Elektroeğirme yöntemi ile poli(4-vinilpiridin) nanoliflerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of poly(4-vinyl pyridine) nanofibers by electrospinning
Yazar: BURCU OKYAY
Danışman: PROF. DR. PINAR AKKAŞ KAVAKLI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Elektroeğirme yöntemi = Electrospinning method ; Nanolif = Nanofiber

Özet:
Bu çalışmada, nanolif eldesinde kullanılacak olan Poli(4-vinilpiridin) (P4VP), azobisizobütironitril (AIBN) başlatıcısı kullanılarak, yüzey aktif madde olarak polietilen glikol sorbitan monolaurat (Tween20) ile oluşturulan sulu emülsiyon ortamında 4-vinilpiridinin serbest radikal polimerizasyonu ile sentezlenmiştir. Elde edilen P4VP'nin kimyasal yapısı, NMR ve FTIR teknikleri ile karakterize edilmiştir.
P4VP nanoliflerinin hazırlanması için elektroeğirme yöntemi kullanılmıştır. Elektroeğirme yöntemi ile P4VP nanoliflerinin eldesinde, nanolif yapısını etkileyen faktörler iki ana başlık altında incelenmiştir; polimer çözeltisinden kaynaklanan faktörler ve elektroeğirme işleminden kaynaklanan faktörler. Polimer çözeltisinden kaynaklanan faktörlerden, derişim, viskozite ve yüzey gerilimi etkisi, N,N-dimetilformamid (DMF) çözücüsünde %15, %20, %22,5 ve %25 (w/w) derişimlerinde, etanol çözücüsünde ise %5, %7,5, %10 ve %20 (w/w) derişimlerinde incelenmiştir. Çözelti derişiminin artmasına bağlı olarak, çözelti viskozitesi ve yüzey gerilimi de artmış, buna bağlı olarak da nanolif morfolojisinde değişiklikler gözlenmiştir. Nanoliflere ait SEM görüntülerinden ortalama nanolif çapları hesaplanmış ve çözelti derişimi arttıkça oluşan nanolifin çapının arttığı, lif yapısındaki boncuk oluşumunun azaldığı görülmüştür. 
Elektroeğirme işleminden kaynaklanan faktörlerden, voltaj, iğne ile toplayıcı plaka arasındaki mesafe ve akış hızının nanolif çapı ve morfolojisine etkisi incelenmiştir. %20 (w/w) P4VP/DMF ve %5 (w/w) P4VP/Etanol çözeltileri kullanılarak gerçekleştirilen deneylerde, iğne ile toplayıcı plaka arasındaki mesafe 20 cm'de akış hızı 1,5 mL/saat'te sabit tutulmuş, 19 kV, 21 kV, 23 kV, 26 kV ve 30 kV voltaj uygulanmıştır. Voltajın değiştirilmesi ile elde edilen nanoliflerin ortalama çapları tespit edilmiş ve voltajın artmasıyla nanolif çapında ya da boncuk oluşumunda herhangi bir değişiklik olmadığı gözlenmiştir. İğne ile toplayıcı plaka arasındaki mesafenin etkisi, %20 (w/w) P4VP/DMF ve %5 (w/w) P4VP/Etanol çözeltilerine 19 kV voltaj uygulanarak ve 1,5 mL/saat akış hızında incelenmiştir. İğne ve toplayıcı plaka arasındaki mesafe değerleri 17 cm, 18 cm, 20 cm ve 21 cm olarak değiştirilmiş ve P4VP nanolifleri elde edilmiştir. Mesafenin arttırılmasıyla nanolif çapının DMF çözücüsü için 608 nm'den 552 nm'ye, etanol çözücüsü için 540 nm'den 402 nm'ye azaldığı gözlenmiştir. Akış hızının nanolif çapına ve morfolojisine etkisini incelemek için 19 kV voltaj ve 21 cm iğne ile toplayıcı plaka mesafesinde, %20 (w/w) P4VP/DMF çözeltisi ve %5 (w/w) P4VP/Etanol çözeltileri kullanılmıştır. P4VP/DMF çözeltisi için 1,2 mL/saat, 1,5 mL/saat, 2 mL/saat, 2,5 mL/saat ve 3 mL/saat akış hızında, P4VP/Etanol çözeltisi için 1,5 mL/saat, 2 mL/saat, 2,5 mL/saat ve 3 mL/saat akış hızında nanolifler elde edilmiş ve her iki sistem için de akış hızının değişmesi ile nanolif çaplarında kayda değer bir değişiklik olmadığı gözlenmiştir. 
Çap ve kullanım kolaylığı açısından uygun nanolif hazırlanması için en uygun şartlar; P4VP/DMF çözeltisi için % 20 (w/w) çözelti derişimi, 19 kV voltaj değeri, 21 cm iğne ile toplayıcı plaka mesafesi ve 1,5 mL/saat akış hızı ve P4VP/Etanol çözeltisi için % 5 (w/w) çözelti derişimi, 19 kV voltaj değeri, 20 cm iğne ile toplayıcı plaka mesafesi ve 1,5 mL/saat akış hızı olarak seçilmiştir.
Nanolifler, SEM, EDX, FTIR, XPS, elementel analiz, ve TGA teknikleri ile karakterize edilmiştir. Uygulamadaki kullanımını görmek üzere, optimum koşullarda P4VP/DMF çözeltisiyle elde edilen nanolif ile sulu çözeltilerdeki Cu(II) iyonlarının uzaklaştırma çalışması gerçekleştirilmiş ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, poly(4-vinylpyridine) was synthesized by free radical polymerization of 4-vinylpyridine by using azobisisobutyronitrile as an initiator and gylicol sorbitole monolaurate (Tween20) as a surfactant in aqueous emulsion medium. The chemical structure of P4VP was characterized by using NMR and FTIR techniques.
Electrospinning method was used for the preparation of P4VP nanofibers. The factors effecting the structure of nanofiber were investigated in two main parts. These are polymer solution parameters and electrospinning process parameters. Polymer solution parameters were investigated in terms of concentration, viscosity and surface tension in DMF solvent by using 15%, 20%, 22,2% and 25% (w/w) and in ethanol solvent by using 5%, 7,5%,10% and 20% (w/w). Depending on the increase in the concentration of solution, viscosity and surface tension of the solution was increased and the changes were observed in the morphology of the nanofibers accordingly. The average diameter of nanofibers were calculated from the SEM images and it was observed that increasing the concentration of solution, increased the diameter of nanofibers and decreased the formation of beads in the fiber structure. 
The effect of electrospinning process parameters in terms of voltage, distance between the collector and the tip of the syringe and flow rate on nanofiber diameter and morphology were investigated. In experiments carried out using %20 (w/w) P4VP/DMF and %5 (w/w) P4VP/etanole solutions, at 19 kV, 21 kV, 23 kV, 26 kV and 30 kV voltage was applied by maintaining 20 cm distance between the collector and the tip of the syringe and 1.5 mL/h flow rate. The average diameter of the nanofibers were determined by changing the applied voltage. With the increase in voltage, any changes in the diameter of nanofibers or bead formation was observed. The effect of the distance between the collector and the tip of the syringe were investigated by using %20 (w/w) P4VP/DMF and %5 (w/w) P4VP/Etanol solutions at 19 kV voltage and 1,5 mL/h flow rate. The distance between the collector and the tip of the syringe is set to 17 cm, 18 cm, 20 cm and  21 cm and P4VP nanofibers were obtained. When the distance between the collector and the tip of the syringe was increased from 17 cm to 21 cm, the nanofiber diameters decreased for DMF (608 nm to 552 nm)  and ethanol (540 nm to 402 nm). The effect of flow rate on morphology and diameter of nanofibers were examined by using  %20 (w/w) P4VP/DMF and %5 (w/w) P4VP/Etanol solutions at 19 kV voltage and 21 cm distance between the collector and the tip of the syringe. The flow rate of the solutions were adjusted 1.2 mL/h, 1.5 mL/h, 2 mL/h, 2.5 mL/h and 3 mL/h for P4VP/DMF and 1.5 mL/h, 2 mL/h, 2.5 mL/h and 3 mL/h for P4VP/Ethanol. The diameter of nanofibers were not significantly change by the change in flow rate. 
The optimum condition for the preparation of suitable nanofibers in terms of diameter and ease of use were selected as 20% (mm) solution concentration, 19 kV voltage value, 21 cm distance between the collector and the tip of the syringe and 1.5 ml / hour flow rate for P4VP/DMF solution and 5% (mM) solution concentration, 19 kV voltage value, 20 cm distance between the collector and the tip of the syringe and 1.5 mL/hour flow rate for P4VP/Ethanol solution. 
Nanofibers were characterized by SEM, EDX, FTIR, XPS, elemental analysis and TGA techniques. To see the practical use of nanofibers which was obtained by P4VP/DMF solution with optimum working conditions, nanofiber was used to adsorb Cu(II) ions from aqueous solutions and successful results were obtained.