Fosforik asit emdirilmiş viskoz rayon liflerinin karbonizasyon öncesi termal stabilizasyon aşamasında meydana gelen yapısal dönüşümlerin incelenmesi

Yıl 2025, Cilt: 40 Sayı: 2, 749 - 760

Abdullah Gül

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1357056

Öz

Bu çalışmada, rejenere selüloz liflerinden olan viskoz rayon lifinin karbonizasyon aşaması öncesinde termal stabilizasyon sırasında meydana gelen yapısal değişimleri incelenmiştir. Viskoz rayon lifleri, oda sıcaklığında %4’lük sulu fosforik asit (FA) çözeltisi içerisinde 30 dk. kimyasal ön işleme tabi tutulmasının ardından, ön kurutma işlemi ve farklı stabilizasyon (oksidasyon) sıcaklıklarında (150-175-200-225 ve 250°C) ısıl işleme alınmıştır. Termal stabilizasyon sonrasında numuneler üzerinde; iplik numara ölçümü, renk değişim analizi, yoğunluk, mikroskop lif kalınlık çalışması ve iplik mukavemeti gibi birtakım fiziksel ve yapısal özelliklerdeki değişimler incelenmiştir. Bununla birlikte numunelerin yapısal karakterizasyon kombinasyonu için yakma testi, SEM, diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC), termogravimetrik analiz (TGA) ve kızılötesi (FTIR) spektroskopi ölçümleri ve mekanik testler yapılmıştır. Termal stabilizasyon işlem sıcaklığının artmasına bağlı olarak iplik numarası ve lif kalınlığı değerlerinin azaldığı saptanmıştır. Bununla birlikte termal stabilizasyon işlemlerinden sonra viskoz rayon numunelerinin görüntüsü beyaz renkten karbon siyahına doğru değişirken, 225 ve 250 °C’de ısıl işlem gören numuneler yanmazlık özelliği kazanmıştır. Yapılan mukavemet analizlerinde 225 °C’lik stabilizasyon sıcaklığına kadar çekme dayanımı ve kopma uzaması değerleri azalırken 250 °C’lik stabilizasyon işleminden sonra bu değerlerde kısmen artış gözlenmiştir. Stabilizasyon sıcaklığına bağlı olarak, sıcaklık arttıkça stabilizasyon numunelerinin kristal yapısındaki değişimler sebebiyle bozunma endotermi azalmış ve 250 °C’lik ısıl işlem sonrasında neredeyse kaybolmuştur.

Anahtar Kelimeler

Viskoz rayon, stabilizasyon, termal kararlılık, FTIR, DSC, TGA.

Proje Numarası

-

Kaynakça

• 1. Donnet J.B., Wang T.K., Peng (eds.), J.C.M. Carbon Fibers, 3rd edn. Marcel Dekker, Inc., New York, 1998.
• 2. Standage A. E., Matkowsky R. D., Thermal oxidation of polyacrylonitrile, European Polymer Journal, 7 (7), 775-783, 1971.
• 3. Johnson J. W., Potter W., Rose P. G., Scott G., Stabilisation of polyacrylonitrile by oxidative transformation, British Polymer Journal, 4 (6), 527-540, 1972.
• 4. Mathur R. B., Bahl O. P., Mittal J., Nagpal, K.C., Structure of thermally stabilized PAN fibers, Carbon, 29 (7), 1059-1061, 1991.
• 5. Mathur R. B., Bahl, O. P., Mittal, J. A new approach to thermal stabilisation of PAN fibres. Carbon, 30 (4), 657-663, 1992.
• 6. Mittal J., Bahl O. P., Mathur R. B., Single step carbonization and graphitization of highly stabilized PAN fibers, Carbon, 8 (35), 1196-1197, 1997.
• 7. Hou Y., Sun T., Wang H., Wu D., Influence of ozone on chemical reactions during the stabilization of polyacrylonitrile as a carbon fiber precursor. Journal of applied polymer science, 108 (6), 3990-3996, 2008.
• 8. Bahl O. P., Manocha L.M., Characterization of oxidised pan fibres, Carbon, 12 (4), 417-423, 1974.
• 9. Bahl O. P., Manocha L.M., Effect of preoxidation conditions on mechanical properties of carbon fibres, Carbon, 13 (4), 297-300, 1975.
• 10. Manocha L.M., Bahl O.P., Role of oxygen during thermal stabilisation of PAN fibres, Fibre Science and Technology, 13 (3), 199-212, 1980.
• 11. Bhat G.S., Cook F.L., Abhiraman A.S., Peebles Jr L. H. New aspects in the stabilization of acrylic fibers for carbon fibers, Carbon, 28 (2-3), 377-385, 1990.
• 12. Kiminta D.M., Rapid stabilization of acrylic precursors for carbon fibres using ammonia, International Journal of Polymeric Materials, 23 (1-2), 57-65, 1993.
• 13. Bhat G.S., Peebles Jr L. H., Abhiraman A. S., Cook F. L., Rapid stabilization of acrylic fibers using ammonia: effect on structure and morphology, Journal of applied polymer science, 49 (12), 2207-2219, 1993.
• 14. Rašković V., Marinković S., Temperature dependence of processes during oxidation of PAN fibres, Carbon, 13 (6), 535-538. (1975).
• 15. Bahl O.P., Mathur R.B., Kundra K.D. Treatment of pan fibres with SO2 and development of carbon fibres therefrom, Fibre Science and Technology, 13 (2), 155-162, 1980.
• 16. Błażewicz S., Carbon fibres from a SO2 treated PAN precursor. Carbon, 27 (6), 777-783, 1989.
• 17. Peebles, L.H., Carbon fibers: formation, structure, and properties. CRC Press, 2018.
• 18. Shindo A., Nakanishi Y., U.S. Patent 3, 886, 263, 1975.
• 19. Clarke A.J., Bailey J.E., Oxidation of acrylic fibres for carbon fibre formation, Nature, 243 (5403), 146-150, 1973.
• 20. Gupta A., Harrison I.R., New aspects in the oxidative stabilization of PAN-based carbon fibers: II. Carbon, 35 (6), 809-818, 1997.
• 21. Zhang Y., Zhao M., Cheng Q., Wang C., Li H., Han X., Li Z., Research progress of adsorption and removal of heavy metals by chitosan and its derivatives: A review, Chemosphere, 279, 130927, 2021.
• 22. Zeng F., Liao X., Pan D., Shi H., Adsorption of dissolved organic matter from landfill leachate using activated carbon prepared from sewage sludge and cabbage by ZnCl2, Environmental Science and Pollution Research, 27 (5), 4891-4904, 2020.
• 23. Rantheesh J., Indran S., Raja S., Siengchin S., Isolation and characterization of novel micro cellulose from Azadirachta indica A. Juss agro-industrial residual waste oil cake for futuristic applications, Biomass Conversion and Biorefinery, 13 (5), 4393-4411, 2023.
• 24. Bengtsson A., Hecht P., Sommertune J., Ek M., Sedin M., Sjöholm E., Carbon fibers from lignin–cellulose precursors: Effect of carbonization conditions, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8 (17), 6826-6833, 2020.
• 25. Fabbri D., Prati S., Vassura I., Chiavari G., Off-line pyrolysis/silylation of cellulose and chitin, Journal of analytical and applied pyrolysis, 68, 163-171, 2003.
• 26. Kaburagi Y., Hosoya K., Yoshida A., Hishiyama Y., Thin graphite skin on glass-like carbon fiber prepared at high temperature from cellulose fiber, Carbon (New York, NY), 43 (13), 2817-2819, 2005.
• 27. Li H., Yang Y., Wen Y., Liu L., A mechanism study on preparation of rayon-based carbon fibers with (NH4) 2SO4/NH4Cl/organosilicon composite catalyst system, Composites science and technology, 67 (13), 2675-2682, 2007.
• 28. Chand S., Review carbon fibers for composites, Journal of materials science, 35, 1303-1313, 2000.
• 29. Huang, X., Fabrication and properties of carbon fibers, Materials, 2 (4), 2369-2403, 2009.
• 30. Donnet J.B., Bansal R.C., Carbon fibers, Marcel Dekker, New York, 1984.
• 31. Dumanlı A.G., Windle A.H., Carbon fibres from cellulosic precursors: a review, Journal of Materials Science, 47, 4236-4250, 2012.
• 32. Su C.I., Peng C.C., Huang P.H., Wang C.H. Influence of pretreatment on physical properties of oxidized rayon fabrics, Textile research journal, 73 (5), 427-432, 2003.
• 33. Tunçel K.Ş., Fosforik Asidin Rejenere Selüloz Esaslı Lifler Üzerine Etkisi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 8 (2), 605-611, 2020.
• 34. Salem K.S., Kasera N.K., Rahman M. A., Jameel H., Habibi Y., Eichhorn S.J., Lucia L.A., Comparison and assessment of methods for cellulose crystallinity determination, Chemical Society Reviews, 47, 4236-4250, 2023.
• 35. Mwaikambo L.Y., Ansell M.P., Chemical Modification of Hemp, Sisal, Jute and Kapok Fibers by Alkalization, Journal of Appliyed Polymer Science, 84, 2222-2234, 2002.
• 36. Liu Z., Wang H., Li Z., Lu X., Zhang X., Zhou S., Zhou K., Characterization Of The Regenerated Cellulose Films In Ionic Liquids And Rheological Properties Of The Solutions, Materials Chemistry and Physics, 128 (1-2), 220–227, 2011.
• 37. Miranda M.I.G., Bica C.I.D., Nachtigall M.B., Rehman N., Rosa S.M.L., Kinetical Thermal Degradation Study of Maize Straw and Soybean Hull Cellulosesby Simultaneous DSC–TGA and MDSC Techniques, ThermochimicaActa, 565, 65–71, 2013.
• 38. Chakraborty I., Rongpipi S., Govindaraju I., Mal S.S., Gomez E.W., Gomez E.D., Mazumder N., An insight into microscopy and analytical techniques for morphological, structural, chemical, and thermal characterization of cellulose, Microscopy Research and Technique, 85 (5), 1990-2015, 2022.
• 39. Gül A., Selüloz Esaslı Karbon Lif Üretiminde Isıl Kararlılık ve Karbonizasyon Aşamalarının Yerine Getirilmesi. Yüksek lisans Tezi: Kayseri Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri, 140, 2014.
• 40. Le N.D., Varley R.J., Hummel M., Trogen M., Byrne N., A review of future directions in the development of sustainable carbon fiber from bio-based precursors, Materials Today Sustainability, 20, 100251, 2022.
• 41. Geminiani L., Campione F. P., Corti C., Luraschi M., Motella S., Recchia S., Rampazzi L., Differentiating between Natural and Modified Cellulosic Fibres Using ATR-FTIR Spectroscopy, Heritage, 5 (4), 4114-4139, 2022.
• 42. Bengtsson A., Hecht P., Sommertune J., Ek M., Sedin M., Sjöholm E., Carbon fibers from lignin–cellulose precursors: Effect of carbonization conditions, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 8 (17), 6826-6833, 2020.