Elektro üfleme yöntemiyle üretilen poliviniliden florür (PVDF) nanoliflerin elektrostatik filtreleme özelliklerinin iyileştirilmesi
Improving electrostatic filtration performance of polyvinylidine fluoride (PVDF) nanofibers produced via electro blowing method
Yazar: MERVE NUR SAĞIRLI
Danışman: DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Elektrostatik = Electrostatic ; Hava filtresi = Air filter ; Poliviniller = Polyvinyls ; Üfleme yöntemi = Blow method

Özet:
Hava kirliliği, endüstrinin gelişmesiyle insan sağlığını tehdit eden bir unsur haline gelmiştir. Çeşitli boyutlardaki kirleticiler, gerek iç mekanda gerekse dış mekanda insanların solunum sistemine nüfuz ederek ölümcül sonuçlar doğurabilmektedir. Bu tehdidi ortadan kaldırmak amacıyla çeşitli hava filtreleme malzemeleri geliştirilmiştir. Geliştirilen malzemeler arasında, lifli matlar, kolay işlenebilirlikleri ve sahip oldukları gözenek özellikleri nedeniyle öncelikli tercih edilen malzemeler olmuştur. Lifli matlardaki lif çapının düşürülmesiyle, parçacıkların tutunması için daha yüksek yüzey alanı oluşturulmuş ve gözenekliliği kontrol edilebilen yapılar elde edilmiş olmaktadır. Ayrıca mat yüzeyindeki ve içerisindeki akış rejimi hesaba katıldığında, düşük çaplı liflerden meydana gelen malzemelerin oluşturduğu kayma akışı rejimi, filtre performansında pek çok açıdan avantajlı olarak yorumlanmıştır. 
Lifli hava filtrelerinde çeşitli parçacık yakalama mekanizmaları tanımlanmıştır. Bu mekanizmalar, parçacıkların hava akış rejimine göre hareketi esnasında bir akış düzensizliğine uğrayarak lif yüzeyine tutunmasını temel almaktadır. Parçacığın tutunması Brownian hareketi nedeniyle olduğunda Brownian difüzyonu, eylemsizlik nedeniyle olduğunda atalet çarpması ve kendi büyüklüğünden dolayı gözeneklerden geçemeyerek lif yüzeyine yakalanması nedeniyle olduğunda ise engelleme mekanizması olarak tanımlanmaktadır. Tanımlanan bu mekanizmalar, mekanik filtreleme olarak adlandırılmıştır. Gerek parçacığın gerek lifli yapının gerekse her ikisinin de elektriksel yüklendiği durumlarda elektrostatik yakalama mekanizması da bulunmaktadır. Bu mekanizmada, parçacıklar akış rejiminin etkisinden ziyade elektrostatik çekim nedeniyle lif yüzeyine tutunmaktadır.
Lif çaplarının 0 – 100 nm (bazı tanımlarda 0 – 1 μm) arasında olduğu matlar nanolifli matlar olarak tanımlanmıştır. Polimer çözeltilerinden nanoliflerin elde edilmesi için de çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler, çözelti yüzey geriliminin aşılarak bir lif çekim jeti oluşturmaya dayalı olarak tasarlanmıştır. Yüzey geriliminin aşılması için ise değişik yürütücü kuvvetler uygulanmış ve üretim yöntemi bu kuvvete göre isim almıştır. Yaygın kullanılan yöntemler arasında, yürütücü kuvvetin elektriksel alan kuvvetleri olduğu elektro-üretim, merkezkaç kuvvetlerden yararlanılan santrifüjlü üretim, basınçlı havanın kullanıldığı çözeltiden üfleme ve basınçlı hava ile elektriksel alan kuvvetlerinin eş zamanlı olarak uygulandığı elektro üfleme yöntemleri yer almaktadır.
Nanolifli matların filtre performansı, hem parçacık yakalama yüzdesi hem de malzemenin girişi ve çıkışı arasındaki basınç farkı ile ölçülmektedir. Bir filtrenin, parçacık yakalama yüzdesinin mümkün olduğunca fazla olması beklenirken basınç farkının da olabildiğince düşük olması beklenir. Basınç farkının yüksek olması, havalandırma sistemlerinde kullanılan filtrenin enerji tüketimini artırmasına neden olmaktadır. Yukarıda anlatılan mekanik filtreleme mekanizmalarında, performansı yükseltmek için atılan adımlar, basınç farkının da yükselmesine yol açarken elektrostatik mekanizma söz konusu olduğunda yüksek performans gösteren daha düşük basınç farkına sahip malzemeler elde edilebilmektedir. 
Elektrostatik mekanizmanın etkin olduğu filtrelere elektret filtre adı verilmektedir. Bu filtrelerde lifli matlara elektriksel yük kazandırılmaktadır. Bunun için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Söz konusu yöntemler, matın üretimi esnasında bir elektrik alan uygulamasına dayalı olabileceği gibi üretilmiş bir matın sonradan yüklenmesini de temel alabilmektedir. 
Bu tez çalışmasında, nanolifli elektret filtre üretimi hedeflenmiş ve matın üretimi esnasında ve üretim sonrasında uygulanan elektrostatik yüklemenin filtre performansına olan etkisi incelenmiştir. 
Bu tez çalışmasında, ham madde olarak gerek kimyasal gerekse fiziksel yapısından dolayı pek çok avantajlı özellikleri bulunan poliviniliden florür (PVDF) polimeri kullanılmıştır. Çözücü olarak dimetil formamid (DMF) ve aseton tercih edilmiştir. Üretim yöntemi ise çözeltiden üfleme ve elektro üfleme olarak belirlenmiştir.
Çözeltiden üfleme yöntemi ile nanolifli matın üretimi gerçekleştirilmiş ve ardından üretilen mat korona deşarj yöntemi ile elektriksel olarak yüklenmiştir. Aynı çözelti kullanılarak elektro üfleme yöntemiyle de nanolif üretimi gerçekleştirilmiş ve bu iki matın filtre performansı kıyaslanmıştır.
Çözeltiden üfleme ile elde edilen matın verimi %55, basınç farkı ise 43 Pa olmuştur. Korona uygulaması ile basınç farkı değişmezken filtre verimi %10'dan fazla artarak %68'e ulaşmıştır. Elektro üfleme ile elde edilen matta ise %97 verime ulaşılmıştır. Ancak bu yöntemde basınç farkı da yükselmiş ve 175 Pa olarak elde edilmiştir.
Matların sahip olduğu filtre performansının ne kadarının elektrostatik, ne kadarının mekanik etkiden kaynaklandığını gözlemlemek amacıyla izopropil alkol (İPA) ile nötrleme işlemi yapılmış ve nötr hali test edilmiştir. Ayrıca matların bu performansı muhafaza etme özelliklerinin değerlendirilmesi için belirli sürelerde tekrarlı ölçümler (gün 1, gün 3, gün 7, gün 17) gerçekleştirilmiştir. İPA uygulaması sonrasında, herhangi bir yükleme işlemi yapılmamış olan nanolifli matın filtre verimliliği ve basınç farkı sırasıyla %41 ve 43 Pa iken korona uygulanmış olan matta %45 verimlilik ve 45 Pa basınç farkı ölçülmüş, elektro üfleme ile elde edilen matta ise verimlilik %85, basınç farkı ise 160 Pa olarak kaydedilmiştir. Bu durumda, çözeltiden üfleme ile elde edilen matta, verimliliğin yaklaşık %10'unun elektrostatik yakalama mekanizmasından kaynaklı olabileceği yorumu yapılabilmektedir. Elektro üflemede de, elektrostatik yakalama mekanizması, filtre verimliliğinin yaklaşık %10'unu kapsamaktadır. Öte yandan, korona ile yüklenmiş olan matta, elektrostatik yüklemenin sağladığı verimlilik yaklaşık %20 olmuştur. Tekrarlı ölçümlerde ise 17 günün sonunda çözeltiden üfleme ile üretilmiş matın verimliliği %2, korona yüklemesi yapılmış olan matın verimliliği %8 ve elektro üfleme ile elde edilmiş matın verimliliği %15 azalmıştır. Böylece elektro üfleme ile üretilen matın verimliliğinin zamanla azalma hızının diğerlerine kıyasla daha yüksek olduğu sonucu çıkarılmaktadır.

Abstract:
With the development of industry, air pollution has become a threat to human health. Pollutants of various sizes can cause fatal results by penetrating the respiratory system of people both indoors and outdoors. To eliminate such hazardous results, various air filtration materials have been developed. Among developed materials, fibrous structures have been preferred primarily due to their ease of processing and porous properties. By reducing the fiber diameter in fibrous structures, higher surface area is created for particle capture and structures with controllable porosity are obtained. In addition, when the flow regime on the surface and inside the structure is taken into account, the slip flow regime created by small diameter materials has been interpreted as advantageous in many aspects in filter performance.
Various particle capture mechanisms have been described in fibrous air filters. These mechanisms are based on the adhesion of the particles to the fiber surface by undergoing a flow irregularity during their movement according to the air flow regime. When the particle is captured due to its Brownian motion, the mechanism is called Brownian diffusion, when it is due to inertial movement of particle, the mechanism is named as inertial impact, and when it is clinged on the fiber surface by not being able to pass through the pores due to its own size, the mechanisms is called interception. The described mechanisms are mentioned as mechanical filtration. There is also an electrostatic capture mechanism in cases where the particle, the fibrous structure or both are electrically charged. In this mechanism, the particles are captured onto the fiber surface due to electrostatic attraction rather than the effect of the flow regime.
Fibrous structures having fiber diameters between 0 – 100 nm (some also defines it between 0 – 1 μm) are defined as nanofibrous mats. Various methods have been developed to obtain nanofibers from polymer solutions. These methods are based on overcoming the solution surface tension and viscosity, and creating a fiber drawing jet. In order to overcome the surface tension, different driving forces were applied and the production method was named accordingly. Commonly used methods include "electrospinning" in which the driving force is electrostatic forces, "centrifugal spinning" using centrifugal forces, "solution blowing" using compressed air, and "electroblowing" in which compressed air and electrical forces are applied simultaneously.
The filtration performance of nanofibrous structures is related to both particle capture efficiency and the pressure drop between the inlet and outlet of the media. The particle capture efficiency of a filter material is expected to be as high as possible, while the pressure drop is expected to be as low as possible. Because the high pressure drop causes increase in energy comsumption of ventilation systems. In the above-described mechanical filtration mechanisms, the steps taken to increase the performance lead to an increase in the pressure drop, while in the case of the electrostatic mechanism, high performance materials with lower pressure drop can be obtained.
Filters in which the electrostatic capture mechanism is active are called electret filters. Various methods have been developed to produce electret filters. These methods can be based on the application of an electric field during the production of the filter, or it can also be based on the subsequent loading of a manufactured material.
In this thesis, electrostatically charged during and after production of the filter media and performance was investigated.
Polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as raw material due to its superior chemical and physical properties. Dimethyl formamide (DMF) and acetone were preferred as solvents. The production method was determined as solution blowing and electroblowing.
Nanofiber production was carried out by solution blowing method and then the produced nanofibrous structure was electrically charged by corona discharge method. Using the same solution, nanofiber production was also carried out by electroblowing method and the filter performance of these two structures was compared.
The filtration efficiency of the fibers obtained by solution blowing was only 55% and the pressure drop was 43 Pa. With the corona application, while the pressure drop remains constant, the filter efficiency increased by about 10% and reached 68%. In the nanofiber webs obtained by electroblowing, 97% efficiency was achieved. However, in this method, the pressure drop also increased and it was obtained as 175 Pa.
In order to evaluate whether the filter performance comes from electrostatic or mechanical filtration mechanisms, neutralization using isopropyl alcohol (IPA) was applied. Additionally, to observe stability of efficiency, stocking conditions measurements (day 1, day 3, day 7, day 17) were carried out. After the IPA treatment, the efficiency and pressure drop of the fibers without any loading process were recorded as 41% and 43 Pa, for the corona applied fibers as 45% and 45 Pa, and for the fibers obtained by electroblowing 85% and 160 Pa. In this case, it is observed that the solution blown mats have approximately 10% efficiency coming from electrostatic capture mechanism. Electro blown mats also showed 10% efficiency from electrostatic capture. On the other hand, the electrostatic capture mechanism in the corona charged mats had 20% efficiency. In periodic measurements, at the end of 17 days, the efficiency of nanofiber webs produced by solution blowing decreased by 2%, the efficiency of corona treated fibers by 8%, and the efficiency of nanofiber webs obtained by electroblowing decreased by 15%. The decreasing rate of filter efficiency in the electro blown mats is seen as higher compared to other samples.