نانو الیاف و تکنیک های مختلف تولید آن – بخش نخست

نانوالیاف

به طور کلی لفظ نانوالیاف به آن دسته الیافی اطلاق می شود که دارای قطری به اندازه 100نانومتر یا کمتر هستند.نانو الیاف به موجب برخورداری از ویژگی های منحصر به فردی همچون نسبت سطح به حجم بالا ، وجود منافذ بسیار ریز و همچنین خواص مکانیکی بسیار عالی ، شدیدا مورد توجه هستند و بر همین اساس ، گستره وسیعی از کاربردهای متفاوت را پوشش می دهند.

نانو الیاف موادجامد خطی انعطاف پذیر با نسبت طول به قطر Aspect Ratio بزرگتر از ۱۰۰۰ به ۱ هستند. مطابق تعریف National Science Foundation نانومواد ، موادی اند که قطر کمتر یا برابر ۱۰۰نانومتر داشته باشند. طبق این تعریف ، نانو الیاف ، الیافی با قطر کمتر و یا برابر ۱۰۰نانومترند. تعابیر دیگری نیز در مورد نانو الیاف وجود دارد ، مثلا در برخی مقالات نانو الیاف با قطر کمتر از ۱ میکرومتر معرفی میشوند. هنگامی که قطر الیاف پلیمری از مقیاس میکرومتر به زیر میکرون یا نانومتر کاهش می یابد ، خواص جالبی از قبیل سطح مخصوص فوق العاده بزرگ ، انعطاف پذیری و کارایی مکانیکی بسیار بالا در مقایسه بسیاری از مواد شناخته شده حاصل می شود .

در میان روش های متفاوتی که تاکنون جهت تولید الیاف فوق ظریف مورد استفاده قرار گرفته است ( مانند تکنیک های کشش Drawing، تولید الیاف توسط قالب Template، تفکیک فاز Phase-Separation، خودآرایی ، ملت بلاون و..)روش الکتروریسی به دلیل سهولت فرآیند و همچنین امکان کاربرد برای اکثر پلیمرها ،سرامیک ها و فلزات ، بیش از سایر تکنیک های مذکور مورد توجه و استفاده بوده است. در اکثر روش های مذکور ،الیاف به صورت یک لایه ایی بی بافت جمع آوری می شوندکه اصطلاحا نانو لایه Nanoweb نامیده می شود.در ادامه به روش های مختلف تولید اشاره می شود:

تولید نانو الیاف به روش ملت بلاون

تکنیک ملت بلاون روشی ساده ، متنوع و تک مرحله ایی برای تولید الیاف زیر میکرو و بسیار ظریف محسوب می شود . در این روش مذاب پلیمری خارج شده از روزنه اسپینرت ، در معرض دمش هوای داغ قرار گرفته و اعمال کشش بر الیاف توسط دمش هوا صورت می پذیرد، سپس الیاف به شکل یک لایه بر روی جمع کننده مدور، جمع آوری می شود.به عبارت دیگر دمش هوای داغ مانند تیغه عمل کرده و پلیمر مذاب را به شکل رشته های ظریفی برش می دهد.بطور کلی قطر متوسط الیاف حاصله به عواملی همچون سرعت تولید ، ویسکوزیته مذاب ، دمای ذوب ، دما و سرعت هوا وابسته است. ویسکوزیته بسیار بالای مذاب پلیمری و عدم توانایی تولید روزنه های بسیار ریز ، عمده ترین مشکلات تولید نانو الیاف به روش ملت بلاون است . بر همین اساس تولید نانو الیاف با تکنیک ملت بلاون ، در گروه طراحی و ساخت روزنه های کوچک ، کاهش ویسکوزیته مذاب پلیمری و بهینه سازی عملکرد دستگاه ملت بلاون است.

سرد شدن آنی الیاف خارج شده از روزنه ، مانعی برای شکل گیری و تولید ایاف است . به همین سبب در تکنیک ملت بلاون از دمش هوای داغ استفاده می شود . به واسطه افزایش دمای هوا می توان ویسکوزیته مذاب را کاهش داد ، ولی این امر می تواند سبب تخریب پلیمر در دماهای بالا شود. بر همین اساس در تکنیک ملت بلاون ، کنترل دمای هوای دمیده شده و سایر پارامترهای فرآیند ، بسیار حائز اهمیت است .

تولید نانو الیاف به روش کشش

جهت تولید نانو الیاف به روش کشش ، یک میکرو پیپت Micro-Pipette با قطری در حدود چند میکرون توسط یک میکرو بازوی مکانیکی به صورت شیبدار و در نزدیکی خط تماس ، وارد قطره ایی از محلول پلیمری می شود . سپس میکرو پیت با سرعتی در حدود 10*1 به توان منفی چهار m/s از محلول خارج شده و به موجب آن ، یک نانو لیف تولید می شود. بیرون کشیدن نانو لیف از قطره ، ناشی از گرفته شدن آن توسط انتهای میکرو پیپت است . عملیات گرفتن و به بیرون کشیدن نانو لیف بر روی هر قطره ، چندین مرتبه تکرار می شود. تبخیر حلال ، سبب افزایش ویسکوزیته در لبه های قطره می شود.

روش کشش برای تولید نانو الیاف از پلیمر های ویسکوالاستیک Viscoelastic که قادر به تحمل تغییر شکل های زیاد هستند و چسبندگی خود را تحت اثر تنش های شدید اعمال شده طی فرآیند کشش حفظ می کنند، بسیار مناسب است . نانو الیاف سیترات سدیم توسط این تکنیک تولید شده است.

تولید نانو الیاف با استفاده از قالب

در این روش همانگونه که از نام آن مشخص است نانو الیاف پلیمری توسط یک قالب تهیه می شوند. قالب مورد استفاده در این روش ، عبارت است از یک غشای اکسید فلزی که درون آن روزنه هایی ایجاد شده و قطر این روزنه ها در ابعاد نانو است . شایان ذکر است که ابعاد روزنه های غشا ، قطر نانو الیاف تولید شده را تعیین می کند.

در فرآیند تولید نانو الیاف با استفاده از قالب ، به موجب اعمال فشار توسط آب و همچنین وجود روزنه ها به عنوان تنها راه خروج پلیمر ، فرآیند اکستروژن صورت می پذیرد و بدنبال آن با ورود پلیمر به یک محلول منعقد کننده ، نانو الیاف تولید می شود.در همین راستا تکنیک دیگری نیز تحت عنوان اکستروژن قالبی مذاب طراحی شده که جهت تولید نانو الیاف از پلیمرهای ترموپلاستیک مورد استفاده قرار می گیرد.در این روش مذاب پلیمری تحت اعمال فشار ، از روزنه های غشایی از جنس اکسید آلومینیوم عبور کرده و سپس تا دمای محیط خنک می شوند. به منظور تحمل فشار وارده ، از یک لایه فولادی جهت نگهداری غشا استفاده می شود. مذاب پلیمری با قرار دادن محفظه حاوی پلیمر بروی یک صفحه داغ تهیه می شود.

تولید نانو الیاف به روش تفکیک فاز

مکانیزم اصلی این روش تفکیک و جداسازی فازها به واسطه ناسازگاری فیزیکی است. طی این روش در گام نخست ، پلیمری را که هنوز منعقد نشده با یک حلال مخلوط کرده و در مرحله بعد ، فرآیند انعقاد صورت می گیرد.در گام آخر یکی از فاز ها که حلال آن استخراج شده است ، فاز باقیمانده دیگر را ترک می کند. از این تکنیک برای تولید نانو الیاف پلی – ال – لاکتیک اسید Poly-L-Lactic acid و ترکیب آن با پلی – کاپرولاکتان ، استفاده شده است. این روش به طور کلی مبتنی بر پنج مرحله به است :

انحلال پلیمر

انعقاد

استخراج حلال

انجماد

خشکاندن انجمادی

تولید نانو الیاف به روش خودآرایی

تکنیک خودآرایی عبارت است از : به کارگیری مولکول های کوچکتر به عنوان .احدهای ساختمانی پایه ، جهت تولید الیاف در مقیاس نانو.

در این روش در ابتدا یک مولکول کوچک در راستای یک مرکز آرایش می یابد و در ادامه به واسطه آرایش یافتگی مولکول های دیگر به سمت همان مرکز ، صفحه ایی حاصل شده که با گسترش این صفحات در امتداد محور طولی ، یک نانو لیف به وجود آمده است. مکانیزم اصلی روش خودآرایی بر مبنای نیروهای بین مولکولی است که واحد هایکوچکتر به یکدیگر اعمال می کنند.

مولکول های مورد استفاده در روش خود آرایی ، غالبا توسط یک روش شیمیایی تحت عنوان سنتز همگرا Convergent synthesis تهیه می شوند. اجرای این روش نیازمند تجهیزات آزمایشگاهی خاصی است و صرفا تعداد اندکی از پلیمرهای قابلیت فرآیند پذیری توسط این تکنیک را دارند.همچنین شکل و خواص نانو الیاف تولید شده ، به نوع مولکول ها و نیروهای بین آنها وابسته است.

تولید نانوالیاف از الیاف دو جزئی

به طور کلی تکنیک تولید نانو الیاف دو جزئی ، مشتمل بر دو مرحله است. در مرحله نخست ، دو پلیمر مختلف توسط ی رشته ساز به شکل های متفاوتی همچون جزیره در دریا Island in sea ، پهلو به پهلو Side by side، پوسته – مغزی Sheath-coreو کیک برش خورده Segmented pie Structure ریسیده می شوندو در مرحله بعد یکی از دو پلیمر به کار رفته ،از ساختار حذف می شود .علی رغم اینکه تولید الیاف دو جزئی با اشکل و سطح مقطع های مختلف در ابعاد میکرو با روش های موجود امکان پذیر است ، تولید نانو الیاف توسط این روش ها شدیدا چالش برنگیز است . به عنوان مثال ، تولید لایه بی بافت از الیاف دو جزئی جزیره در دریا (نایلون 6 جز جزیره و پلی لاکتیک اسید جز دریا را تشکیل داده است) به روش اسپان باند گزارش شده که با از بین بردن جز دریا به واسطه حل کردن آن در یک حلال مناسب ، ساختار نانو الیاف حاصل شده است.

بدین ترتیب می توان نانو الیاف را از طریق تهیه الیاف دو جزئی و حذف یک جز پلیمری آن تهیه کرد.از جانب دیگر تحقیقات متعددی در زمینه تولید نانو الیاف دو جزئی پوسته – مغزی به روش الکتروریسی و استفاده از دو لوله موئین متحدالمرکز ، صورت پذیرفته است.نانو الیاف دو جزئی پوسته مغزی از پتانسیل بالایی جهت کاربرد در حسگرهای حرارتی و کامپوزیت های مبتنی بر مواد تغییر فاز دهنده برخوردار هستند.

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