برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۶۷۲
  • بازدید این ماه ۴۳
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

پیشرفته 2

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نخ‌های نانولیفی غیرمداوم

استفاده از فناوری‌های روز در دنیا در علوم مختلف امروزه افزایش چشم‌گیری پیدا کرده و روز به روز در حال گسترش می‌باشد. علم نانو با تکیه بر خواص منحصر به فرد خود در اکثر علوم نفوذ کرده و از جایگاه ویژه‌ای برخوردار شده است. صنعت نساجی به عنوان یکی از کهن‌ترین صنایع و با قدمتی طولانی نیز بی‌بهره از این علم نبوده و در حوزه‌های گوناگونی از آن بهره برده است. به دلیل زیاد بودن نسبت سطح به حجم نانوالیاف و استفاده از پلیمرها و مواد اولیه‌ متنوع و نیز تنوع فرآیندهای تولیدی، سازه های نانولیفی یکی از بهترین مواد در بکارگیری نانوفناوری هستند. در این مطلب در مورد روش های مختلف تولید نخ های نانولیفی در دو دسته نخ به صورت مداوم و غیر مدوام و پارامترهای تاثیرگذار بر تولید به طور مختصر معرفی شده است.
مقدمه
سازه‌های تشکیل شده از نانو الیاف دارای منافذ کوچکتر و سطح تماس بیشتری هستند. از یک سو دست زدن به نانوالیاف الکتروریسی شده به علت استحکام کم آن‌ها بسیار مشکل بوده و از سوی دیگر کاربرد لایه‌های وب حاصله محدود می‌باشد. از این رو علاقه قابل توجهی برای توسعه و تولید نخ های پیوسته از نانو الیاف وجود دارد به گونه ای که بتوان نانو الیاف پلیمری را وارد صنعت کهن نساجی کرد[1]. امید است که در آینده‌ای نزدیک امکان استفاده از نخ‌های نانولیفی در دستگاه‌های بافندگی تاری- پودی و حلقوی و نیز قلابدوزی فراهم شود. به طور کلی تولید نخ از الیاف الکتروریسی شده دارای مزایایی از جمله افزایش حد ریسندگی ، افزایش درگیری الیاف در ساختار نخ، کاهش فضای خالی بین الیاف در ساختار نخ، کاهش زمان و هزینه تولید نخ از الیاف پلیمری، امکان تهیه نخ‌های همزمان با تولید ‌الیاف، ایجاد کاربردهای نوینی برای منسوجات نساجی، گسترش موارد استفاده‌ از نانو الیاف الکتروریسی شده و ... می باشد. استفاده از نانوالیاف در منسوجات معمول چندین مزیت خواهد داشت. به عنوان نمونه تنها درصد بسیار کمی از الیاف و یا نخ‌های معمولی پارچه با نخ نانولیفی با قطر مشابه که از چند صد نانو لیف تشکیل شده موجب افزایش نرمی و سطح مخصوص پارچه بدون تغییر وزن آن می‌شود. حتی می توان پارچه ای تنها با نخ نانولیفی بافت [2].. به علاوه سلول ‌ها در راستای الیاف موازی، جهت‌دارتر و سریعتر رشد خواهند کرد[3]. لذا با استفاده از نخ نانولیفی امکان تولید و تهیه داربست‌های سلولی در مقیاس وسیع‌تر و با امکان کنترل میزان تخلخل و قرارگیری نخ‌ها در جهت نیروهای اعمالی بیشتر خواهد شد. از مزایای دیگر نخ‌های نانولیفی نسبت طول به قطر و نیز سطح مخصوص بسیار زیاد که این عامل موجب چسبندگی بیشتر این الیاف به بستر پلیمری در تهیه کامپوزیت¬های سبک و مقاوم می‌شوند. استفاده از حسگرهای نانولیفی در منسوجات، فرصت جدید برای تولید منسوجات هوشمند است. نخ‌های نانولیفی که از پلیمرهای ساخته شده‌اند ممکن است کارایی بهتری در ساخت ربات‌های پیشرفته داشته باشند. همچنین از نخ‌های نانولیفی می توان در تهیه حسگر رطوبتی برای تشخیص قطرات یک مایع در هوا و یا تولید خرطوم‌های مصنوعی جهت جمع‌آوری و مکش مقدار کمی از مایع، مانند مایعاتی که در یک سلول بدن قرار دارند، استفاده کرد. بدیهی است به علت انعطاف پذیری بالای این نخ‌ها استفاده از آن‌ها در مصارف پزشکی به عنوان حسگرهایی که نیاز است وارد بدن بیمار شود، منجر به کاهش درد بیمار و راحتی او می‌گردد[4]. با توجه به اهمیت استفاده از نخ‌های نانولیفی با ساختار و استحکام مناسب در مصارف ذکر شده در ادامه به توضیح و بررسی برخی روش‌های مختلف تولید نخ در فرایند الکتروریسی پرداخته می‌شود.

بررسی برخی روش‌های تولید نخ نانولیفی
یک دسته نانو الیاف یا رشته ( نخ آرایش یافته) یک مجموعه بدون تاب از تعداد زیادی از نانوالیاف هم محور است. نخ نانوالیافی (نخ با تاب) به عنوان یک مجموعه از نانوالیاف یا رشته تاب دیده با مورفولوژی شبیه نخ فیلامنتی یا ریسیده است. مجموعه الکتروریسی های معمولی تنها قابلیت تولید وب هایی از الیاف نانو را دارا هستند که بسیار نازک و آسیب پذیر هستند.

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 1: الف ) دسته نانو الیاف یا رشته ( نخ آرایش یافته) یک مجموعه بدون تاب. ب) نخ نانوالیافی (نخ با تاب)

عبارت نخ‌های نانولیفی در ابتدا در سال 2000 توسط فونگ و همکارانش[5] مطرح شد.. اما این مکانیزم بعد از تولید چنین نخی دیگر استفاده نشد به دلیل اینکه نخ تولید شده استحکام و تاب مورد نیاز را نداشتند[5]. در کل روش‌های مختلفی برای تولید نخ از نانوالیاف استفاده شده است که در برخی از آن‌ها بعد از کنترل آرایش یافتگی نانوالیاف و موازی نمودن آنها از طریق روش‌هایی مانند جفت الکترود منفی [6-9] و چرخش سریع جمع کننده [10] و ... نخ‌هایی با طول محدود تولید شده است. . این روش ‌ها به دو دسته تولید نخ غیر مداوم و کوتاه و تولید نخ مداوم تقسیم می شوند.

تولید نخ غیر مداوم و کوتاه
معمولا در این روش ابتدا با استفاده از تغییرات در تنظیمات الکتروریسی و جمع کننده سعی می‌شود که دسته‌ای منظم از نانوالیاف جمع‌آوری شود و سپس نخ کوتاهی از دسته الیاف تهیه شود.

میدان الکتروستاتیکی قوی
. در این فرآیند سه مرحله مختلف، اختلاف ولتاژ به کار گرفته می‌شود. اولین ولتاژ که مثبت kv9 بوده و متصل به سوزن سرنگ است و در واقع منبع بحرانی برای شروع فرآیند و تشکیل جت است. دومین ولتاژ که مثبت kv 5 است برای 8 حلقه مسی که به صورت سری به هم متصل هستند به کار می‌رود. و سومین ولتاژ که منفی kv11 است به صفحه هدف و جمع‌کننده متصل است حلقه ها دارای قطر cm 10 و درفاصله cm9/1 از یکدیگر قرار دارند. در حقیقت نخ‌های نانولیفی به وسیله شانه‌کردن تدریجی تولید شدند. به گونه‌ای که این فرآیند شامل گذرکردن جت الکتروریسی از دو نبشی کوچک چوبی که در فاصله cm2 بالای صفحه جمع‌کننده و پایین آخرین حلقه قرار دارد، می باشد[11].

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل 2: الف) تصویر شماتیک قسمت جمع کننده و تولید نخ با استفاده از یک میدان الکتروستاتیکی قوی. ب) تصویر نخ تولیدی [11]

استفاده از جمع کننده با سرعت بالا و تاب دهنده الکتریکی
به صورت موازی با استفاده از یک غلتک با سرعت بالا جمع آوری می شود (شکل 3). بعد از جمع آوری الیاف، از آن ها رشته‌ای با ابعاد 32 در 2 سانتی متر تهیه شده و با استفاده از تاب دهنده تاب داده شد. روش حاضر برای تولید نخ از نانو الیاف نوعا فرآیند ناپیوسته است که احتمال پایینی برای ریسیدن نخ های نانولیفی در تولید تجاری دارد[10].

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
شکل 3: تصویر شماتیک قسمت جمع کننده یا غلتک با سرعت بالا[10].

استفاده از دو حلقه جمع کننده با بار منفی
. اساس این روش ایجاد یک فضای خالی بین دو صفحه الکترود منفی است. نانوالیاف به صورت موازی و آرایش یافته بین این الکترودها که می توانند میله یا صفحه موازی باشند، جمع‌آوری می‌شوند بر اساس این روش، برای جمع آوری نانو الیاف الکتروریسی شده به صورت نخ می توان از دو حلقه موازی متصل به زمین با فاصله ای در حدودcm 10-4 استفاده نمود. الیاف الکتروریسی شده به این روش به صورت موازی و منظم بین این حلقه ها جمع می شوند. پس از جمع‌آوری الیاف در مدت زمان خاص با دوران یکی از حلقه ها نخ فیلامنتی منقطع و تابداری تولید می شود که طول آن در حدود 85 درصد فاصله بین حلقه‌ها می باشد. الیاف در ساختار نخ تهیه شده به این روش ارایش یافتگی خوبی را دارا هستند اما با توجه به اینکه ظرافت نخ تولیدی بالا است استحکام آن ناچیز است. در روشی دیگر نیز به جای حلقه می توان از دو گیره (چرخان و ثابت) استفاده کرد[9].

filereader.php?p1=main_aab3238922bcc25a6
شکل4: الف) تصویر دو حلقه جمع کننده باردار. ب) تصویر نخ تاب دار[6]

دو میله فلزی چرخان که روبه روی هم قرار گرفته‌اند، برای جمع کردن نانوالیاف به صورت موازی و اعمال تنها تفاوت این روش قرار گیری یک میله پلاستیکی در بین فاصله دو میله فلزی، در زیر نازل و در ناحیه میدان است که به واسطه نارسانا بودن تاثیری بر میدان و تولید الیاف ندارد. چرخاندن این میله پلاستیکی و چرخاندن دو میله فلزی و اعمال تاب به دسته الیاف، باعث می‌شود که نخ تابدار در طول‌های کوتاه به طور پیوسته تولید شده و روی میله پلاستیکی پیچیده شود [8] (شکل 5).
filereader.php?p1=main_9bf31c7ff062936a9
شکل5: دو میله فلزی چرخان و تصویر نخ تاب دار[8]

جمع‌آوری نانوالیاف آرایش‌یافته با استفاده از الکترود حلقوی
در این روش با قراردادن یک حلقه بزرگ با سطح مقطع دایروی و قطر 14 سانتی متر و هم مرکز با نازل در قسمت جمع کننده، لایه‌ای حجیم از نانو الیاف جمع‌آوری شده است (شکل 6) . این دسته از نانوالیاف را از یک قسمت بریده و دولا کرده و با سرعت mm/min 30 در دستگاه استحکام سنج تحت کشش قرار داده‌اند تا به طول mm420 برسد و سپس تاب دستی به آن اعمال شده است. قطر نخ حاصل µm 500 و استحکام در نقطه پارگی آن cN/tex 5 به دست آمده است[12].

filereader.php?p1=main_c74d97b01eae257e4
شکل6: حلقه بزرگ با سطح مقطع دایروی و لایه‌ای حجیم از نانو الیاف به همراه تصویر نخ مربوطه [8]

استفاده از پلیمر یا یک پیش ماده با هدایت الکتریکی بالا
در روشی دیگر [13] تشکیل نخ های نانو الیافی پلی پی فنیلینیلن (PPV) به وسیله الکتروریسی یک پیش ماده محلول و تبدیل حرارتی بعد از آن تولید شد. در این فرآیند نخ های PPV به صورت خود به خودی در طولی برابر با چند سانتی متر بین رشته ساز تک سوراخه و جمع کننده مسطح متصل به زمین تشکیل می شوند. به این صورت که محلول یک پیش ماده ازPPV بین صفحه هدف و نازل الکتروریسی می‌شود. برخلاف الیاف الکتروریسی شده که به صورت مستقیم روی صفحه هدف با آرایش یافتگی رندوم جمع می شوند، در این حالت الیافی با طول چند سانتی متر به شکل نخ هایی به صورت خودسامانه و عمودی روی سطح صفحه هدف آلمینیومی موازی با میدان الکتریکی در مدت زمان 1 دقیقه ریسیده می شوند. تشکیل غیرعادی این نخ ها می تواند با ماهیت هدایتی پیش ماده توضیح داده شود. این فرآیند تنها در مورد محلول های پلیمری با هدایت الکتریکی بالا قابل اجرا است، زیرا رسانایی طبیعی نقش اساسی در تولید نخ های نانو الیافی دارد[13].
filereader.php?p1=main_70efdf2ec9b086079
شکل7: تشکیل نخ از پیش ماده بین رشته ساز و صفحه هدف [13]

در این بخش تعدادی از روش های تولید نخ که در آن ها نخ تولیدی با طول کوتاه و محدود است توضیح داده شد. با توجه به کاربردهای نخ های نانولیفی در بعضی موارد نیاز است که نخ به صورت پیوسته و ممتد تولید گردد و همچنین توانایی اعمال تاب در مقادیر مختلف وجود داشته باشد. در بخش بعدی نخ های نانولیفی به توضیح روش های تولید نخ به صورت پیوسته و تابدار می پردازیم.

منابـــع و مراجــــع

[1] Zhou, F.I.; and Gong, R.H.; “Manufacturing technologies of polymeric nanofibres and nanofibre yarns-A review”, Polymer International, 57, p.p. 837–845, 2008.

[2] Khil, M.S.; Bhattarai, Sh. R.; Kim, H.Y.; Kim, S. Z.; Lee, K. H.; “Novel Fabricated Matrix Via Electrospinning for Tissue Engineering”, Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 72B, p.p. 117–124, 2004.

[3] Lee, C. H.; Shin, H. J.; Cho, I. H.; Kang, Y. M.; Kim, I. A.; Park, K. D.; Shin, J. W.; “Nanofiber Aligment and Direction of Mechanical Strain Effect the ECM Production of Human ACL Fibroblast”, Biomaterial, 26, p.p. 1261-1270, 2005

[4] Monaenkova D.; and Kornev K. G.; “Elastocapillarity: Stress transfer through fibrous probes in wicking experiments”, Journal of Colloid and Interface Science, 348, p.p. 240-249, 2010

[5] Fong, H.; Liu, W.; “Generation of electrospun fibers of nylon 6 and nylon 6-montmorillonite nanocomposite”, Polymer, 43, p.p. 775-780, 2002.

[6] Daltona, P.D.; Kleea, D.; Moller, M.; “Electrospinning with dual collection rings”, Polymer, 46, p.p. 611–614, 2005.

[7] Chih Tsai, Ch.; Mikes, P.; Andrukh, T.; White, E.; Monaenkova, D.; Burtovyy, O.; Burtovyy, R.; Rubin, Lukas, B. Luzinov, D. I.; Owen, J. R.; and Kornev, K. G. “Nanoporous artificial proboscis for probing minute amount of liquids”, Nanoscale, 3, p.p. 4685-4695, 2011.

[8] Yan, H.; Liu, L.; Zhang Zh.; “Continually fabricating staple yarns with aligned electrospun polyacrylonitrile nanofibers”, Materials Letters, 65, p.p. 2419–2421, 2011.

[9] Zhou, Y.; Fang, J.; Wang, X.; Lina, T.; “Strip twisted electrospun nanofiber yarns: Structural effects on tensile properties”, J. Mater. Res., p.p. 1-8, 2011

[10] Fennessey, S. F.; and Farris, R. J.; “Fabrication of aligned and molecularly oriented electrospun polyacrylonitrile nanofibers and the mechanical behavior of their twisted yarns”, Polymer, 45, p.p. 4217-4225, 2004

[11] Deitzel, J. M.; Kleinmeyer, J. D.; Hirvonen, J. K.; and Beck Tan, N. C.; “Controlled Deposition of Electrospun Poly(ethylene oxide) Fibers” Polymer, 42, p.p. 8163-8170, 2001.

[12] Liu, C. K.; Sun, R. J.; Lai, K.; Sun, C. Q.; and Wang, Y.W.; “Preparation of short submicron-fiber yarn by an annular collector through electrospinning” Materials Letters, 62, p.p. 4467-4469, 2008.

[13] Okuzaki, H.; Takahashi, T.; Miyajima, N.; Suzuki, Y.; and Kuwabara, T.; “Spontaneous Formation of Poly(p-phenylenevinylene) Nanofiber Yarns through Electrospinning of a Precursor”, Macromolecules, 39, p.p. 4276-4278, 2006