برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۴/۲۱ تا ۱۳۹۹/۰۴/۲۷

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۳,۲۹۷
  • بازدید این ماه ۲۱۵
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۶۶
  • قبول شدگان ۲۳۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۵۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مقدمه‌ای بر نانوالیاف

نانوالیاف گستره متنوعی از نانومواد رشته‌ای شکل هستند که در جامع‌ترین تعریف، قطر آن‌ها نانومتری است (1 تا 1000 نانومتر). درست است که ایده‌های زیادی برای تولید الیاف آن هم در ابعاد نانومتری وجود دارد، اما همه این ایده‌ها قابل پیاده‌سازی یا تجاری‌سازی نیستند. برای تولید نانوالیاف به روش‌های تجاری، در حال حاضر دو روش مهم الکتروریسی و چگالش از فاز بخار وجود دارد. اولویت این روش‌ها امکان‌پذیری بیشتر آن‌ها در مقایسه با روش‌های متنوع دیگری است که علی‌رغم پیشرفت چشمگیر به نقطه مطلوب تجاری نرسیده‌اند. نانوالیاف الکتروریسی شده (Electrospinning) و نانوالیاف نانولوله (vapor grown carbon fibers) به‌عنوان دو دسته اصلی از نانوالیاف کاربردی شناخته شده‌اند که می‌توانند کاربردهای بسیار گسترده‌ای در بخش‌هایی با عملکرد استحکامی، عایقی، الکتریکی، فیلتری و پزشکی داشته باشند. کنترل بالای شکل الیاف و تنوع بالا، هم در مواد اولیه و هم در شکل نهایی از خصوصیات روش الکتروریسی است و خواص بسیار خوب مکانیکی و حرارتی و الکتریکی با هزینه پایین از خصوصیات اصلی نانوالیاف نانولوله است.

1- مقدمه
با یک سوال ساده شروع کنیم. چطور می‌توان رشته‌های بلند را ساخت و چه کار باید کرد که قطر این رشته‌ها تا جای ممکن کمتر شود و حتی تا مرزهای نانومتری هم برسد؟ در واقع چطور می‌توان نانوالیاف تولید کرد؟ اگر تمام نقطه نظرات منطقی را جمع کنیم متوجه می‌شویم که پاسخ بخشی از این سؤال در فنون ریسندگی (Spinning) یافت می‌شود. اسپینینگ در مهندسی نساجی دو بار معنایی کاملاً متفاوت دارد که یکی به تولید الیاف یا رشته‌های بلند اطلاق می‌شود و دیگری به ریسیدن نخ از الیاف استیپل (کوتاه) مثل پنبه و پشم ارتباط دارد. امروز هر دو معنا در فناوری نانو وجود دارد و الیاف هم به روشی تولید می‌شود که مبنای آن اسپینینگ به معنای تولید الیاف نانو و همچنین اسپینینگ به معنای تولید نخ‌های نانو است [1].

2- معرفی نانوالیاف
علی‌رغم وجود تعاریف متعدد از نانوالیاف، در مجموع نانوالیاف نانوموادی یک بعدی تعریف می‌شوند که قطر کمتر از 1 میکرومتر (1000 نانومتر) و نسبت منظر (نسبت طول به قطر) بزرگتر از 100 دارند. این الیاف در برخی منابع الیاف فوق ظریف (سوپرفاین یا فوق ظریف Superfine or Ultrathin) نیز خوانده شده‌اند. وقتی الیاف در محدوده 100 تا 1000 نانومتر قطر داشته باشند به آن‌ها الیاف ساب‌میکرون هم اطلاق می‌شود [2]. در قطر بین 5 تا 500 نانومتر، نانوالیاف مساحت سطحی بین 10 تا 1000 مترمربع بر گرم دارند.

3- روش‌های مستعد تولید نانوالیاف
اگر بخواهیم چند تکنیک متداول و چند ایده جدید را برای تولید نانوالیاف معرفی کنیم، پیشنهادهایی مثل موارد زیر به ذهن می‌رسد:
• یک ایده ساده برای تولید الیاف این است که از یک رشته میکرومتری بلند، اتم به اتم لایه‌برداری کنیم تا قطر آن نانومتری شود. این ایده شدنی اما بسیار دشوار به نظر می‌رسد.
• یک ایده این است که مثل رشته‌های ماکارونی و فالوده، یک محلول را از روزنه‌های باریک رد کنیم. همان کاری که حدیده‌ها برای شکل‌دهی فلزات انجام می‌دهند. این ایده را به نظر می‌توان اجرایی کرد.
• یک ایده دیگر این است که یک ماده نرم را که هنوز تثبیت نشده، تحت کشش مکانیکی قرار دهیم و در حالت کشیده و نانومتری آن را تثبیت کنیم. معمولاً این ایده با ایده قبلی همراه است.
• ایده دیگر ایجاد یک روزنه باریک و بلند درون یک قالب است که یک ماده درون آن ریخته شده و سخت می‌شود و در انتها قالب حذف می‌گردد.
• ایده دیگر چینش اتم به اتم و ایجاد الیاف است. این ایده با نام خودسامانی هم تحقق یافته است.

ایده‌های فوق مورد بررسی قرار گرفته و بررسی‌ها نشان‌دهنده آن است که تولید یک رشته نازک با روش‌های مختلف شدنی است، ولی هر روش محدودیت‌های خاص خود را دارد. مثلاً کشش مکانیکی یک رشته تنها برای تولید رشته‌های میکرومتری قابل استفاده است ولی برای قطرهای زیر میکرومتری و نانومتری کشش به پاره‌شدن رشته منتهی می‌شود.
از حیث دیگر انجام برخی ایده‌ها از پارامتر سرعت و کیفیت و قیمت مناسب برخوردار نیستند. این سه مورد اهمیت بسیار بالایی در کاربرد مواد دارند و برخی روش‌ها را حذف می‌کنند. برای مثال روش حذف قالب با استفاده از قالب‌های نانومتری مانند آلومینای متخلخل آندایز شده که در مقالات مواد نانومتخلخل و آندایزینگ شرح داده شده و برای تولید آرایه منظمی از نانولوله‌ها و نانوسیم‌ها استفاده می‌شود، ممکن است بتواند نانوالیاف تولید کند اما این امر، مرحله‌ای دیگر را به فرایند ساخت اضافه می‌کند که فرایند را طولانی و دشوار خواهد کرد.

4- معرفی روش‌های تحقق یافته تولید نانوالیاف
مبحث نانوالیاف یا Nanofibers معرف بخش وسیعی از فناوری نانو است که با الیاف نانومتری و زیرمیکرومتری ارتباط دارد. در پاسخ به سؤال «الیاف نانو چطور تولید می‌شود؟» باید گفت: در کنار روش‌های پایین به بالا مانند CVD، هر روشی که بتواند از راهی مقرون به صرفه، در عین وارد کردن یک نیروی کشش‌دهنده به سیال، آن‌قدر کشش را بالا ببرد که الیاف پاره نشود و در زمان مناسب انعقاد مذاب یا محلول را انجام دهد، می‌تواند روشی مناسب برای تولید از بالا به پایین نانوالیاف باشد.
با همه محدودیت‌ها، روش‌های متعددی برای تولید نانوالیاف تحقق یافته که روش CVD، روش خودسامانی، روش کشش، روش تولید با قالب غشایی قابل حذف [3]، روش دمش مذاب [4]، روش ریسیدن سریع (flash spinning) [5] و ریسندگی دوجزیی و چندجزیی [6] شامل تکنیک‌های جداسازی فازی و جزیره در دریا، روش رشد بین سطحی و الکتروریسی با تکنیک‌های متنوع از این روش‌ها هستند [2]. اما شناخته‌شده‌ترین روش در بین این روش‌ها الکتروریسی است. مقالات کاملی برای تشریح روش‌های متنوع به چاپ رسیده است که در یکی از آن‌ها الف- 9 تکنیک الکتروریسی (1- روش پایه، 2- مذابی، 3- روکش گازی، 4- حبابی 5- مغناطیسی، 6- به هم پیوسته، 7- دوجزیی (مغزی و پوسته، جزیره در دریا، جداسازی فازی)، 8- بدون سوزن و 9-سانتریفیوژی)، ب- ریسندگی سانتریفیوژی (و روش جدیدتر ریسندگی با نام تجاری «فورس اسپینینگ» که نیروی هیدرولیک را هم در بردارد)، ج- ترریسی، د- روش کشش ه- روش استفاده از تمپلیت یا قالب، و- روش خودسامانی و ز- روش بین سطحی به‌طور مجزا دسته‌بندی و شرح داده شده است [7]. در مقالات بعد این روش‌ها تشریح شده است.
روش چگالش بخار گاز که به CVD معروف است، نانوالیاف را اتم به اتم تولید می‌کند. نانوالیاف تولید شده با این روش عموماً کربنی است. روش خودسامانی (خودآرایی هم اطلاق می‌شود) نانوالیاف را مولکول به مولکول از محلول ایجاد می‌کند. ریسندگی مغزی و پوسته می‌تواند دو پلیمر مجزا را وارد ساختار الیاف کند. به کمک این تکنیک و حذف یک پلیمر در ادامه فرایند، می‌توان الیاف توخالی یا مغزی‌دار ایجاد کرد [8]. روش‌های جداسازی فازی و جزیره در دریا (موسوم به Island in sea) تکنیک‌های مرسومی برای تولید الیاف ظریف هستند که مهمترین تفاوت آن‌ها تفاوت در طراحی اسپینرت‌های ریسندگی (روزنه ریسندگی) آن‌ها است. الیاف جزیره در دریا تعداد بیشتری کانال درون الیاف دارند. این تکنیک (تکنیک ایجاد حفره) که در تولید نانوالیاف هم استفاده می‌شود، علاوه بر اثر مؤثر بر کاهش وزن، در بالابردن راحتی لباس نیز مؤثر است [9]. در ادامه با بحث کوتاهی از جنس نانوالیاف، روش الکتروریسی را به‌عنوان مهمترین روش بررسی می‌کنیم.

5- جنس نانوالیاف
جنس الیاف در روش تولید نانوالیاف اهمیت بسیاری دارد. در اکثر موارد نانوالیاف الکتروریسی شده از جنس پلیمری هستند اما این دلیل بر آن نیست که تولید نانوالیاف از جنس غیرپلیمری ممکن نیست.
الیاف شیشه امکان الکتروریسی دارند و در الکتروریسی مذاب قابلیت تولید نانوالیاف دارند. در روشی با نام کرتاک (Kertak) SiO2 به نانوالیاف تبدیل شده است [10]. بیشتر مواد سرامیکی مانند آلومینا و تیتانیا می‌توانند از نانوالیاف به‌عنوان زیرلایه استفاده کنند و نانوالیاف تولید کنند. با حذف ماده پلیمری این مواد توان نانوالیاف توخالی را هم تولید کرد. آن‌چه که مسلم است آن است که برای تولید برخی نانوالیاف از جنس سرامیکی استفاده از الکتروریسی به‌طور مستقیم غیرممکن است ولی این روش به‌عنوان واسطه در تولید نانوالیاف سرامیکی استفاده می‌شود. تولید نانوالیاف سرامیکی از سایر روش‌های تولید نانومواد مانند الکتروشیمیایی به نظر توجیه اقتصادی ندارد. غیر از مواد سرامیکی، نانوالیاف به کمک روش‌های ویژه خود می‌توانند از جنس کربنی و گرافیتی نیز باشند.

6- الکتروریسی
در صنعت راه تجاری و پیشرفته تولید نانوالیاف، استفاده از نیروی الکتریسیته ساکن است که کشش بالایی را به سیال اعم از مذاب یا محلول (melt and solution) پلیمری وارد کرده و بعد از کشیده شدن، آن را به حالت تثبیت شده (خشک، بدون حلال و جامد) می‌رساند. در این نوع کشش الیاف می‌توانند تا قطر نانومتری ثبات خود را حفظ کنند. به این روش ساده و تجاری شده الکتروریسی می‌گویند. شکل 1 تصویری از عناصر پایه دستگاه‌های الکتروریسی است.
در تولید نانوالیاف با محوریت الکتروریسی تلاش‌های خلاقانه منجر به دستکاری پارامترهای فرایند و تولید الیاف جدید شده است. تغییر شکل نازل، پارامترهای فرایندی و متغیرهای جمع‌کننده می‌تواند منجر به تولید الیافی با شکل‌های متنوع شود. در شکل زیر برخی از این عوامل نمایش داده شده است.

filereader.php?p1=main_4c68cea7e58591b57
شکل 1- عوامل تأثیرگذار بر شکل نانوالیاف نهایی [11]
7- نمونه‌های نوآوری در الکتروریسی
محصول فرایند عادی و متداول الکتروریسی یک صفحه مسطح است که در آن الیاف جهت‌گیری تصادفی دارند. اما با نوآوری‌ها و روش‌های مختلف کار شده، امکان جهت‌دهی به الیاف وجود دارد و حتی از نانوالیاف نخ هم ریسیده شده است [12]. امکان تولید شکل متنوعی از الیاف نانو مانند الیاف توخالی، الیاف چندجزیی و مشابه آن ایجاد شده است. بیشتر کارهای جدید شامل تغییر و کار بر روی روش‌های برداشت بوده است.
امروزه روش‌های زیادی مثل «فورس اسپینینگ»، الکتروریسی سانتریفیوژی (گریز از مرکز)، الکتروریسی بدون سوزن (needleless) و مشابه آن برای تولید نانوالیاف وجود دارد که نوآورانه سرعت تولید الکتروریسی را تغییر داده‌اند. این روش‌ها را در مقالات بعد شرح خواهیم داد.

filereader.php?p1=main_a2ef406e2c2351e0b
شکل 2 - الکترود 20 سانتیمتری الکتروریسی بدون سوزن (المارکو)- چهار نوع اسپینرت بدون سوزن و توزیع شدت میدان برای هر روش [2]

در بسیاری از کاربردها مانند عایق‌های صوتی و فیلترها، نانوالیاف در بستری از یک لایه نمدی و بی‌بافت (nonwoven) می‌نشینند و در همان فرایند تولید این نمدهای رایج تعدادی نازل الکتروریسی تعبیه شده است. در شکل زیر نحوه تلفیق فرایند الکتروریسی در یک پنل عایق صوتی نشان داده شده است [13]. ماشین کاردینگ یک شانه اتوماتیک است که الیاف را در یک جهت شانه می‌کند و الیاف خیلی ریز را از بقیه جدا می‌کند و یک لایه با ضخامت قابل تنظیم تولید می‌کند، بعد از الکتروریسی نانوالیاف در قسمت تجمیع این لایه‌ها با زاویه‌ای معین نسبت به جهت تولید روی هم قرار می‌گیرند. آون شرایط اتصال مواد را فراهم و یک لایه محکم تولید می‌کند.

filereader.php?p1=main_e45ee7ce7e88149af
شکل 3- فرایند تولید یک عایق صوتی با پوشش نانوالیاف [13]

8- تکنیک‌های آرایش‌دهی الیاف
برای استفاده حداکثری از استحکام الیاف، یا به ضرورت‌های کاربردی مانند لزوم هدایت جریان حرارتی یا الکتریکی از یک جهت خاص یا در پزشکی لزوم تشکیل و ساماندهی سلول‌های بافت در یک جهت، لازم است لایه متشکل از الیاف تصادفی که در یک فرایند عادی الکتروریسی تولید می‌شود نظم پیدا کند. بدین منظور تکنیک‌های متعددی ایجاد شده که با کنترل میدان الکتریکی، سیستم برداشت، تغییرات در فرایند الکتروریسی و شگردهای دیگر، الیاف را به‌صورت منظم در می‌آورد. در تصویر زیر نمونه‌هایی از این تکنیک‌ها آورده شده است.

filereader.php?p1=main_7d0665438e81d8ece
شکل 4- تکنیک‌های آرایش‌دهی الیاف [2] و [14]

9- نانوالیاف کربنی لوله‌ای شکل
نانولوله‌های کربنی (CNT) تک دیواره و چند دیواره در کنار نانوالیاف کربنی رشد داده شده از فازبخار (CNF) مواد بسیار مناسبی برای تقویت کامپوزیت‌ها هستند. هرچند CNF ساختار و در نتیجه خواص کاملی در حد نانولوله‌های کربنی ندارند، اما می‌توانند جایگزین مناسبی برای CNT به‌عنوان افزودنی باشد، چراکه تولید انبوه این نانوالیاف، مصرف آن‌ها در کاربردهای صنعتی را توجیه می‌کند.
یکی از این روش‌ها تولید نانوالیاف لوله‌ای شکل از روش چگالش از فاز بخار است (مقاله نانوالیاف کربنی) و در آن اتم‌های کربن در یک فرایند رشد، نانوالیاف لوله‌ای شکل را ایجاد می‌کنند. باید گفت امروزه محصولاتی وجود دارند که توانسته‌اند با هزینه کم رقیب جدی نانولوله‌ها در برخی کاربردها باشند. نانوالیاف کربنی لوله‌ای شکل، کم قیمت و خالص و بسیار نزدیک به حالت ایده‌آل گرافیتی هستند. نانوالیاف ذکر شده با قطر 70 و 200 نانومتر و طول 50 تا 200 میکرومتر وجود دارد که از نظر قطر از الیاف کربن (5 تا 10 میکرومتر) بسیار کمتر و از نانولوله‌های کربنی (1 تا 10 نانومتر) بیشتر است.
این نانوالیاف کربنی، شکلی شبیه به مخروط‌های روی هم دارند. شکل این الیاف در نانومواد دیگر وجود ندارد و ساختاری لوله‌ای با صفحات گرافیتی زاویه دار ایجاد می‌کند. این زاویه مکان‌های جانبی زیادی ایجاد می‌کند که در تمام رشته وجود دارند و به شدت فعال هستند و اصلاح شیمیایی سطح الیاف برای حصول حداکثر استحکام مکانیکی در کامپوزیت‌های پلیمری را ممکن می‌کند. این ساختار باز، امکان نفوذ و باز کردن صفحات کربن را هم فراهم می‌کند. در شکل زیر نانوالیاف کربنی با نانولوله‌های تک دیواره، چنددیواره و الیاف کربن مقایسه شده است.

filereader.php?p1=main_751d31dd6b56b26b2
شکل 5- ساختار متفاوت نانوالیاف نانولوله (پیروگراف) با نانولوله‎ها و الیاف کربن [15]

filereader.php?p1=main_faeac4e1eef307c2a
شکل 6 - نانوالیاف الکتروریسی (سمت راست) [16] و نانوالیاف نانولوله پیروگراف III (سمت چپ) [15].

10- وضعیت تولید نانوالیاف
در بین نانوموادی که تا به‌حال در کشور به عرصه تولید تجاری رسیده است، نانوالیاف الکتروریسی وضعیت مناسبی دارند و در کشور ما هم رشد خوبی داشته‌اند. در حال حاضر شرکت‌های فناوران نانومقیاس [17] و نانوساختارآسیا [18] در زمینه تولید الیاف و ساخت انواع مدل‌های دستگاه الکتروریسی و صادرات آن فعالیت دارند و می‌توانند الیاف را به‌طور صنعتی و نیم‌ صنعتی برای کاربردهای مختلف از مواد مختلف تولید کنند. این شرکت‌ها سرعت رشد بالایی داشته‌اند و توانسته‌اند رقیب جدی داخلی شرکت‌هایی مثل اِلمارکو [19]، کاتوتک، وایفلو، ژانوشیر، مک، فایبریو و آنستکو [20] باشند.

11- بحث و نتیجه‌گیری
در این مقاله نانوالیاف به‌طور اجمالی معرفی شده و روش‌های تولید آن و دو فرایند مهم و کاربردی یعنی الکتروریسی و چگالش بخار گاز به اختصار تبیین شده و در انتها برخی از شرکت‌هایی که در این زمینه فعالیت کرده‌اند معرفی شده است. در مقالات بعدی معرفی کامل‌تری از روش الکتروریسی خواهد شد.

در فیلم زیر در رابطه با تقسیم‌بندی نانوالیاف توضیحاتی ارائه شده است و مقدمه‌ای در رابطه با آن‌ها ذکر شده است.



در فیلم زیر در رابطه با تکنیک‌های تولید نانوالیاف به‌صورت جزئی توضیحاتی ارائه شده و مزایا و معایب آن‌ها ذکر شده است.

در فیلم زیر به‌صورت کلی و مختصر در رابطه با نانوالیاف و ویژگی‌ها و کاربرد آن‌ها توضیحاتی ارائه شده است.

منابـــع و مراجــــع

Park, S.J., Carbon Fibers. 2015, Inha University, Incheon, Korea: Springer

Lin, T. and X. Wang, Needleless Electrospinning of Nanofibers Technology and Applications. 2013: CRC Press

Martin, C., Membrane-Based Synthesis of Nanomaterials. Chemistry of Materials, 1996, 1739-1746

Ward, G., Meltblown nanofibres for nonwoven filtration applications, Filtration and Separation, 2001 p. 42-43.

M. Weinberg, G.D., T. Harding, Flash spun web containing sub-micron filaments and process for forming same. 2006

N. Edorova, B.P., High strength nylon micro and nanofiber based nonwovens via spunbonding. Journal of Applied Polymer Science, 2007(104(5)): p. 3434-3442

Kiyak, Y.E. and E. Cakmak, Nanofiber Production Methods. Electronic Journal of Textile Technologies 2014 8(3): p. 49-60.

Jason Lyons and F.K. Ko, Nanofibers, in Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, H.S. Nalwa, Editor. 2004. p. 727-738

Lewin, M., Handbook of Fiber Chemistry Third Edition. 2007.

Hanusová, J., et al., Synthesis Of SiO2 Nanofibres By Utilization Of Dcsbd Atmospheric Pressure Plasma. 2012

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Electrospinning_Image_for_Wikipedia.tif. 2015

Ali, U. and Y. Zhou, Electrospinning of Continuous Nanofiber Bundles and Twisted Nanofiber Yarns. 2011

Petrik, S., M. Maly, and L. Rubacek, Electrospun Nanofiber The Tiny Layers that Add Great Value to Nonwovens, in International Nonwovens Symposium. 2009: 5 & 6 May 2009 – Clarion Hotel Stockholm (Sweden).

Nicolais, L., A. Borzacchiello, and S. Lee, Encyclopedia of Composites. 2012, Wiley

http://pyrografproducts.com/. 2015.

http://www.fibre2fashion.com/industry-article/8/767/nanofiber-webs-from-electrospinning1.asp. 2015

http://www.fnm.ir/. 1393

http://anstco.com/l. فناوری نانوساختار آسیا1394

http://www.elmarco.com/electrospinning. 2015

Pourdeyhimi, B., Processing Trends: Micro & Nano Fiber, 2013.

نظرات و سوالات

نظرات

4 -2

مریم خانی نور - ‏۱۳۹۶/۰۸/۱۶

باسلام، ضمن تشکر بابت اطلاعات مفیدتون. به نظرم اگر قسمت "معرفی روش‌های تحقق یافته تولید نانوالیاف" یک مقدار دسته بندی مرتب تری داشت بهتر بود. خیلی ممنون