Sızdırmaz Fiber Örgülü Membran Üretimi
Bu çalışmada sızdırmazlık sektörüne hitap edebilecek membranlar, aktif kömür takviyeli poliviniliden florür (PVDF) polimerini içeren nanoteknolojik elektroeğirme tekniği ile elde edilmiştir. Aktif kömür çevremizde atık olarak bulunan ayakkabı imalatçılarının fire malzemelerinden yapılmıştır. Fire materyaller piroliz sonrası öğütme işlemi ile birlikte
uygun toz formuna getirilmiştir. Uygun boyuttaki tozlar %1, %5 ve %8 oranında PVDF polimer çözeltisine takviye edilerek kompozit çözeltiler oluşturulmuştur.
Çözeltilerden elektriksel alan yardımı ile birlikte sızdırmaz membranlar elde edilmiştir. Bu
yöntem kolay, ucuz ve sürdürülebilirdir. Sızdırmaz ve filtre amaçlı kullanıma yönelik hedef uygulamalara kolaylıkla entegre edilebilecektir.
1.Giriş
Sızdırmazlık kavramı, sınırlar ile kesin ayrılmış bölgelere herhangi bir sızma olmama durumudur. Böylelikle amacını icra etmiş olacaktır. İşte bu amaçla kelepçe, yağ, boru, plaka ve
membranlar gibi sızdırmazlık elemanları sektörel uygulamalarda kullanılmaktadır [1].
Sızdırma sorunu çoğu sektörde istenmeyen bir durumdur. Bir akış sonrası ürünlerin performansı düşebilmekte, yırtılma, düşük kalite, istenmeyen sorunlara neden olabilmektedir. Ayrıca sızdırma hayati önem sağladığı düşünülürse elektrik çarpmaları
ve kişilerin ölümlerine kadar gidebilen bir duruma neden olmaktadır [2].
Sızdırmazlık malzemeleri için birçok üretim metodoloji bulurken kullanılacak hammaddelerin pahalı ve yurtdışından geliyor olması sürdürebilirliği kısmen sağlayamamaktadır. Ancak çalışmamızda asıl vurgumuz birçok uygulamada atık malzemelerin kullanımının özendirilmesidir. Zira atıklar çevremize dolaylı olarak bizleri olumsuz etkilemektedir.
Atık malzemelerin geri kazanımı ve geri dönüşümle niteklikli ürünler oluşturmak önemlidir. Bu üretim sistemlerinden en dikkat çekeni nanoteknolojik elektroeğirmedir [3].
Nanoteknolojik elektroeğirme, polimer çözeltilerinden elektriksel alan yardımı ile nanolif membran üretim tekniğidir. Sağlık, kozmetik, gıda, filtrasyon, savunma gibi hemen hemen tüm sektörlerde amaca yönelik kullanım imkanı sunan bir sistemdir.
Sistem basitçe şırınga pompası, güç kaynağı ve toplayıcı plakadan oluşmaktadır. Lif oluşturan en basit ve en ucuz tekniktir. Sızdırmazlık uygulamalarında en üstün performansı sağlayabilen nanoteknolojik üretimdir [4].
Amaca yönelik olarak istenilen etken madde, polimer kullanımı ve üretim parametreleri
ile optimum membran kalitesi göstererek üstün sızdırmazlık sağlanabilmektedir. Taylor konisi ve nanolif görüntüsü Şekil 1.1’de gösterilmektedir.
[caption id="attachment_157334" align="aligncenter" width="672"]
Şekil 1.1. Taylor konisi ve nanolif görüntüsü [5][/caption]Aktif kömür, gözenekli yapısı sayesinde oldukça yüksek emici güce sahip bir materyaldir. Petrol ve kömür tiplerinden elde edilebilmektedir. Piroliz denilen işlemle geçmişten günümüze birçok atık malzemeden aktif kömür elde edilmiştir. Fındık, ceviz, kayısı çekirdeği gibi farklı atık malzemelerden piroliz ile katma değerli aktif elde edilebilmektedir [6].
Aktif kömür nanoteknolojik membranımızda polimere takviye edilerek membranın güçlendirilmesine katkı sağlarken, yapının nefes almasını, membranın yüzey alanını arttırarak sızdırmazlık performansı sağlamaktadır.
Poliviniliden florür (PVDF) polimerimeri hidrofobik su itici bir membrandır. Filtre uygulamalarında sıklıkla tercih edilen üstün mukavemet özelliği ve sızdırmazlık performansı sağlayabilen bir polimerdir. Sızdırmazlık uygulamalarında uygun elastik özelliği sayesinde bulunduğu platforma uyum gösterebilmektedir. PVDF kimyasal yapısı Şekil 1.2’de yer almaktadır.
[caption id="attachment_157335" align="aligncenter" width="233"]
Şekil 1.2. PVDF kimyasal yapısı [7][/caption]Yapılan bu çalışmada fire ayakkabı atıklarından piroliz ile aktif kömür eldesi, elde edilen aktif kömürlerin %1, %5 ve %8 oranında PVDF polimer çözeltisine katılması ve nanoteknolojik elektroeğirme tekniği ile membranların üretimi sağlanmıştır. Böylelikle
sızdırmaz ve filtre edebilenen membranlar ile üstün performans sağlanacaktır.
2. Materyal ve Metot
2.1 Materyal
Çalışmamızda aktif kömür üretimi için fire ayakkabı tabanlıkları toplanmıştır. PVDF polimeri sektördeki geri dönüşüm firmalarından alınmıştır. Nanoteknolojik elektroeğirme sisteminde altlık malzeme olarak yağlı kağıt tercih edilmiştir. PVDF polimerini çözelti haline getirmek amacıyla dimetilformamid (DMF) solventi kullanılmıştır.
2.2. Metot
2.2.1 Fire Ayakkabıların Toplanması
İstanbul’da faaliyet gösteren bir ayakkabı tabanı imalatçısının malzemelerinden kaynaklı fire ayakkabı tabanları toplanmıştır. Ve piroliz edilmek üzere üretim alanına transfer edilmiştir. Atık ayakkabı kauçuk tabanlıkları Şekil 2.1’de gösterilmektedir.
[caption id="attachment_157337" align="alignleft" width="300"]
Şekil 2.1. Atık ayakkabı kauçuk tabanlıkları[/caption]
2.2.2 Fire Ayakkabı Tabanlıklarının Piroliz Edilmesi ve Aktif Kömür Üretimi
Toplanan fireler piroliz makinesine konarak ısıtılarak yakılmıştır. Yakma işlemi sonrası kömür
parçacıkları elde edilmiştir. Kömür parçacıkları öncelikle seramik havanda daha sonra bilyalı
öğütücüde uygun toz formuna getirilmiştir.
Süre arttıkça boyutlar azalmış ve 40 mikrometre toz boyutuna getirilmiştir. Aktif kömür elde edilerek membran üretimi için hazır hale getirilmiştir. Fire ayakkabı tabanlıklarının piroliz edilmesi ve aktif kömür üretimi Şekil 2.2’de yer almaktadır.
[caption id="attachment_157338" align="aligncenter" width="945"]
Şekil 2.2. Fire ayakkabı tabanlıklarının piroliz edilmesi ve aktif kömür üretimi[/caption]
2.2.3 Aktif Kömür İçeren Nanoteknolojik Membran Üretimi
Elde edilen aktif kömürler hassas terazide 1, 5 ve 8 mg tartılmıştır. 10 gram PVDF tartılarak 100 ml DMF solventinde 60oC 12 saat ısıtıcılı manyetik karıştırıcı yardımı ile karıştırılarak çözelti haline getirilmiştir. Çözeltilere tartılan aktif kömürler takviye edilerek kompozit çözeltiler elde edilmiştir.
Nanoteknolojik elektroeğirme sisteminde altlık malzeme olarak yağlı kağıt kullanılmıştır. Çalışma parametreleri olarak 1-2.5 ml besleme hızı, 25-30 kV yüksek voltaj ve 12-15 cm çalışma mesafesi tercih edilerek membranlar elde edilmiştir. Şekil 2.3’te aktif kömür içeren nanoteknolojik membran üretimi aşamaları gösterilmektedir.
[caption id="attachment_157339" align="aligncenter" width="947"]
Şekil 2.3. Aktif kömür içeren nanoteknolojik membran üretimi aşamaları[/caption]
3. Bulgular ve Tartışma
Üretilen aktif kömür yüzey özellikleri ve gerekli fiziksel testleri çıkarılmıştır. Filtre materyali
olarak filtrasyon testi yapılmıştır. Test sonucuna göre %99.999 oranında partikül filtrasyonu sağlamıştır.
Aktif kömür boyut aralığı olarak 300 nm-1 mikrometre ölçülmüştür. Ölçüm taramalı elektron
mikroskobu (SEM) cihazı ile sağlanmıştır. Aktif kömür içeren PVDF nanolif kalınlıkları SEM cihazı incelenmiş ve 150-500 nm lif çapı gözlemlenmiştir. Filtrasyon testine göre %99.999 değeri ölçülmüştür.
Temas açısı ölçüm sonucuna göre 135o damlacık tespit edilmiş olup süperhidrofobik süper su itici olduğu saptanmıştır. PVDF membran mekanik özelliğine göre 45 MPa ölçüm yapılırken aktif kömür artıkça mekanik özellikleri iyileşmiştir. En yüksek 57 MPa değeri %8 katkılı aktif kömür bileşiminde belirlenmiştir.
4.Sonuçlar
Çalışmamızda başarılı bir şekilde fire ayakkabı tabanlıklarından aktif kömür piroliz ile başarılı bir şekilde sağlanmıştır. Bu oran atıklardan %75 oranında aktif kömür eldesini sağlamıştır. Nanoteknolojik elektroeğirme tekniği ile başarılı bir şekilde nanolif membranlar elde edilmiştir. Atıklardan faydalı olabilecek ürünler üretilebilmektedir.
Amaç dışa bağımlı olmadan kendi yerli kaynaklarımızı kullanarak nitelikli ürünler ortaya koyabilmektir. Biz çalışmamızda ayakkabı imalatçıları ve çevre için ciddi problem olan atık malzemeleri kullanmayı tercih ettik.
Çünkü bu malzemeler termoset olup geri dönüşümü olmayan malzemelerdir, erimezler ve çevre için ciddi yüktür. Karbon ayak izini artırmaktadır. İşte bu amaçla bu alana dikkat çekmek istedik ve sızdırmazlık ve filtre olabilecek üstün perfomanslı membranlar nanoteknoloji kullanımı ile kolaylıkla sağlanmıştır.
Ayakkabı tabanı imalçıları gibi çevremizde ciddi manada karbon ayak izini arttıran kuruluşlar bulunmaktadır. Ciddi bir yapılanma ve nitelikli projelendirme ile atık malzemeler katma değeri dönüştürülebilecektir.
Kaynaklar
[1] Akıncı, A. (1997). Sızdırmazlık elemanlarının yapı ve özellikleri.
[2] TOPAL, O. (2023). TÜRKİYE’DE ELEKTRİKLİ VE HİBRİT ARAÇLAR İÇİN ACİL MÜDAHALE YAKLAŞIMLARI. Çevre
Şehir ve İklim Dergisi, 2(3), 190-206.
[3] Buluş, E., Buluş, G. S., & Yakuphanoglu, F. (2020). Production of polylactic acid-activated charcoal nanofiber membranes
for COVID-19 pandemic by electrospinning technique and determination of filtration efficiency. Journal of Materials and
Electronic Devices, 4(1), 21-26.
[4] DOĞANCI, E., DOĞANCI, M. D., BULUŞ, G. S., & BULUŞ, E. (2023). Polylactic Acide-Activated Coal Electrospun Mat Production
and Characterization. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 11(3), 1365-1377.
[5] Kausar, A., Ahmad, I., Aldaghri, O., Ibnaouf, K. H., & Eisa, M. H. (2023). Nanoclay-Reinforced Nanocomposite Nanofibers—
Fundamentals and State-of-the-Art Developments. Minerals, 13(6), 817.
[6] Kocabıyık, B. (2023). Siyez (Triticum Monococcum L.) buğdayı kavuzundan elde edilen aktif karbon kullanılarak kirleticilerin
sulu çözeltilerden adsorpsiyon metoduyla uzaklaşıtırılması.
[7] Mohammadpourfazeli, S., Arash, S., Ansari, A., Yang, S., Mallick, K., & Bagherzadeh, R. (2023). Future prospects and
recent developments of polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric polymer; fabrication methods, structure, and electro-mechanical
properties. RSC advances, 13(1), 370-387.
Erdi Buluş
Öğretim Görevlisi / Malzeme Teknolojileri Uzmanı
İstanbul Arel Üniversitesi
ArelPOTKAM (Polimer Teknolojileri ve Kompozit Uygulama
ve Araştırma Merkezi)
Ulaştırma Hizmetleri Anabilim Dalı Sivil Havacılık
Kabin Hizmetleri Programı / Meslek Yüksekokulu
Gülseren Sakarya Buluş
Uzman
İstanbul İl Sağlık Müdürlüğü
Bahçeşehir Üniversitesi
Mühendislik Yönetimi Bölümü
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
