan seyahatleri süresince jetler bir takım gerilme, uzama ve katılaşma (çözücünün buharlaşması ile) işlemine maruz kalır ve toplayıcı üzerine nanolif formunda birikirler. Ancak elde edilen naoliflerin, genellikle rastgele yerleşmiş tülbent yapıda olması, kullanım alanlarının sınırlı kalmasına neden olmuştur. Bu çalışmada iğneli elektro-üretim yöntemi temel alınarak, nanoliflerden iplik elde edilecek şekilde elektro-üretim düzeneğinin modifiye edilmesi, bu düzenek ile nanoliflerden oluşan bir iplik elde edilmesi ve bu sayede kullanım alanlarının genişletilebilmesi amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında iğneli elektro-üretim düzeneği temel alınarak yapılan deneyler ve cihaz modifikasyonları anlatılmaktadır. İlk çalışmalarda pozitif güç kaynağı tarafından beslenen üç iğne, topraklanmış döner toplayıcı ve iplik sarım ünitesi kullanılmıştır. Çalışmalar gösterdi ki, bu düzenek ile kesintisiz olarak iplik üretmek mümkün. %10'luk PAN çözeltisi kullanılarak, 20 kV voltaj ile ortalama lif çapı 320 – 355 nm olan nanolifler içeren iplik elde edilmiştir. Ancak aynı yüklü nanoliflerin birbirlerini itme eğilimi nedeniyle üretilen nanoliflerin tamamının iplik olarak elde edilemediği ve zamanla toplayıcıda biriktiği gözlendi. Bu da bir süre sonra ipliğin kopmasına neden olacaktır. Bu aşamda besleme ünitesi, pozitif ve negatif güç kaynakları tarafından ayrı ayrı beslenen iki iğne kullanılacak şekilde modifiye edilmiş, farklı yüklü nanoliflerin birbirlerine tutunma eğilimlerinden faydalanılmıştır. Modifiye edilen cihaz, zıt yüklü güç kaynaklarından beslenen iğneler, topraklanmamış dikey doğrultuda döner toplayıcı ve iplik sarım ünitesi kullanılarak son halini almıştır. İğneler, yuvarlak plastik bir tabla üzerine yerleştirildi. Dikey yönde ekseni etrafında dönebilen toplayıcı, iğnelerin üstüne gelecek şekilde konumlandırıldı. İplik sarım ünitesi, toplayıcı ile parallel, ama iğnelerin altında kalacak şekilde yerleştirildi. İğnelere ayrı ayrı pozitif ve negatif güç kaynaklarından voltaj verildi. İğne uçlarından fışkıran farklı yüklü nanolifler, yukarıda konumlanan toplayıcıya doğru yönlendiler. Zıt yüklü olan nanolifler, birbirlerine tutunma eğiliminde olduğundan topraklanmamış toplayıcı tercih edildi. Nanolifler, toplayıcının ağız kısmında birikti ve bir ağ tabaka oluşturdular. Bir ucu toplayıcıya, diğer ucu iplik sarım ünitesine bağlı olan kılavuz bir iplik, toplayıcı ağzında biriken nanolif ağının ortasında kalacak şekilde yerleştirildi. Yeterince nanolif birikmesi ile kılavuz iplik, iplik sarım ünitesi tarafından sarılmaya başlandı ve bu da nanoliflerden oluşan ağ tabakayı ortasından çekerek koni şeklini almasını sağladı. Toplayıcının kendi ekseni etrafıda dönme hareketi ile koninin tepe noktasında incelen ağ yapıya büküm kazandırıldı. Daha sonra nanoliflerden oluşan bükümlü iplik, iplik sarım ünitesine sarıldı. Bu işlemde kesintisiz olarak iplik üretilebilmesi için, koni formundaki nanoliflerden oluşan ağ yapının sürekliliğinin sağlanmasının önemli olduğu görüldü. İğnelerden üretilen nanolif miktarının yeterli ve kesintisiz olması, aynı zamanda iplik sarım hızının nanolif üretim hızı ile orantılı olması gerektiği deneysel çalışmalarla gözlemlendi. Nanolif konisine yeterli miktarda nanolif katılabilmesinin sağlanması için doğru konsantrasyonda çözelti kullanılması, yeterli besleme oranının sağlanması ve üretim mesafesi ile voltaj değerlerinin optimize edilmesi gerektiği gözlemlendi. Ayrıca iğnelerin açıları da, nanolifleri direk toplayıcıya yönlendirecek şekilde ayarlanmalıdır. Farklı çözelti konsantrasyonları, voltaj, çözelti besleme oranı, üretim mesafeleri, iğne açıları, toplayıcı tipleri, toplayıcı ve iplik sarım ünitesi dönüş hızları parametreleri ile deneyler yapılmış. Bütün parametreler optimize edilerek nanoliflerden oluşan bükümlü PAN ipliğin kesintisiz olarak elde edilmesine çalışılmıştır. İpliği oluşturan nanoliflerin kuru olması, iplik düzgünlüğü açısından önemlidir. Bu nedenle elektro-üretim ile elde edilen nanoliflerin, toplayıcıya olan seyahati sırasında incelmeleri ve içerlerindeki çözeltinin buharlaşabilmesi için, yine işlem parametrelerinin optimize edilmesi üzerinde çalışılmıştır. Elde edilen ipliklerin karakterizasyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. Değişen işlem parametrelerinin nanolif çapına, iplik düzgünlüğüne ve işlemin kesintisiz sürdürülebilmesi üzerine olan etkileri incelenmiştir.