Santrifüj eğirme sistemi ile üretilen liflerle yapılan kompozitlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi
Definition of mechanical properties from centrifugal spun fibrous composites
Yazar: HARUN YALÇIN
Danışman: PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ ; YRD. DOÇ. ALİ KILIÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Nanoteknolojiler üzerine yapılan çalışmaların, özellikle 2000'li yıllardan itibaren gözle görülür bir biçimde arttığı görülmektedir. Nano- mikro mertebede ürünlerin eldesi daha yüksek mekanik, termal dayanımlara yol açmakta ve farklı özelliklerde kumaş ve membran yapıların oluşmasına fırsat vermektedir. Bu tez çalışmasının amacı santrifüj eğirme yöntemiyle nano- mikro mertebede lifler üretmek ve bu liflerin bir yüzeyde toparlanmasıyla membran yapılar elde etmektir. Bu membran yapıların mekanik özellikleri, kompozit uygulamaların bütününde olduğu gibi kullanılan malzemeye ve yönteme bağlı olarak değiştirilebilmektedir. Bu çalışma içerisinde farklı yapıda membranların tasarımı ve üretimi gerçekleştirilmeye çalışılmış ve bu tip yapıların eldesi için gerekli makina tasarımı ve imalatı ile ilgili sonraki yıllarda yapılacak çalışmalara yol göstermesi hedeflenmiştir. Bununla birlikte ülkemizde henüz hakkında kayda değer herhangi bir çalışmanın bulunmadığı santrifüj eğirme yöntemi tanıtılmaya ve geliştirilmeye çalışılmıştır. Bu yöntemin teknik tekstiller alanında kullanımı en yaygın yöntem olan elektroüretimin(elektrospinning) düşük üretim hızı ve yüksek gerilimde çalışıldığı için oluşabilecek güvenlik problemlerini önlemeye yönelik ciddi bir alternatif olması beklenmektedir. Buna ilaveten santrifüj eğirme yönteminde, eriyikten üfleme(meltblowing) yöntemindeki gibi sıcak hava için enerji maliyeti, sistem kurulumu ve optimizasyonu için ilk yatırım maliyetleri gibi masraflara girilmemektedir.
Nanolif ve mikrolif membran yapıları hava-su filtrasyonu, biyomedikal ve enerji sektörlerinde yoğunlukla kullanılmakta, değişik fonsiyonaliteler kazandırmak için artan ilgiyle araştırılmaktadır. Bu tip yapıların üretiminde elektroüretim ve eriyikten üfleme daha ziyade öne çıkmaktadır. Elektroüretimde elektrostatik kuvvetler altında, eriyikten üflemede ise sıcak hava jeti rehberliğinde polimer çözeltisi ya da eriyiği inceltilerek rastgele bir şekilde konveyör bant üzerine transfer edilir. Yenilikçi bir yöntem olarak bu tez çalışmasında nano- mikrolifli membranlar için santrifüj(merkezkaç) kuvvetlerinden faydalanılacaktır. Bu çalışma sonucunda elektroüretim ve eriyikten üflemeye nispeten içyapısı daha düzgün dağılımlı ve mekanik özellikleri geliştirilmiş bir membran yapısı hedeflenmektedir. Şu ana kadar santrifüj sistem kullanılarak ürün elde edilen birkaç akademik ve endüstriyel çalışma olsa da özellikle filtre ve membran son kullanımına yönelik düzgün, değişik konfigürasyonlara sahip dağılımda membranların üretimi mümkün olamamış, denenmemiştir. Dokusuz (Nonwoven) kumaşlar sektöründe membran olarak gerekli gözenekliliğin, lif çapı ve dağılımı bu tez çalışmasıyla belirlenen seviyede bir sistem bilinmemektedir. Bunun yanı sıra lif dağılım problemini düzeltmek için eriyikten üfleme ve elektroüretim alanında ciddi araştırmalar yapılsa da nihai çözümler bulunamamıştır. Bunun sebebi toplam imalat değişenleri olarak düşünülebilecek polimer viskoelastik ataletleri ile elektrostatik kuvvetlerin (electrospinning işlemindeki) ve hava jetindeki aerodinamik kuvvetlerin (eriyikten üfleme işlemindeki) polimer zincirlere kaotik doğrultularda etkilerde bulunması olarak özetlenebilir. Santrifüj etkiyle lifler daha kontrollü doğrultuda fırlatıldığından membran üzerindeki yerleşimlerinin daha düzgün olması beklenmektedir. Santrifüj sistem üzerine ilk patentler 1970'lerin sonlarında alınsa da büyük ölçekte dokusuz kumaş yüzey üretimi bugüne dek pek mümkün olmamıştır. 2010 sonrasında sadece birkaç firma (Xanofiber ve Forcespinning, ABD) üretim yapabilecek sistemlere değişik tasarımlarla ulaşabilmişlerdir, fakat halen malzeme eni 1.1 m ile sınırldır. Patent ve literatürde görülen çalışmalara göre bu ürünlerde de membran malzemenin morfolojik ve makro yapısından ziyade kimyasal iyileştirmeleri hedeflenmiştir [1, 2].
Santrifüj eğirme yönteminde; eriyik polimer veya çözeltinin viskozitesi ve sıcaklığı, dönen disk düzenin devir sayısı, dizaynı ve toplayıcı yüzey ile disk arası mesafe lif özelliklerini belirleyecek olan önemli parametrelerdir. Bu parametreler üzerinde çalışılarak en verimli membran yüzeyi elde edilmeye çalışılacaktır. Bu parametrelere ilave olarak da dönen disk düze üzerindeki delik geometrisi ve delik sayısının da lif çapına etkisi belirlenecektir. Ayrıca tasarlanan sistemler alternatif olarak sıcak hava jetiyle veya elektrostatik yüklemeyle kombine edilerek membran yapısı üzerine sinerjik etkilerinin araştırılması hedeflenmektedir. Lifler üzerinde daha yüksek çekim kuvvetleri olmasından daha oryante yapılar elde edilecektir. Bu sebepten ürünlerin daha mukavim yapılar olması beklenmektedir.
Santrifüj eğirme metodu kullanarak mekanik özellikleri gelişmiş dokusuz bir membran eldesinin; ülkemizdeki birçok akademik ve endüstriyel çalışmaya yön verecek ve birçok akademisyeni bu alanda çalışmaya teşvik edecektedir. Bu sayede nano- mikrolif membran üretiminde araştırmacılar farklı üretim metotlarının geliştirilmesine ön ayak olabileceklerdir. Üretilmesi planlanan membranların, nano boyutta ve tek katmanlı olmasına rağmen daha mukavemetli olması sanayimizde membran üretimindeki kaliteyi ve kullanım sahasındaki çeşitliliği artıracaktır. Lif mekanik davranışlarının açığa çıkartılması için kompozit malzemeler hazırlanmıştır. Membran halde ölçülmesi mümkün olmayan veya zor olan mekanik davranışlar, kompozit bünyenin deneyle belirlenen değerlerinden yararlanarak hesaplanması yoluyla tahmin edilmiştir.

Abstract:
There has been an observable increase in both the academic and industrial studies concerning the field of nanotechnology especially since 2000's. At the nano- micro scale, such materials exhibits higher level of mechanic and thermal resistance and especially results in the formation of fabric and membrane structures of distinct qualities. The purpose of this thesis study is to produce nano-, microfibers using the centrifugal spinning process in order to obtain membrane structures through the collection of these fibres on the surface. The mechanical properties of these membrane structures can be altered based on the materials and method used just as is the case with all composite applications. The design and the production of membranes of distinct structures has been strived for in the scope of this thesis study and there has been a further aim to provide guidance for future studies concerning the design and manufacture of machines for the production of these types of structures. Besides, this study has endeavoured to introduce and develop the centrifugal spinning process about which no noteworthy study has been undertaken in our country. It is expected that this method will be a serious alternative to the electrospinning technique, the most common method used in the technical textiles field, which has a low speed of production and involves high risk of electric shocks due to high levels of voltage. Additionally, with the centrifugal spinning process, there are no initial capital costs expenditure on energy in order to maintain constant hot air and for the establishment and optimisation of the system as in the case of the meltblowing method.
Nano- and microfibrous membranes are widely used in air – water filtration, biomedical and energy sectors; and investigated to enhance their functionalities. Electrospinning and meltblowing are prominent techniques to produce such structures. To produce randomly laid fibers, polymer melt/solution is attenuated under electrostatic forces in electrospinning whereas same is done under the guidance of air jets. As an innovative approach in this work centrifugal forces will be utilized to produce nano-, microfibrous membranes. As a result of this thesis study, it is aimed to achieve a membrane structure with a better organised internal structure and developed mechanical properties in comparison to the methods of electrospinning and meltblowing. So far there have been few academic and industrial studies to manufacture such systems however it was not possible to produce membranes of different configurations for composite applications. The total construction variables during electrospinning are viscoelastic inertia and coulombic forces, wherease aerodynamic forces are effective during meltblowing. In the end polymer jet is attenuated under a chaotic environment, which is repsonsible for the random alignment of the fibers. However since fibers are launched with through controlled direction, this might result in more uniform structures. Though very first patents were issued in late 1970s, large scale centrifugally spun nonwoven production have not been possible so far. After 2010s a few companies (Xanofiber and Forcespinning, ABD) were able to manufacture small scale systems around 1.1m width.
Centrifugal spinning mechanism is developed based on cotton candy machine working principle. Polymers are spun into fibers by applying high centrifugal force. Centrifugal spinning process introduce several appealing advantages such as the produced fibrous web shows high surface area to volume ratio (the diameter of the fibers varies from several micrometers. down to nano meters range), webs with higher degree of orientation and interconnected fibers offers good mechanical strength, high porous membrane, well interconnected pores, low cost effective process and less complicated [32]. Centrifugal spinning system, which includes nano- microfiber have high surface area, is expected to be an enlightening approach for several academic and industrial studies. Melt/solution viscosity, temperature, rotor speed and distance between rotor and collector are the important parameters that affects fiber and web properties during centrifugal spinning. By using such process parameters are planned to investigate the most efficient system to produce membrane structures. Additionally, rotational disc geometry and the number of disc holes will be important for fiber diameter. Thanks to the centrifugal forces, more oriented fiber and membrane structures could be produced. Then, membranes, which have high mechanical properties, could be gained.
In this study, first step was using grinder motor to try to get nano- microfiber by centrifugal force from polymer-based solution. Nano- microfibers were gained. That was a scouting trial for centrifugal spinning. Depending on this knowledge, a disc nozzle was designed for solution centrifugal method. The nozzle was fixed at a top of high speed rotor. At different rotation speeds, nanofiber properties such as morphology, physical and mechanical characteristics were invistagated. Rotating disc design parameters such as volume, hole dimension, mass balancing, and disc diameter were taken into consideration. At high rotational speed, security precautions were decided. The above processes were applied for melt-centrifugal spinning as well. Extruder was used to solve temperature problem and continous feeding problem at melt processes. Heat gun was used to heat the disc nozzle while high speed rotation to avoid solidification of polymer. Conveyor belt system was designed to collect nano- microfibers in a form of fibrous membrane or mat. Membranes samples were prepared mechanical and physical investigation. SEM(Scanning Electrone Microscopy) images was taken from these membranes. By the help of SEM images, morphological structure of membranes such fiber diameters, fiber diameter distribution, and fiber orientations were characterized. Average fiber diameters of membranes related to different rotation speed were compared.
Composite structures can be obtained using different polymer from either solution-based or melt-based polymer nano- microfibers. Multi layer nana-micro fiberous composites can be manufacturing using more than one rotating disc having different polymer. Nano-micro fibers membranes have been used as a reinforcement for unstaturated polyester resin. By using hand lay up technique, composite samples from nano-micro fibers have been manufactured. Modulus of elasticity (Young's modulus) for these samples was measured by using sound velocity sensor. Young's modulus for pure nano-microfibrous membrane was measured by DMA (Dynamic Mechanical Analysis) machine. Stress-strain curve at different frequancy has been obtained. From the standpoint of young's modulus values, mechanical properties was compared.
Nano-microfiber obtained from centrifugal force spinning were characterized, the results indicated that at high rotation speed (9000 rev / min) the fiber diameter has decreased. However, by incresing the speed to (12000 rev / min), fiber will not be formed due to very high drawing force. Mechanical properties of the elastic behavior of fiber in the longitudinal direction (modulus of elasticity) for the work done with a solution of 6000 rev / min at 0.82 MPa, 9000 rev / min at 1,189 MPa and 12000 rev / min in 0.72 MPa were found. In case of melt centrifugal spinning, measurements were taken at 3000 rev / min. Manufacturing design from melt needs further improvement. Elastic behaviour values in the transverse direction of fibers; at 6000 / min 1.507 GPa , at 9000 rev / min 1.492 GPa and at 12000 rev / min 1,668 GPa were found respectively. By incresing the rotation speed, elastic behaviour value decrased but by continuing to increase the speed, it was seen the elastic behaviour was increased.
Producing highly oriented nano-microfiber is on the big advantage of centrifugal spinning, which is reflected directly on the mechanical propries of the whole memberane. This will be a good way to develop new types of membrane structures. There were no study was found like placement of the fibers as are taken into account and used for obtaining smooth membrane. This type of fiber settlement is evident that particularly important in increasing the mechanical properties.
Combining both electrical force and centrifugal force in one system can result in the low viscosity solution usage and getting more stable fiber structure. Electro centrifugal method is an effective method for creating aligned nanofibers and fiber bundles. However, the industrial sense, is still untested. Centrifugal forces when applied to a solution, it appears a uniform stress distribution in all parts of the solution. This process is suitable for sufficient viscosity melt polymers. The optimum value of the distance between the metal cylinder and the collector must be found. The distance between the disc and collector is one of the most important parameters which affect the fiber morphology [52].
Hence it will be possible for us to develop new strategies to produce nano- microfibrous membrane. Manufacture of systems for such membranes will enhance power and competitiveness of Turkey's machinery sectors, whereas it will bring new opportunities for textiles and filtration sectors. Due to their comperatively higher strength, such composite structures would be used in various areas other than filtration, biomedical or energy sectors.