Relationship Between Solution Concentration and Nanofiber Diameter

Year 2023, , 775 - 786, 18.10.2023

Gonca Şimşek Gündüz

https://doi.org/10.21605/cukurovaumfd.1377749

Abstract

The morphology of fibers produced by the electrospinning method from solutions at different concentrations using two different polymers was investigated. PAN polymer was dissolved in DMF solution at 9%, 12%, 15% and 18% concentrations. PVA polymer was dissolved in water and solutions were prepared at 12%, 14%, 16% concentrations. Nano fiber production was not realized with an 18% PAN solution. Nanofiber production was carried out with both polymers at other concentrations. Decrease in bead formation was observed as the concentration value increased. The diameters of the nanofibers were measured with SEM. The SPSS program was used for analyses. Unlike previous studies, in this study, the appearance of PAN nanofibers on the black paper surface was examined. While fiber diameters increased when the concentration increased from 9% to 12% in PAN solution, it was observed that the increase when the concentration increased from 12% to 15% was not statistically significant. It was observed that the fiber diameters increased statistically as the concentration in the PVA solution increased. When the appearance of PAN nanofiber mesh layers on the paper surface was compared, it was observed that the solution concentration affected morphological properties such as fiber arrangement and interfiber spacing.

Keywords

Electrospinning, Concentration, Morphology, PAN, PVA

Çözelti Konsantrasyonu ile Nanolif Çapı Arasındaki İlişki

Abstract

İki farklı polimer kullanılarak değişik konsantrasyonlarda çözeltilerden elektrolif çekim yöntemi ile üretilen liflerin morfolojisi incelenmiştir. Bu amaçla poliakrilonitril (PAN) polimeri, dimetilformamid (DMF) çözeltisinde %9, %12, %15 ve %18 konsantrasyonlarda olacak şekilde çözülmüştür. Polivinilalkol (PVA) polimeri suda çözülerek %12, %14, %16 konsantrasyonlarda çözeltiler hazırlanmıştır. %18 PAN çözeltisi ile nano lif üretimi gerçekleşmemiştir. Diğer konsantrasyonlarda her iki polimerle nanolif üretimi gerçekleştirilmiştir. Konsantrasyon değeri arttıkça boncuk oluşumunda azalma gözlenmiştir. Nanoliflerin çapları taramalı elektron mikroskobuyla (SEM) ölçülmüştür. Analizler için SPSS programı kullanılmıştır. Daha önceki çalışmalardan farklı olarak bu çalışmada PAN nanoliflerinin siyah kâğıt yüzeyindeki görünümleri incelenmiştir. PAN çözeltisinde konsantrasyon %9 değerinden %12’ye yükseldiğinde lif çapları artarken, konsantrasyon %12’den %15’e yükseldiğinde meydana gelen artışın istatistiki olarak anlamlı olmadığı görülmüştür. PVA çözeltisinde konsantrasyon arttıkça lif çaplarının istatistiksel olarak arttığı görülmüştür. PAN nanolif ağ tabakalarının kâğıt yüzeyindeki görünümleri karşılaştırıldığında çözelti konsantrasyonunun lif dizilimi ve lifler arası boşluk gibi morfolojik özelikleri etkilediği gözlenmiştir.

Keywords

Elektrolif çekimi, Konsantrasyon, Morfoloji, PAN, PVA

References

• 1. Kozanoğlu, G.,S., 2006. Elektrospinning Yöntemiyle Nanolif Üretim Teknolojisi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 148.
• 2. Salem, D.R., 2001. In Structure Formation in Polymeric Fibers: Chapter:6, Electrospinning and Formation of Nanofibers, Hanser Gardner Publications, Carl Hanser Verlag, 580.
• 3. Formhals, A., 1934. Process and Apparatus for Preparing Artficial Threads, US Patent, No.1, 975, 504.
• 4. Nataraj, S.K., Yang, K.S., Aminabhavi, T.M., 2012. Polyacrylonitrile-Based Nanofibers-A State-of the Art Review, Progress in Polymer Science, 37, 487-513.
• 5. Üstün, A., 2011. Hava Filtrasyonu İçin Nanolif Üretimi. Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekstil Mühendisliği Anabilim Dalı, Denizli, 69.
• 6. Kirecci, A., Özkoç, Ü., İçoğlu, H.İ., 2012. Determination of Optimal Production Parameters for Polyacrylonitrile Nanofibers, Journal of Applied Polymer Science, 124(6), 4961-4968.
• 7. Can, N., Ersoy, M., 2014. Nanolif Yapılı Polimerik Doku İskeleleri. Tekstil ve Mühendis, 21, 38-50.
• 8. Emül, E., 2016. Elektrospin Tekniği ile nHAp/Jelatin/Antikanserojen İçeren Nanofibril Üretimi, Karakterizasyonu ve Hücre Uyumunun Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Nanoteknoloji ve Nanotıp Anabilim Dalı, Ankara, 82.
• 9. Çakmen, A.B., 2019. Allantoin İçeren Antibakteriyel Özellikte Poliüretan/Polikaprolakton Temelli Yara Örtü Malzemelerinin Elektrospinning Yöntemi ile Hazırlanması ve Uygulanması. Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Anabilim Dalı, Malatya, 123.
• 10. Süslü, A., 2009. Elektro-Eğirme Yöntemi ile Nanofiber ve Nanotüp Üretimi. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 93.
• 11. İkiz, Y., 2009. Elektro Çekim Yöntemi İşlem Parametrelerinin PVA Nanolif Morfolojisine Etkileri. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15(3), 363-369.
• 12. Schueren, L., Kalaoğlu, Ö., Clerck, K., 2011. An Alternative Solvent System Fort He Steady State Electrospinning of Polycaprolactone. European Polymer Journal, 47(6), 1256-1263.
• 13. Yener, F., Jırsak, O., Yalçınkaya, B., 2011. Materyal Parametrelerinin Lif Çekim Yöntemiyle Oluşturulan Polivinil Butiral Nano Lifleri Üzerindeki Etkisi. Tekstil Teknolojileri Dergisi, 5(2), 26-34.
• 14. Beypazar, Ö., 2013. Nanolif Üretiminde Çap Kontrolü. Yüksek Lisans Tezi, Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekirdağ, 101.
• 15. Dehghan, S.F., Golbabbei, F., Maddah, B., Yarahmadi, R., Zadeh, A.S., 2015. Experimental Investigations on Electrospun Mat Production: For use in High-Performance Air Filters. International Journal of Occupational Hygiene, 7(3), 110-118.
• 16. Doustgani, A., 2016. Optimization of Mechanical and Structural Properties of PVA Nanofibers. Journal of Industrial Textiles, 46(3), 901-913.
• 17. Karayeğen, G., 2016. Elektrik Eğirme Yöntemini Kullanarak Nanofiberlerin Elektrik Alan ile Yönlendirme Olasılığının Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Başkent Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Anabilim Dalı, Ankara, 85.
• 18. Miri, M.A., Movaffagh, J., Najafi, M.B.H., Najafi, M.N., Ghorani, B., Koocheki, A., 2016. Optimization of Electrospinning Process of Zein using Central Composite Design. Fibers and Polymers, 17(5), 769-777.
• 19. Pham, Q.P., Sharma, U., Mıkos, A.G., 2006. Electrospinning of Polymeric Nanofibers for Tissue Engineering Applications: A Review. Tissue Eng, 12(5), 1197-211.
• 20. Li, Z., Wang, C., 2013. One-Dimensional Nanostructures, Effects of Working Parameters on Electrospinning.
• 21. Munir, M., Suryamas, A., Iskandar, F, Okuyama, K., 2009. Scaling Law on Particle to Fiber Formation During Electrospinning. Polymer, 50(20), 4935.
• 22. Deitzel, J.M., Kleinmeyer, J., Haris, D., 2001. The Effect of Processing Variables on the Morphology of Electrospun Nanofibers and Textiles. Polymer, 42(1), 261-272.
• 23. Supaphol, P., Mit-Uppatham, C., Nithitanakul, M., 2005. Ultrafine Electrospun Polyamide-6 Fibers: Effect of Emitting Electrode Polarity on Morphology and Average Fiber Diameter. Journal of Polymer Science Part B-Polymer Physics, 43(24), 3699-3712.
• 24. Liu, J., Kumar, S., 2005. Microscopic Polymer Cups by Electrospinning. Polymer, 46, 3211-3214.
• 25. Chun, I., 1995. Fine Fibers Spun by Electrospinning Process from Polymer Solutions and Polymer Melts in Air and Vacuum: Characterization of Structure and Morphology on Electrospun Fibers and Developing A New Process Model. PhD Thesis, University of Akron, Department of Polymer Science and Polymer Engineering, Akron, 119.
• 26. Lee, K.H., Kim, H.Y., Bang, H.J., Jung, Y.H., Lee, S.G., 2003. The Change of Bead Morphology Formed on Electrospun Polystyrene Fibers. Polymer, 44, 4029-4034.
• 27. Khanlou, H.M., Ang, B.C., Talebian, S., Barzani, M.M., Silakhori, M., Fauzi, H., 2015. Multi-Response Analysis in The Processing of Poly (Methyl Methacrylate) Nano-Fibres Membrane by Electrospinning Based on Response Surface Methodology: Fibre Diameter and Bead Formation. Measurement, 65, 193-206.
• 28. Habeeb, S.A., Abdulkadhim, M.K., 2021. Impact of Polymeric Solutions Parameters on Morphological Properties of Composite Nanofibers. Journal of University of Babylon for Engineering Sciences, 29(2), 115-120.
• 29. Gu, S.Y., Ren, J., Vancso, G.J., 2005. Process Optimization and Empirical Modeling for Electrospun Polyacrylonitrile (PAN) Nanofiber Precursor of Carbon Nanofibers. European Polymer Journal, 41, 2559-2568.
• 30. Saligheh, O., Khajavi, R., Yazdanshenas, M.E., Rashidi, A., 2015. Fabrication and Optimization of Poly(Vinyl Alcohol)/Zirconium Acetate Electrospun Nanofibers Using Taguchi Experimental Design. Journal of Macromolecular Science Part B, 54(11), 1391-1403.
• 31. Çavdar, F.Y., 2020. Elektrospinning Cihazının İşlem Parametrelerinin Optimizasyonu ve Aradaki İlişkilerin Deneysel Modellenmesi. Doktora Tezi, Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa, 187.
• 32. Wei, L., Sun, R., Liu, C., Xiong, J., Qin, X., 2019. Mass Production of Nanofibers from Needleless Electrospinning by A Novel Annular Spinneret. Materials and Design 179, 107885.
• 33. Wei, L., Liu, C., Mao, X., Dong, J., Fan, W., Zhi, C., Qin, X., Sun, R., 2019. Multiple-Jet Needleless Electrospinning Approach via a Linear Flume Spinneret. Polymers, 11(12), 2052.
• 34. Khamforoush, M., Agha Moalapour, R., 2016. Optimization of Rotating Jet Electrospinning Process Using Response Surface Methodology. Iranian Polymer Journal, 25, 875-886.
• 35. Thirugnanasambandham, K., Sivakumar, V., 2016. Preparation of Chitosan Based Nanofibers: Optimization and Modelling. International Journal of Chemical Reactor Engineering, 14(1), 283-288.
• 36. Yeoh, S.J., 2009. Electrospun Cellulose Ultra-Fine Fibers from Kraft Pulp. Yüksek Lisans Tezi, University of British Columbia, The Faculty of Graduate Studies, Materials Engineering, Vancouver, 125.
• 37. Dehghan, S.F., Golbabbei, F., Maddah, B., Latifi, M., Pezeshk, H., Hasanzadeh, M., Akbar-Khanzadeh, F., 2016. Optimization of Electrospinning Parameters for Polyacrylonitrile-Mgo Nanofibers Applied in Air Filtration. Journal of the Air & Waste Management Association, 66(9), 912-921.
• 38. Zhu, G., Zhao, L.Y., Zhu, L.T., Deng, X.Y, Chen, W.L., 2017. Effect of Experimental Parameters on Nanofiber Diameter from Electrospinning with Wire Electrodes. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 230, 012043.
• 39. Jian, S., Zhu, J., Jiang, S., Chen, S., Fang, H., Song, Y., Duan, G., Zhange, Y., Hou, H., 2018. Nanofibers with Diameter Below One Nanometer from Electrospinning. RSC Adv., 8, 4794-4802.
• 40. Koski, A., Yim, K., Shivkumar, S., 2004. Effect of Molecular Weight on Fibrous PVA Produced by Electrospinning. Mater, Lett., 58(3-4), 493-497.
• 41. Pant, H.R., Nam, K.T., Oh, H.J., Panthi, G., Kim, H.D., Kim, B., Kim, H.Y., 2011. Effect of Polymer Molecular Weight on the Fiber Morphology of Electrospun Mats. Journal of Colloid and Interface Science, 364(1), 107-111.
• 42. Zhang, Y., Zhang, X., Yang, L., Zhang, Q., Fitzgerald, M.L., Ueda, A., Chen, Y., Mu, R., Li, D., Bellan, L.M., 2018. Thermal Transport in Electrospun Vinyl Polymer Nanofibers: Effects of Molecular Weight and Side Groups. Soft Matter., 14, 9534-9541.