نانو الیاف و تکنیک های مختلف تولید آن بخش سوم

الکتروریسی حبابی

این روش امکان توید نانو الیاف به صورت انبوه را فراهم می سازد ، سیستم الکتروریسی حبابی Bubble electrospinning متشکل از یک منبع جریان مستقیم با ولتاژ بالا ، یک پمپ گاز ، یک مخزن روباز عمودی جهت نگهداری مایعات ، یک لوله گاز که در قسمت مرکزی و کف مخزن قرار گرفته، یک الکترود نازک فلزی که در امتداد خط مرکزی لوله گاز واقع شده و یک جمع کننده است.لوله گاز و الکترود ، به داخل کف مخزن فرو رفته اند و به ترتیب به پمپ گاز و منبع جریان مستقیم متصل هستند.

مشابه با آنچه در فرآیند الکتروریسی متداول رخ می دهد، جت پلیمری در این روش نیز مرحله ناپایداری را به نمایش می گذارد.شایان ذکر است تعداد حباب ها به عواملی همچون فشار گاز ، ویسکوزیته محلول ، قطر لوله مویین و فاصله عمودی بین نوک لوله موئین تا سطح مایع بستگی دارد.

الکترودمش

تکنیک الکترو دمش ElectroBlowing تلفیقی از فرآیند الکتروریسی متداول با دمش هواست .این روش مشتمل بر مراحل تهیه پلیمر از طریق حل کردن آن در یک حلال مناسب ، تغذیه محلول پلیمری به درون نازل ریسندگی که ولتاژ بالایی به آن اعمال شده ، تزریق هوای فشرده به قسمت تحتانی نازل ریسندگی و در نهایت جمع آوری لایه الیاف بر روی یک صفحه جمع کننده است.

مشابه با آنچه در فرآیند الکتروریسی متداول رخ می دهد، جت پلیمری در این روش نیز مرحله ناپایداری را به نمایش می گذارد.شایان ذکر است تعداد حباب ها به عواملی همچون فشار گاز ، ویسکوزیته محلول ، قطر لوله مویین و فاصله عمودی بین نوک لوله موئین تا سطح مایع بستگی دارد.

الکترودمش

تکنیک الکترو دمش ElectroBlowing تلفیقی از فرآیند الکتروریسی متداول با دمش هواست .این روش مشتمل بر مراحل تهیه پلیمر از طریق حل کردن آن در یک حلال مناسب ، تغذیه محلول پلیمری به درون نازل ریسندگی که ولتاژ بالایی به آن اعمال شده ، تزریق هوای فشرده به قسمت تحتانی نازل ریسندگی و در نهایت جمع آوری لایه الیاف بر روی یک صفحه جمع کننده است.

در این تکنیک دو نیروی الکتریکی و تنش برشی ناشی از دمش هوا ، به صورت همزمان در تولید نانو الیاف از ماده پلیمری دخیل هستند . این روش امکان بهره گیری از هردو نوع پلیمر های ترموپلاست و ترموست جهت تولید الیاف را فراهم می سازد.ساختار و قطر الیاف تولید شده به این روش ، تحت تاثیر عواملی همچون سرعت دمش هوا ، شدت میدان الکتریکی ، غلظت پلیمر ، نرخ تغذیه و نوع جمع کننده قرار دارد.تاکنون گزارش های متعددی مبنی بر استفاده از این روش جهت تولید نانو الیاف از پلیمرهای مختلفی همچون پلی اکریلونیتریل ، پلی پروپیلن، پلی آمید ، پلی استر ، پلی اولفین ها ، پلی آریل اکساید، استر و اتر سلولز، پلی متیل متاکریلات ، پلی استایرن ، پلی وینیلیدین فلوراید و پلی وینیل الکل ارائه شده است.

الکتروریسی توسط لوله های توخالی متخلخل

واراباس و همکارانش به منظور ارتقای فرآیند الکتروریسی ، لوله ایی از جنس پلی تترا فلوئورو اتیلن را مورد استفاده قرار دادند.این لوله دارای روزنه هایی با قطر متوسط 20 الی 40 میکرومتر است که بصورت افقی آرایش یافته اند. همچنین سوراخ هایی با قطر 0.5 میلیمتر و عمق یک میلیمتر با فواصل 1 سانتیمتر از یکدیگر در دو ردیف به موازات محور لوله و در زیر آن ایجاد شده است.

جهت یکسان نگه داشتن پتاسنیل بار الکتریکی در مجورت هر سوراخ ، درون لوله از یک سیم مربع شکل مشبک استفاده شده که فاصله بین سیم ها ، 5 میلیمتر است . لوله متخلخل ، درون قابی از جنس پلی وینیل کلراید که با فاصله 12 تا 15 سانتیمتر در بالای یک صفحه جمع کننده نصب شده معلق است.در حین فرآیند الکتروریسی ، هر سوراخ یک جت تولید می کند که در نهایت به فرم لیف در خواهد آمد.پس از آنکه جت فاصله ایی در حدود چند سانتیمتر را طی کرد ، ناپایداری خمشی بر فرآیند غالب شده و جت بصورت مارپیچ به مسیر خود ادامه می دهد.نرخ تولید توسط این روش ، 30تا50 برابر بیشتر از سیستم الکتروریسی تک سوزنه است و عوامی همچون تعداد ردیف سوراخ ها، فاصله بین سوراخ ها و هندسه صفحه جمع کننده ، بر میزان تولید تاثیر مستقیم دارد.

الکتروریسی منیفلدی میکروفلوئیدی

سریواستائا و همکارانش به منظور تولید نانو الیاف چند جزئیو ارتقای میزان تولید در فرآیند الکتروریسی ، یک سیستم میکروفلوئیدی را طراحی کردند.در این تکنیک برای تولید نانو الیاف ، از یک دستگاه چند لایه میکرو فلوئیدی بر پایه پلی دی متیل سیلوکسان با قابلیت ریسندگی چندین لیف تو خالی به صورت موازی استفاده شده است. دولایه از میکرو کانال ها (چهار رشته سار در هر لایه) برای جریان یافتن محلول پلی وینیل پیرولیدون به عنوان پلیمر پوسته در لیف چند جزئی ، مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین ردیفی از رشته سازها به منظور تولید مغزی الیاف ( از جنس روغن های سنگین معدنی یا پیرول) به کار گرفته شده است . هر یک از هشت رشته ساز خروجی ، دارای دولایه از میکرو کانال های غیر متقاطع به شکل شاخه ای هستند.محلول پلیمر پوسته به میکرو کانال های پایینی و پلیمر مغزی به میکرو کانال های بالایی وارد می شود.

تاریخچه تولید نانو الیاف توسط الکتروریسی با استفاده از سیستم غلتکی به دهه1980 میلادی باز میگردد.چنگیز و جیرساک ، تاثیر نمک تترا اتیل آمونیوم برماید را بر الکتروریسی غلتکی پلی اورتان مورد بررسی قرار دادندو سیستم الکتروریسی غلتکی دارای یک سیلندر دوار جهت ریسندگی مستقیم نانو الیاف از محلول پلیمری است . مکانیزم عملکرد سیستم بدین صورت است که غلتک دوار آلومینیومی درون محلول پلی اورتان غوطه ور شده و ولتاژ بالایی به آن اعمال می شود. همچنین جمع کننده ها متصل به زمین هستند.

الکتروریسی مذاب

به طور کلی اجزای الکتروریسی مذاب ، مشابه با دستگاه الکتروریسی محلول پلیمری است و تنها وجه تمایز آن ، وجود قسمتی جهت دوب کردن پلیمر است. پلیمرهایی که در فرآیند الکتروریسی مذاب مورد استفاده قرار می گیرند را می توان توسط تکنیک های متفاوتی همچون آون حرارتی ، تفنگ های حرارتی ، تابش لیزر و یا حرارت دهی الکتریکی ذوب کرد.

تاکنون تحقیقات بسیاری در زمینه الکتروریسی مذاب پلیمر های پلی لاکتیک اسید ، پلی لاکتاید ، پلی پروپیلن ، پلی اتیلن ترفتالات و پلی کاپرو لاکتان گزارش شده است.تولید الیاف با قطر کمتر از میکرون توسط پروسه الکتروریسی مذاب ، تحت تاثیر پارامترهایی همچون اندازه نازل ، دمای رشته ساز ، وزن مولکولی پلیمر ، ویسکوزیته و سرعت جاری شدن مذاب پلیمری قرار دارد.

به طور کلی اجزای الکتروریسی مذاب ، مشابه با دستگاه الکتروریسی محلول پلیمری است و تنها وجه تمایز آن ، وجود قسمتی جهت دوب کردن پلیمر است. پلیمرهایی که در فرآیند الکتروریسی مذاب مورد استفاده قرار می گیرند را می توان توسط تکنیک های متفاوتی همچون آون حرارتی ، تفنگ های حرارتی ، تابش لیزر و یا حرارت دهی الکتریکی ذوب کرد.

تاکنون تحقیقات بسیاری در زمینه الکتروریسی مذاب پلیمر های پلی لاکتیک اسید ، پلی لاکتاید ، پلی پروپیلن ، پلی اتیلن ترفتالات و پلی کاپرو لاکتان گزارش شده است.تولید الیاف با قطر کمتر از میکرون توسط پروسه الکتروریسی مذاب ، تحت تاثیر پارامترهایی همچون اندازه نازل ، دمای رشته ساز ، وزن مولکولی پلیمر ، ویسکوزیته و سرعت جاری شدن مذاب پلیمری قرار دارد.

تکنیک الکتروریسی مذاب نسبت به الکتروریسی محلول از مزایایی برخوردار است که از بین آنها می توان به عدم نیاز به بازیابی حلال های سمی ، تولید خالص بیشتر به دلیل عدم کاهش وزن ناشی از تبخیر حلال و سهولت فرآیند تولید اشاره کرد. از جانب دیگر این روش برای پلیمر هایی که در دمای محیط دارای حلال مناسب نیستند مانند پلی اتیلن ، پلی پروپیلن و پلی اتیلن ترفتالات ایده آل است.

روش الکتروریسی مذاب علیرغم برخورداری از مزایای فوق ، معایبی نیز دارد که از میان آنها می توان به مشکلات تخلیه بار  الکتریکی در مذاب پلیمری و کم بودن رسانایی مواد در حال مذاب اشاره کرد. همچنین به دلیل بالا بودن ویسکوزیته پلیمرها در حالت مذاب و جامد شدن سریع لیف در حد فاصل میان نوک سوزن و جمع کننده ، تولید الیاف با قطر کمتر از میکرون به روش الکتروریسی مذاب با مشکلاتی همراه است.

تولید نانو الیاف از طریق اعمال نیرو

 در تکنیک تولید الیاف از طریق اعمال نیرو که اخیرا مورد توجه و کاربرد قرار گرفته است، نیروی گریز از مرکز جایگزین میدان الکتریکی مورد استفاده در روش الکتروریسی شده است.به بیان ساده ، مکانیزم این روش مشابه فرآیند تولید پشمک های خوراکی است . تکنیک تولید نانو الیاف از طریق اعمال نیرو ، مشتمل بر حرارت دادن مواد سازنده الیاف و چرخش این مواد گرم شده با سرعت بسیار زیاد است ( در حضور حداقل یک نازل) به منظور تولید نانو الیاف است.کنترل ساختار و هدسه نانو الیاف تولیدی به عواملی همچون سرعت دوران ماده گرم شده ، ساختار نازل ، سیستم جمع کننده و میزان حرارت دهی وابسته است.

همچنین استفاده از این روش ، محدودیت های فرآیند الکتروریسی از جمله نیاز به تامین میدان الکتریکی قوی ، راندمان پایین عملیات و قیمت بالای محصول را در پی نخواهد داشت.از جانب دیگر به کارگیری این روش ، امکان تولید نانو الیاف از طیف گسترده ای از مواد را فراهم می سازد. حتی در مورد برخی از مواد می توان آنها را ذوب کرده و مستقیما به شکل لیف رسید.کما اینکه کاربرد این روش ، مشکلات مربوط به بازیابی و خطرات ناشی از مصرف حلال ها را نیز بدنبال نخواهد داشت.

دانلود فیلم الکتروریسی مذاب 

منابع و اطلاعات بیشتر :

Nanotechnology in Textile/Sima Habibi,Seyyed Hesamoddin Hashemi
نگرشی بر اصول و فناوری تولید / احمد موسوی شوشتری، مهدی حسن زاده، کمیل نصوری،هادوی مقدم

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *