Oryantasyon

Resim kaynağı: Annie Spratt, Unsplash

Şekil 1. Lifte üretim yönünde paralel zincir oryantasyonu ^[5]

Oryantasyon derecesi lifte yapısal bir karaktere sahiptir. Oryantasyon, kristalin ve amorf ile eksenel moleküler oryantasyon olarak sınıflandırılmaktadır ^[2].

Yapısal mükemmeliyetin sağlanması için zincir dolanıklıklarının çözülmesi, lif yönüne paralel olarak hizalanması sağlanmalıdır. Bu sayede paralel düzenlenen zincirler birbirlerine yaklaşır, polimerik lifteki serbest hacim azalır ve lif yoğunluğu artar. Bu oryante olma hali life stabilite kazandırır. Simultane olarak gelişen ileri seviye kristal, amorf ve zincir düzenlenmesi ile lifte oryantasyon yani yapısal gelişim sağlar ^[1].

Lifte Yapısal Gelişim

Polimer yapısındaki zincirler esnemeye, çekime ve üretim hattındaki akışma boyunca maruz kaldığı kesme kuvvetlerine bağlı olarak kristalize ve oryante olmaya uygundur. Oryantasyona bağlı olarak lifin modül ve çekme mukavemeti gibi mekanik özelliklerinde gelişme beklenir. Dallanma yoğunluğunun düşük olduğu lineer zincir yapısındaki polimerlerden elde edilen lifler daha ileri seviyelerde oryante edilebilir. Bu durumda kristalinite artışı ve oryantasyona bağlı fibriller bir mikroyapıya erişilir.

Şekil 2. Lifte yapısal oryantasyon gelişimi ^[1].

Üretim hızındaki artışa bağlı olarak öncül lif üzerine etkiyen kesme kuvvetlerinde artış gözlemlenir. Bu şekilde oluşturulan stres sonucunda strese bağlı kristalizasyon meydana gelir. Sarım hızının artışı ile özellikle amorf bölge düzenlenmesinde gelişim sağlanır. Akışa bağlı oryantasyonun yanı sıra üretim esnasında ve sonrasında life verilen çekim ile zincirsel ve bölgesel oryantasyon sağlanır. Çekim oranının artması malzeme üzerine etki eden stresi artırır. Özellikle yüksek performans liflere uygulanan ultra yavaş çekim sırasında zamandan bağımsız olarak ısıl olarak uygun bir ortamda zincirler tekrardan hareketlenir ve yapısal oryantasyon gelişir. Verilen çekime bağlı olarak polimerik zincirler açılıp uzayarak birbirlerine paralel pozisyona erişirler. Bu durum sonucunda esneme düşer ve daha mukavim bir lif yapısı elde edilir ^[2]. Gerilmiş duruma giren moleküller amorf zincir oryantasyonunu tetikleyerek lif mukavemetini ve modülünü artırırı [1]. Oryantasyon dolaylı olarak stres-gerilme eğrisinde gözlenebilir. Plastik deformasyona kadar eğride oluşan her esneklik sınırı moleküler oryantasyonun sağlabileceği kritik seviyeyi işaret eder ^[6].

Birefringence

Şekil 3. Polarize mikroskop altında PE lifi.

Moleküler zincir oryantasyonunun belirlenmesi için polarize optik mikroskopiye başvurulabilir. Polimerlerin sergilediği bir özellik olan çift kırılım (birefringence) hadisesi lifin üretim yönü bıyunca gelişen zincir oryantasyonu ile artış sergiler. Bu durum lif yönünde ve eninde ışığın geçerken yaşadığı hız değişimine bağlı ışın gecikmesinden ölçülmektedir.

XRD (X-ışını difraksiyonu)

Şekil 4. Sarım hızına bağlı olarak PEN elyafında oryantasyon gelişimine ait WAXS grafikleri ^[7].

Herman orientation factor

Kristalin oryantasyon ölçümünde kullanılan metodlardan biri de geniş açılı X-ışını difraksiyonudur. Bir açı yelpazesinde numune lif üzerine gönderilen ışın geçebildiği amorf bölgeleri ve kuvvetli bir biçimde yansıdığı kristalin bölgeleri içeren halkasal bir görüntü oluşturur. Lifteki oryantasyon geliştikçe kristalin ve amorf bölgeler düzenli hale kavuşur ve merkezi çeperleyen hareler keskinleşir. Artan üretim hızı ve çekime bağlı olarak kristalin yansımaya bağlı azimutal serimde daralma gerçekleşir.

X-ışını difraksiyonu grafikleri ile aynı zamanda kristalin oryantasyonu da hesaplanabilir. Bu ölçüm için Herman oryantasyon faktörü kullanılır. Faktör fx’in sıfıra eşit olması lifte gelişigüzel oryantasyonun olduğunu belirtir ^[7].

NMR (Nükleer manyetik rezonans)

Şekil 5. Sarım hızı ve çekim oranına bağlı olarak lifte gelişen oryantasyon ^[3].

Amorf ve kristalin fazlara ait oryantasyon faktörleri NMR metodu ile de karakterize edilebilir. Bu teknik ile rijit ve hareketli bölgelerin oryantasyonu birbirinden bağımsız olarak ölçülebilir. Belirtilen rijit ve hareketli bölgeler lif yapısında kristalin ve amorf bölgelere denk gelmektedir.

Referanslar

[1] Avci, H., HASSANİN, A., HAMOUDA, T., & KILIÇ, A. HIGH PERFORMANCE FIBERS: A REVIEW ON CURRENT STATE OF ART AND FUTURE CHALLENGES. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27(2), 130-155.

[2] Otaigbe, J. U. and Madbouly, S. A. (2009). The processing, structure and properties of elastomeric fibers. In Eichhorn, S., Hearle, J. W. S., Jaffe, M., & Kikutani, T. (Eds.). Handbook of Textile Fibre Structure: Volume 1: Fundamentals and Manufactured Polymer Fibres (pp.325-349). Elsevier.

[3] Penning, J. P., Van Ruiten, J., Brouwer, R., & Gabriëlse, W. (2003). Orientation and structure development in melt-spun Nylon-6 fibres. Polymer, 44(19), 5869-5876.

[4] Samon, J. M., Schultz, J. M., Hsiao, B. S., Khot, S., & Johnson, H. R. (2001). Structure development during the melt spinning of poly (oxymethylene) fiber. Polymer, 42(4), 1547-1559.

[5] Tsuboi, K., Marcelletti, E., Matsumoto, H., Ashizawa, M., Minagawa, M., Furuya, H., ... & Abe, A. (2012). Preparation of poly (γ-benzyl-L-glutamate) nanofibers by electrospinning from isotropic and biphasic liquid crystal solutions. Polymer journal, 44(4), 360.

[6] Viney, C. (2000). Silk fibres: origins, nature and consequences of structure. In Structural Biological Materials (Edited by M. Elices), Pergamon/Elsevier Science, Oxford, 2000 (pp. 293-333).

[7] Wu, G., Li, Q., & Cuculo, J. A. (2000). Fiber structure and properties of poly (ethylene-2, 6-naphthalate) obtained by high-speed melt spinning. Polymer, 41(22), 8139-8150.