plastik-ambalaj.com

Nanofiber membranların üretim yöntemleri ve uygulama alanları

Özet

Günümüzde, nanoteknolojinin gelişmesi ile nano boyuttaki malzemelerin pek çok eşsiz özellikleri açığa çıkmıştır. Nanofiberler gösterdikleri üstün özellikleriyle endüstriyel, tıbbi ve askeri amaçlı birçok üründe geniş bir kullanım ve/veya uygulama alanı bulmaktadır. Bu malzemenin üretimi için Elektro-püskürtme (Electrospinning) tekniği, en yaygın olarak bilinen ve kolay uygulanabilen bir yöntemdir. Bu yöntem ile sıvı haldeki çeşitli polimerlerden (PVA, PÜ, PA v.b.) ultra ince (10-100 nm) nanofiberler membranlar üretilmektedir. Bu teknik yazıda, nanofiber membranların üretim yöntemleri ve uygulama alanları ile ilgili genel bir inceleme sunulmuştur.

Giriş

Nanofiberler hafif, oldukça gözenekli ve geniş yüzey alanına sahip, işlevsellik ve mekanik dayanımı yüksek olan yeni nesil malzemelerdir. Nanofiber membranlar; filtrasyon, doku mühendisliği, sensör yapımı, koruyucu maske ve kıyafet yapımı, ilaç salınımı, katalizör desteği, yara kapatıcı, polimerik piller ve kompozit destekleyicisi olarak birçok alanda uygulama bulmaktadır [1]. Tarihsel gelişimine göre nanofiber membranlar çekme, kalıp sentez, faz ayrımı işlemi, kendiliğinden birleşme ve elektro-püskürtme yöntemleriyle üretilmektedirler.

Nanofiber Üretim Yöntemleri

Çekme (Drawing)

Çekme yöntemiyle uzun ve tek nanofiberler elde edilebilir. İşlemde bir mikro manipülatör yardımıyla bir mikro pipet çözeltinin yüzey ile temas ettiği çizgiye daldırılır ve mikropipet sıvıdan belirli bir hızla çekilir [2]. Bu metotta çözücünün buharlaşmasıyla viskozite artışı olur ve bunun sonucu olarak fiberlerin parçalanması gerçekleşir. Bu nedenle viskoelastik çözeltilere ihtiyaç duyulur ki yapışma (kohesif) kuvvetler parçalanmayı önlesin. Bu yöntemin en büyük dezavantajları şu şekildedir:

 Bu yöntemle membran üretimi çok zordur,

 Fiberlerin çapları 100 nm den büyüktür,

 Ayrıca üretilen nanofiberlerin çapları da kontrol edilemez, 

 Süreksiz bir işlem olması açısından pratik olarak uygulama alanı yoktur.

Kalıp Sentez yöntemi (Template Synthesis)

Kalıp sentez yönteminde nanofiberler, nano gözenekli zarların gözeneklerinden geçirilen çeşitli özel malzemelerle elde edilirler. Membranlar 5–50 mm kalınlığında olup, silindirik gözeneklere sahiptir. Her bir gözenek, istenen nano yapının sentezlendiği beherler olarak görülebilir. Burada polimer çözeltisinin membrandan geçişi su basıncıyla gerçekleştirilir. Katılaştırıcı sıvı ile polimer karşılaşır karşılaşmaz, fiber oluşur. Fiber çapları, birkaç nanometre ile 100 nanometre arasındadır [3].

Faz ayrımı

Yöntemin temeli homojen polimer çözeltisinin, polimerce zengin ve polimerce fakir iki ayrı fazın termodinamik olarak ayrışmasına dayanır [4]. Yöntem zaman alıcı ve karmaşıktır. Kullanılan polimer tipi, çözücü, konsantrasyon, faz ayrım sıcaklığı, soğutma ve ısıtma basamakları önemli parametrelerdir. Fiber çapının kontrol edilmesi hem çok zordur hem de yöntem sadece bazı polimerler ile sınırlıdır.

Kendiliğinden birleşme (Self Assembly)

Bu yöntemde, atom ya da moleküller kendiliğinden zayıf ve non-kovalent etkileşimlerle (H-bağı, hidrofobik kuvvetler, vb.) belirli yapılara düzenlenirler. Yöntem karmaşık, uzun ve düşük üretim gücüne sahiptir [5].

Elektro-püskürtme yöntemi (Electrospinning)

Diğer yöntemlere kıyasla, Elektro-püskürtme çeşitli polimerlerden sürekli olarak nanofiber seri üretim için geliştirilebilir tek yöntem olarak görünmektedir. Elektro-püskürtme yöntemi, basit olarak 3 kısımdan oluşmaktadır: yüksek voltaj güç kaynağı, kapilar bir tüp veya küçük çaplı şırınga ve topraklanmış metal bir toplayıcı. Düzeneğe ait şematik görüntü ve elde edilen nanofiberin SEM görüntüsü Şekil-1’de verilmiştir.

Elektro-püskürtme işleminde bir şırıngaya takılı iğnenin ucunda ya da kapilerin ucunda asılı olan polimer çözelti damlasına elektrik akımı uygulanır. Elektrot ya polimer çözeltisinin içine daldırılır ya da kapilerin ucuna bağlanır. Uygulanan elektrik alan, damlayı, Taylor konisi şekline girmeye zorlar. Artan elektrik alanın gücüyle damla yüzeyindeki yük artar ve elektrostatik kuvvetin yüzey gerilimini yendiği kritik bir noktaya ulaşır. Böylece damla daha küçük damlacıklara ayrışır. Belirli bir voltaj değeri aşıldığında elektriksel kuvvet baskın hale gelir ve koninin ucundan yüklü polimer jeti fışkırır. Jet toplayıcıya doğru hareket ederken jete etki eden elektrostatik etkileşimler ile uzar, bu sırada çözücü buharlaşır ve katılaşan polimerden uzamasıyla elde edilen fiberler toplayıcı üzerinde oluşur [6].

Şimdiye kadar, literatürde elliden fazla farklı polimerler başarıyla 3 nm ile 1 µm arasında değişen çaplarda ultra ince lifler halinde elektroeğrilmiş olduğu belirtilmiştir. Çözünebilen birçok polimer elektro-eğrilebilir. Burada önemli olan uygun çözücüyü seçmektir. Çözücünün buharlaşması ve çözünürlüğü, fiber morfolojisini etkiler. Ayrıca fiber oluşumuna etki eden önemli diğer bir parametre ise polimerin molekül ağırlığı ve zincir yumaklanmasıdır. Düşük moleküler ağırlık boncuk oluşumuna yol açarken, molekül ağırlığı artışı ile boncuk oluşumu azalır ve fiber oluşur. Başarılı bir şekilde süper ince fiberler halinde elektro-eğilmiş bazı polimerlerin özeti Tablo 1’de listelenmiştir. Ayrıca kullanılan çözücüler ve önerilen uygulamaları tabloda verilmiştir.

3. Elektro-püskürtme yönteminin uygulama alanları

Son yıllarda elektro-eğrilmiş polimer nanofiberlerin kullanım alanları giderek artmaktadır. Uygulama alanları arasında filtrasyon sistemleri ve özellikle doku nakli gibi tıbbi protezler en yaygın olanlarıdır. Hedeflenen diğer uygulamalar doku şablonu, elektromanyetik koruyucu, kompozit delaminasyon direnci ve sıvı kristal cihazını içerir. Genişletilmiş olarak uygulama alanları Şekil-2 ve 3’te verilmiştir [6]. 

Bu uygulamaların çoğu endüstri seviyesine ulaşamamış, sadece bir laboratuar araştırma ve geliştirme aşamasındadır. Ancak, umut verici potansiyel ile tüm dünyada akademik ve sanayi yatırımlarının dikkatini çekeceğine inanılıyor.

Kaynaklar

[1] Li D, Xia Y. “Electrospinning of nanofibers: reinventing the whell”, Adv. Mater. 16 (2004) 1151–1170.

[2] Ondarcuhu T, Joachim C. “Drawing a single nanofibre over hundreds of microns”, Europhys Lett. 42 (1998) 215–20.

[3] Feng L, Li S, Li H, Zhai J, Song Y, Jiang L. “Super-Hydrophobic Surface of Aligned Polyacrylonitrile Nanofibers”, Angew. Chem. Int. Ed. 41 (2002) 1221–1223.

[4] Ma PX, Zhang R. “Synthetic nano-scale fibrous extracellular matrix”. J Biomed Mat Res 46 (1999) 60–72.

[5] Liu GJ, Ding JF, Qiao LJ, Guo A, Dymov BP, Gleeson JT. “Polystyrene-block-poly (2-cinnamoylethyl methacrylate) nanofibers-Preparation, characterization, and liquid crystalline properties”. Chem-A European J. 5 (1999) 2740–2749.

[6] Çakmakçı E. “Elektrospinning Yöntemiyle Yeni Polimerik Malzemelerin Sentezi ve Karakterizasyonu” , Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi, İstanbul, 2009.

Uzman Bihter ZEYTUNCU

İstanbul Teknik Üniversitesi, Malzeme Bilimleri UYG-AR Merkezi