بهینه سازی آماری فیلتر نانولیفی حاوی نانولوله کربنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی نساجی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

2 گروه مهندسی نساجی، دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات تهران

3 دانشکده مهندسی نساجی و پلیمر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد یزد

چکیده

در این کار پژوهشی، قابلیت استفاده از غشاء نانولیفی به عنوان فیلتر جاذب بررسی شد. برای تهیه نانوالیاف، الکتروریسی پلی‌آمید 6 در حلال اسید فرمیک در غلظت‌های مختلف انجام شده و تاثیر غلظت، ولتاژ و فاصله سر سوزن بر ریخت‌شناسی الیاف به کمک روش آماری رویه پاسخ مورد بررسی قرار گرفت. بر مبنای نتایج حاصل از آنالیز آماری، نمونه بهینه با حداقل مقدار میانگین قطر (111 نانومتر) در غلظت % 10 پلیمر، ولتاژ kV 20 و فاصله cm 20 بدست آمد. سپس با افزودن نانولوله کربنی در غلظت‌های 1/0 ، 2/0 و 5/0 درصد وزنی تاثیر آن مورد مطالعه قرار گرفت. آزمون تخلخل‌سنجی بیانگر افزایش میزان تخلخل نمونه‌ها با افزایش مقدار نانولوله کربنی است. بر مبنای نتایج آزمون استحکام، مقدار ازدیاد طول تا حد پارگی و استحکام کششی بیشینه در نمونه محتوی 1/0% نانولوله کربنی بدست آمد. هم‌چنین آزمون طیف‌سنجی مادون قرمز بیانگر پیک‌های مشخصه پلی‌آمید یعنی آمیدهای نوع اول و دوم و سوم و گروه‌های آمین است. آنالیز توزین حرارتی نشان داد که با افزودن نانولوله کربنی پایداری حرارتی افزایش یافته است. در آزمون اسپکتروفتومتری نیز جذب ماده رنگی توسط غشاء نانولیفی با گذشت زمان مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Statistical optimization of nanofiber filter containing carbon nanotube

نویسندگان [English]

  • Salman Dehghan 1
  • Mehdi Varsei 1
  • Niloofar Eslahi 2
  • mohammad Esmail yazdanshenas 3
1 Department of Textile Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Textile Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Faculty of Textile and Polymer Engineering, Islamic Azad University, Yazd Branch
چکیده [English]

In this research work, the ability to use nanofibrous membrane as an absorbent filter was investigated. For this purpose, electrospinning of polyamide 6 (PA6) in formic acid was performed at different concentrations and the effect of polymer concentration, voltage and needle-to-tip distance on the morphology of the fibers was evaluated using the statistical method of response surface methodology (RSM). Based on the results of the statistical analysis, the optimal sample was selected with the minimum average fiber diameter (111 nm) at a concentration of 10% PA6, a voltage of 20 KV and a distance of 20 cm. Then, the effect of carbon nanotubes (CNT) incorporation into the fibers (at different percentages of 0.1, 0.2, and 0.5%wt) was studied. The porosity test showed an increase in the porosity of the samples with the addition of CNT. The results of the tensile test revealed that the maximum tensile strength and elongation up to the breaking point were obtained for the fibers containing 0.1% CNT. FTIR spectra depicted the characteristic peaks of amides and amine groups in PA6. Thermal analysis (TGA) showed that thermal stability increased with the addition of CNT. Finally, in the spectrophotometric test, the absorption of dye by the nanofibrous membrane was observed by prolonging time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • polyamide
  • nanofibers
  • electrospinning
  • carbon nanotubes
  • response surface methodology
  1. Ko, F. K., Wan, Y., Introduction to nanofiber materials, Cambridge University Press, 2014.

Qin, X. H., Wang, S. Y., Filtration properties of electrospinning nanofibers, J. Appl. Polym. Sci., 102, 1285-1290, 2006.

2.Bjorge, D., Daels, N., De Vrieze, S., Dejans, P., Van Camp, T., Audenaert, W., Hogie, J., Westbroek, P., De Clerck, K. and Van Hulle, S.W., Performance assessment of electrospun nanofibers for filter applications, Desalination, 249, 942-948, 2009.

3.Monteserín, C., Blanco, M., Murillo, N., Pérez-Márquez, A., Maudes, J., Gayoso, J., Laza, J.M., Aranzabe, E. and Vilas, J.L., Effect of different types of electrospun polyamide 6 nanofibres on the mechanical properties of carbon fibre/epoxy composites, Polymers, 10, 1190, 2018.

4.Mamun, A., Blachowicz, T., Sabantina, L., Electrospun nanofiber mats for filtering applications—Technology, structure and materials, Polymers, 13, 1368, 2021.

5.Lin, T., Nanofibers: Production, properties and functional applications, BoD–Books on Demand, 2011.

6.Balamurugan, R., Sundarrajan, S., Ramakrishna, S., Recent trends in nanofibrous membranes and their suitability for air and water filtrations, Membranes, 1, 232-248, 2011.

7.Wang, Y., Di, J., Wang, L., Li, X., Wang, N., Wang, B., Tian, Y., Jiang, L. and Yu, J., Infused-liquid-switchable porous nanofibrous membranes for multiphase liquid separation, Nat. Commun., 8, 1-7, 2017.

8.Ma, L., Dong, X., Chen, M., Zhu, L., Wang, C., Yang, F. and Dong, Y., Fabrication and water treatment application of carbon nanotubes (CNTs)-based composite membranes: a review, Membranes, 7, 16, 2017.

9.Liao, Y., Loh, C.-H., Tian, M., Wang, R., Fane, A. G., Progress in electrospun polymeric nanofibrous membranes for water treatment: Fabrication, modification and applications, Prog. Polym. Sci., 77, 69-94, 2018.

10.Shen, Y., Li, D., Wang, L., Zhou, Y., Liu, F., Wu, H., Deng, B. and Liu, Q., Superelastic polyimide nanofiber-based aerogels modified with silicone nanofilaments for ultrafast oil/water separation, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 20489-20500, 2021.

11.Mousavi A., Nabavi, S. R., Preparation, characterization and properties of a novel electrospun polyamide-6/chitosan/graphene oxide composite nanofiber, J. Polym. Environ., 30, 3934–3948, 2022.

12.Navarro-Pardo, F., Martinez-Hernandez, A. L., Velasco-Santos, C., Carbon nanotube and graphene-based polyamide electrospun nanocomposites: a review, J. Nanomater., 2016, 3182761, 2016.

13.Ghane, N., Mazinani, S., Gharehaghaji, A., Comparing the performance of electrospun and cast nanocomposite film of polyamide-6 reinforced with multi-wall carbon nanotubes, J. Plast. Film Sheeting, 35, 45-64, 2019.

14.Guan, X., Zheng, G., Dai, K., Liu, C., Yan, X., Shen, C. and Guo, Z., Carbon nanotubes-adsorbed electrospun PA66 nanofiber bundles with improved conductivity and robust flexibility, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 14150-14159, 2016.

15.Saeed, K., Park, S.-Y., Haider, S., Baek, J.-B., In situ polymerization of multi-walled carbon nanotube/nylon-6 nanocomposites and their electrospun nanofibers, Nanoscale Res. Lett., 4, 39-46, 2009.

16.Matulevicius, J., Kliucininkas, L., Martuzevicius, D., Krugly, E., Tichonovas, M., Baltrusaitis, J., Design and characterization of electrospun polyamide nanofiber media for air filtration applications, J. Nanomater., 2014, 14, 2014.

17.Ferreira, S.C., Bruns, R.E., Ferreira, H.S., Matos, G.D., David, J.M., Brandão, G.C., da Silva, E.P., Portugal, L.A., Dos Reis, P.S., Souza, A.S. and Dos 18.Santos, W.N.L., Box-Behnken design: an alternative for the optimization of analytical methods, Anal. Chim. Acta, 597, 179-186, 2007.

19.Gobi, N., Priyanka, V., Monnisha, G., Surface modified polyacrylonitrile/polyamide nanofibre composite for air filtration, Polym. Polym. Compos., 30, 09673911221095998, 2022.

20.He, H., Wang, Y., Farkas, B., Nagy, Z. K., Molnar, K., Analysis and prediction of the diameter and orientation of AC electrospun nanofibers by response surface methodology, Mater. Des.,194, 108902, 2020.

21.قلی پور کنعانی ع. و دهقان ف.، ساخت و مشخصهیابی نانوالیاف پلی‌کاپرولاکتون-پلی اتیلن-گلایکول حاوی عصاره بابونه برای کاربرد ترمیم زخم، علوم و فناوری نساجی و پوشاک، 10، 20-33، 1400.

22.خواص م.، زایر الحسینی م.، توانایی م.ع.، محمدی گوری، ا.، مطالعه مورفولوژی نانو الیاف پلی آمید ۶ الکتروریسی شده به‌روش جت تک نازله و دو نازله دوسویه، علوم و فناوری نساجی و پوشاک، 6، 43-51، 1396.

23.Amini, N., Kalaee, M., Mazinani, S., Pilevar, S., Ranaei-Siadat, S.-O., Morphological optimization of electrospun polyacrylamide/MWCNTs nanocomposite nanofibers using Taguchi’s experimental design, Int. J. Adv. Manuf., 69, 139-146, 2013.

24.Navarro-Pardo, F., Martínez-Barrera, G., Martínez-Hernández, A.L., Castaño, V.M., Rivera-Armenta, J.L., Medellín-Rodríguez, F. and Velasco-Santos, C., Effects on the thermo-mechanical and crystallinity properties of nylon 6, 6 electrospun fibres reinforced with one dimensional (1D) and two dimensional (2D) carbon, Materials, 6, 3494-3513, 2013.

25.عابدی ح.،  روستایی ع.، سنتز غشای نانوالیاف پلی بوتیلن ترفتالات/نانولوله کربنی چند جداره و بررسی کاربرد در گیراندازی 2-کلرواتیل اتیل سولفید، علوم و فناوری نساجی و پوشاک، 9، 20-30، 1399.

26.Baji, A., Mai, Y. W., Wong, S. C., Abtahi, M., Du, X., Mechanical behavior of self-assembled carbon nanotube reinforced nylon 6, 6 fibers, Compos. Sci. Technol., 70, 1401-1409, 2010.

27.Tanaka, K., Jotoku, S., Mukaoku, H., Katayama, T., Dispersion evaluation of carbon nanotube and mechanical properties for carbon nanotube/polyamide 6, WIT Trans. Eng. Sci., 116, 257-263, 2017.

28.Xiang, C., Etrick, N. R., Frey, M. W., Norris, E. J., Coats, J. R., Structure and properties of polyamide fabrics with insect-repellent functionality by electrospinning and oxygen plasma-treated surface coating, Polymers, 12, 2196, 2020.

29.Nasouri K., Valipour, P., Fabrication of polyamide 6/carbon nanotubes composite electrospun nanofibers for microwave absorption application, Polym. Sci. A., 57, 359-364, 2015.

30.Guan, X., Zheng, G., Dai, K., Liu, C., Yan, X., Shen, C. and Guo, Z., Carbon nanotubes-adsorbed electrospun PA66 nanofiber bundles with improved conductivity and robust flexibility, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 14150-14159, 2016.