MIT Ekibi Ultra İnce Elyaf Üretmek için Proses Geliştiriyor
MIT bilim adamları, nanometre çapında veya milyarda bir metre ultra ince elyaf üreten bir süreç geliştirdi. Bu elyafların son derece güçlü, sert, yoğunluğu düşük, üretilmesi kolay ve ucuz olması bekleniyor. Ekip, bu elyafların koruyucu zırh ve nanokompozit gibi birçok uygulamada kullanılabileceğini söylüyor.
Yeni proses olan “jel electrospinning”, MIT profesörü, Kimya Mühendisi Gregory Rutledge ve posdoc. Jay Park tarafından bir makalede tanımlanmaktadır. Makale çevrimiçi olarak görülebilirken Journal of Material Science’ın şubat sayısında yayınlanacaktır.
Rutledge, “bir çok kar-zarar durumu mevcut” dedi. Araştırmacılar malzemenin bir karakteristiğini arttırırken diğer karakteristiklerinin düştüğünü görebilirler. “Mukavemet ve dayanıklılık böyle bir çifttir: Genellikle yüksek mukavemet elde ettiğinizde dayanıklılıktan bir şeyler kaybedersiniz” diyor.
Malzeme daha kırılganlaştığından enerjiyi emme mekanizmasına sahip olmaz ve kırılmaya eğilim gösterir. Fakat yeni prosesle yapılmış olan elyaflarda bu kar-zarar durumunun birçoğu ortadan kalkar. Rutledge, “Çok güçlü ve aynı zamanda yüksek tokluğa sahip bir malzeme elde etmeniz çok büyük bir başarıdır” dedi. Bu prosesteki süreç “Jel spinning” olarak isimlendirilen geleneksel metodun bir varyasyonunun kullanılması fakat elektrik gücünün eklenmesidir. Sonuçları mermi durdurucu vücut zırhı gibi uygulamalar için kullanılan Kevlar ve Dyneema gibi en güçlü elyaf malzemelerinden bazılarına uyan veya daha güçlü olan polietilenin ultra ince lifleridir.
“Farklı çaplarda, yani 1 milyon mikronun altındaki lifleri yapmak için bir görev başlattık, çünkü bunlar kendi başına birçok ilginç özelliğe sahiptirler” diyor Rutledge. Nanofiber olarak adlandırılan çok ince elyafları yıllarca inceledik. Ancak, yüksek performanslı elyaf aralığı olarak adlandırılacak hiçbir şey yoktu. Kevlar gibi aromatikleri ve Dyneema ve Spectra gibi jel spun polietilenleri içeren yüksek performanslı elyaflar, aşırı kullanımlar için halatlarda ve bazı yüksek performanslı kompozitlerdeki takviye lifleri olarak kullanılır.
Rutledge, “Bu mekanik alanda çok iyi performans gösteren elyaflar olduğundan bu alanda uzun süredir yeni bir gelişme olmamıştır” dedi. “ Fakat yeni malzeme diğerlerini aşıyor. Gerçekten ayıran şeyi belirli modül ve belirli güç olarak adlandırdığımız şey, ağırlık temelinde her şeyden daha üstün oldukları anlamına geliyor” diye ekledi. Modulus, lifin ne kadar sert olduğunu veya gerilmeye karşı ne kadar dirençli olduğunu gösteriyor. Kompozit malzemelerde yaygın olarak kullanılan karbon elyafları ve seramik elyafları ile karşılaştırıldığında, yeni jel-elekctrospun polietilen elyafları benzer mukavemet derecelerine sahip iken dayanıklılıkları daha fazla ve yoğunlukları daha düşüktür.
Rutledge, “bu durum standart malzemelerden daha iyi bir performans sergilediklerini gösteriyor” dedi. Bu çok ince materyali oluştururken, ekip mevcut mikro elyafların özelliklerini sadece “bizim için güzel bir başarıya ulaştıracaklarını” söyleyen Rutledge’ye uymayı hedeflemişti. Aslında, meteryalin önemli şekillerde daha iyi olduğu ortaya çıktı. Test malzemeleri mevcut en iyi elyaf kadar iyi olmayan bir modüle sahipken oldukça rekabetçi olabilecek kadar yaklaştı diyor. “En önemlisi, ticari malzemelerden nerdeyse iki kat daha güçlüdür, daha sağlamdır ve mevcut en iyi akademik malzemelerle karşılaştırılabilir” diye ekledi.
Araştırmacılar hala bu etkileyici performansın nedenlerini araştırıyor. Beklemediğimiz elyaf boyutundaki azalma bize hediye gibi gözükmektedir. “Plastiklerin çoğunun sert olduğu, ancak elde ettiklerimiz kadar sert ve güçlü olmadığını” belirtiyor. Cam elyafları sert fakat çok güçlü değilken, çelik tel güçlü ancak çok sert değildir. Yani jel-electrospun elyafları, mukavemet, sağlamlık ve tokluğun az olması gibi istenen özelliklerin birleştirildiği düşünülüyor.
Rutledge, “ Jel electorspinning prosesinin kullanılması, elektrik kuvvetlerini kullandığımız için getirdiğimiz malzemeler açısından geleneksel (jel spinning) prosesine çok benzer. Çok aşamalı geleneksel prosesin kullanılması yerine tek aşamalı proses kullanılarak tipik 15 mikrometre yerine birkaç yüz nanometrelik çaplarla çok daha fazla çekilmiş elyaf elde ediyoruz” dedi.
Araştırmacıların prosesi başlangıç malzemesi olarak bir polimer jel ile jel spun elyafı birleştirerek lifleri dışarı çekmek için mekanik çekmeyi kullanmak yerine elektrik kuvvetini kullanıyor. Yüklü elyaflar “kamçı” kararsız sürecini endükleyerek ultra ince boyuta geliyor. O çok ince boyutlar da liflerin eşsiz özellikte olmalarını sağlıyor.
Bu sonuçlar, koruyucu malzemelerin mevcut malzemeler kadar güçlü fakat hacimsel olarak daha küçük olmasını ve böylelikle daha pratik olmalarını sağlayacaktır. Rutledge, “henüz düşünmediğimiz uygulamalarımız olabilir, çünkü bu tokluk seviyelerinde olduklarını yeni öğrendik” dedi.
Kaynak : technicaltextile.net
