Production and Thermal Characterization of Nanofiber Textile Surfaces from Boric Acid Doped Polyacrylonitrile-co-Vinyl Acetate Polymer by Electrospinning Method

Abstract

In this study, it was aimed to investigate the effect of boric acid additive of thermal properties on nanofiber textile surfaces produced by doping different amounts of boric acid into polyacrylonitrile-co-vinyl acetate (P(AN-VAc)). For this purpose, nanofiber textile surfaces were produced from the boric acid doped and undoped P(AN-VAc) solutions prepared with a 10 % concentration in dimethylformamide by electrospinning method. Some analyzes and tests were carried out to determine the structural, morphological, physical, mechanical and thermal properties of the boric acid doped and undoped nanofiber textile surfaces produced. The presence of boric acid was detected on boric acid doped nanofiber surfaces produced as a result of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analyses. The morphological properties of the produced surfaces were investigated by scanning electron microscopy (SEM) and it was observed that uniform nanofiber structure was formed in all samples. As a result of tensile strength tests, it was determined that the boric acid additive reduces values of tensile strength and elongation of nanofiber surfaces. The thermal properties of all the produced nanofiber textile surfaces were examined by differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA) and vertical flammability tests. As a result of the thermal analyses and tests, it was determined that the boric acid additives improve the thermal properties of the P(AN-VAc) nanofiber textile surfaces and the thermal resistances of them increases with the increase of the boric acid additive.

Keywords

• Boric acid
• polyacrylonitrile
• electrospinning
• nanofiber
• thermal characterization

Project Number

2017/1-38YLS

Borik Asit Katkılı Poliakrilonitril-ko-Vinil Asetat Polimerinden Elektroçekim Yöntemiyle Nanolifli Tekstil Yüzeylerinin Üretimi ve Termal Karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, poliakrilonitril-ko-vinil asetat (P(AN-VAc)) içerisine farklı oranlarda borik asit katkılanarak nanolifli tekstil yüzeyleri üretilmiş ve borik asit katkısının nanolifli tekstil yüzeylerin termal özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Nanolif yüzeylerin üretimi için öncelikle farklı oranlarda borik asit katkılı ve katkısız P(AN-VAc) polimerleri dimetilformamid (DMF) içerisinde çözülerek %10 çözelti konsantrasyonunda elektroçekim çözeltileri hazırlanmış ve daha sonra bu çözeltilerden elektroçekim yöntemiyle nanolif tekstil yüzeyleri üretilmiştir. Üretilen nanolif tekstil yüzeylerinin yapısal, morfolojik, fiziksel, mekanik ve termal özelliklerini belirlemek amacıyla bazı analiz ve testler yapılmıştır. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve enerji dağılımlı x-ışınları spektroskopisi (EDX) analizleri sonucunda üretilen borik asit katkılı nanolif yüzeylerde borik asit varlığı tespit edilmiştir. Nanolif yüzeylerin tarama elektron mikroskobu (SEM) ile morfolojik özellikleri incelenmiş ve tüm numunelerde düzgün nanolif yapısının oluştuğu gözlemlenmiştir. Kopma mukavemeti testleri sonucunda borik asit katkısının nanolif yüzeylerin mukavemeti ve kopma uzaması değerlerini düşürdüğü tespit edilmiştir. Üretilen nanolif tekstil yüzeylerin termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), termogravimetrik analiz (TGA) ve dikey yanmazlık testleri ile incelenmiştir. Yapılan termal analiz ve testler sonucunda borik asit katkısının P(AN-VAc) nanolifli tekstil yüzeylerinin termal özelliklerini iyileştirdiği ve borik asit katkısının artmasıyla numunelerin termal dayanımının da arttığı tespit edilmiştir.

Keywords

• Borik asit
• poliakrilonitril
• elektroçekim
• nanolif
• termal karakterizasyon

Supporting Institution

Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

Project Number

2017/1-38YLS

Thanks

Bu çalışma, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından “2017/1-38YLS” kodlu proje ile desteklenmiştir. Destekleri için Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi'ne teşekkür ederiz.

References

1. Akgül Ö, 2010. Farklı bor bileşiklerinden çinko borat üretimi. Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
2. Altuntaş E, Karaoğul E, Alma MH, 2017. Odun-plastik kompozitlerin termal ve yanma özellikleri üzerine borlu bileşiklerin etkisi. Türkiye Ormancılık Dergisi, 18 (3): 247-250.
3. BISFA, 2000. Terminology of ManMade Fibres. The International Bureau for the Standardisation of Man-Made Fibres, 2000 Edition (replaces the 1994 edition), 84s, Brussels-Belgium.
4. Bozdoğan F, Karacan İ, Kitagawa T, 2000. Characterization of structure and properties of polyacrylonitrile-based acrylic fibers. Journal of Materials Science and Technology, 8 (3): 119-142.
5. Bozdoğan F, Karacan İ, Tiyek İ, 2004. Characterisation of Structure and Properties of a Selection of Polyacrylonitrile (PAN)– Based Acrylic Fibers Produced in Turkey. E.Ü. Tekstil ve Konfeksiyon Araştırma – Uygulama Merkezi Yayınları No: 19, ISBN: 975-483-636-1, 79 s, İzmir-Türkiye.
6. Büyüksırıt T, Kuleaşan H, 2014. Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi ve gıda analizlerinde kullanımı. Gıda Teknolojisi Dergisi, 39 (4): 235-241.
7. Casper ME, Fitzsimmons JS, Stone JJ, Meza AO, Huang Y, Ruesink TJ, O’Driscoll SW, Reinholz GG, 2010. Tissue engineering of cartilage using poly-ε-caprolactone nanofiber scaffolds seeded in vivo with periosteal cells. Osteoarthritis Cartilage, 18 (7): 981-991, https://doi.org/10.1016/j.joca.2010.04.009.
8. Çetiner S, 2011. Polipirol-poli (akrilonitril-ko-vinil asetat) kompozit ince film ve nanolif oluşumu ve karakterizasyonu, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi (Basılmış).

9. Civelekoğlu H, Tolun R, Bulutçu AN, 1987. İnorganik Teknolojiler 1. İ.T.Ü. Maden Fakültesi Ofset Atölyesi, 307 s, İstanbul-Türkiye.
10. Doba Kadem F, Gülşen G, 2014. Polyester esaslı kumaşlara boya banyosuna ilave edilen borlu kimyasallarla güç tutuşurluk özelliği kazandırılması üzerine bir araştırma. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 29 (1): 165-171.
11. DPT, 1995. Yedinci Beş Yıllık Kalkınma Planı Madencilik ÖİK Endüstriyel Hammaddeler Alt Komisyonu Kimya Sanayii Hammaddeleri Çalışma Grubu Raporu, Ankara-Türkiye.
12. Düzyer Ş, 2009. Nanoliflerin yüzey özelliklerinin incelenmesi. Uludağ Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
13. Esenceli N, 2014. Bor bileşikleri katkılı poliakrilonitril liflerinin üretimi ve termal özelliklerinin belirlenmesi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
14. Farsani RE, Raissi S, Shokuhfar A, Sedghi A, 2009 FTIR study of stabilized pan fibers for fabrication of carbon fibers. World Academy of Science, Engineering and Technology, 50: 430-433.
15. Frushour BG, Knorr RS, 1985. Acrylic Fibers. In M Lewin, EM Pearce (Eds.), Fiber Chemistry (pp. 171-370), Vol. 4, Marcel Dekker Inc., New York-USA.
16. Frushour BG, 1995. Acrylic Polymer Characterization in the Solid State and in Solution. In J. C. Masson (Ed.), Acrylic Fiber Technology and Applications (pp. 197-257). Marcel Dekker Inc., New York-USA.
17. Gallo E, Fan Z, Schartel B, Greiner A, 2011. Electrospun nanofiber mats coating—new route to flame retardancy. Polymers for Advanced Technologies, 22 (7): 1205-1210, https://doi.org/10.1002/pat.1994.
18. Golmohammadi Rostami S, Sorayani Bafqi MS, Bagherzadeh R, Latifi M, Gorji M, 2015. Multi-layer electrospun nanofiber mats with chemical agent sensor function. Journal of Industrial Textiles, 45: 467-480, https://doi.org/10.1177/1528083715601507.
19. Jabur AR, Abbas LK, Moosa SA, 2016. Fabrication of electrospun chitosan/nylon 6 nanofibrous membrane toward metal ions removal and antibacterial effect. Advances in Materials Science and Engineering, 2016: 1-10, https://doi.org/10.1155/2016/5810216.
20. Kabasakal FM, 2011. Hammaddeleri Farklı Tekstil Malzemelerine Güç Tutuşurluk Özelliğinin Kazandırılmasında Yeni Uygulamalar. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
21. Küçük A, Evcin, A, 2014. Elektroeğirme yöntemiyle borik asit katkılı hidroksiapatit nanoliflerin üretimi ve karakterizasyonu. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 14: 319-324.
22. Kozanoğlu GS, 2006. Elektrospining yöntemi ile nanolif üretim teknolojisi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
23. Linh NTB, Min YK, Song HY, Lee BT, 2010. Fabrication of polyvinyl alcohol/gelatin nanofiber composites and evaluation of their material properties. Journal of Biomedical Materials Research-Part B Applied Biomaterials, 95B: 184-191, https://doi.org/10.1002/jbm.b.31701.
24. Lomakin SM, Zaikov GE, 1999. Ecological Aspects of Polymer Flame Retardancy. VSP International Publication, Utrectht-USA.
25. Sarı M, 2008. Değişik minerallerin borik asit çözeltilerinde çözünme kinetiği. İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi (Basılmış).
26. Seventekin N, 2001. Kimyasal lifler. E.Ü. Tekstil ve Konfeksiyon Araştırma – Uygulama Merkezi Yayınları, 135 s., İzmir-Türkiye.
27. Tiyek İ, 2006. Akrilik lif üretiminde koagülasyon banyosu parametrelerinin lif fiziksel özelliklerine etkisi üzerine bir araştırma, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi (Basılmış).
28. Tiyek İ, Bozdoğan F, 2008. Poliakrilonitril lif üretiminde koagülasyon banyo sıcaklığının lif içyapısına etkisinin geniş açı x-ışınları difraksiyonu ile incelenmesi. Tekstil ve Konfeksiyon Dergisi, 18 (2): 114-120.
29. Tiyek İ, Gündüz A, Yalcinkaya F, Chaloupek J, 2019a. Influence of electrospinning parameters on the hydrophilicity of electrospun polycaprolactone nanofibers. Journal of Nanosciece and Nanotechnology, 19 (11): 7251-7260.
30. Tiyek İ, Yazıcı M, Alma MH, Karataş Ş, 2019b. The investigation of the electromagnetic shielding effectiveness of multi-layered nanocomposite materials from reduced graphene oxide-doped P(AN-VAc) nanofiber mats/PP spunbond. Journal of Composite Materials, 53 (11): 1541-1553, https://doi.org/10.1177/0021998318806973.
31. Vural A, 2006. Bazı çinko boratlı bileşiklerin sentez ve karakterizasyonu. Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek lisans Tezi (Basılmış).
32. Wade B, Knorr R, 1995. Polymerization. In J. C. Masson (Ed.), Acrylic Fiber Technology and Applications (pp. 37-67). Marcel Dekker Inc., New York-USA.
33. Wu J, Hong Y, 2016. Enhancing cell infiltration of electrospun fibrous scaffolds in tissue regeneration. Bioactive Materials, 1 (1): 56-64.
34. Yalcinkaya F, Hruza J, 2018. Effect of laminating pressure on polymeric multilayer nanofibrous membranes for liquid filtration. Nanomaterials, 8 (5): 1-16, https://doi.org/10.3390/nano8050272.
35. Yalcinkaya F, Siekierka A, Bryjak M, Maryska J, 2017a. Preparation of various nanofibrous composite membranes using wire electrospinning for oil-water separation. IOP Conference Series in Material Science and Engineering, 254 (10): 102011, 1-7.
36. Yalcinkaya B, Yalcinkaya F, Chaloupek J, 2017b. Optimisation of thin film composite nanofiltration membranes based on laminated nanofibrous and nonwoven supporting material, Desalination and Water Treatment, 59: 19-30, https://doi.org/10.5004/dwt.2016.0254.
37. Yalcinkaya F, Siekierka A, Bryjak M, 2017c. Surface modification of electrospun nanofibrous membranes for oily wastewater separation. RSC Advances, 7: 56704-56712, https://doi.org/10.1039/C7RA11904F.
38. Zarybnicka L, Bacovska R, Nadvornikova Z, Almonasy N, Syrovy T, 2017. Application of fluorescent label in polymer nanofibers. Advances in Materials Science and Engineering, 2017: 1-6, https://doi.org/10.1155/2017/7583245.
39. Zhang C, Du Z, Li H, Ruckenstein E, 2002. Acrylonitrile-co-vinyl acetate with uniform composition via adiabatic, self-heating copoymerization in a concentrated emulsion. Polymer, 43: 2945-2951.