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 ۲,۶۹۷
  • بازدید این ماه ۶۸
  • 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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

الکتروریسی

مقدمه:

     در گذشته با روش‌های مختلف تولید نانوالیاف آشنا شدید، روش الکتروریسی در مقایسه با سایر روش ها دارای مزایایی مانند قابلیت کنترل ابعاد الیاف، صنعتی شدن و سهولت است. بنابراین، اکنون روش الکتروریسی به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. اصول عملکرد دستگاه الکتروریسی، تئوری حاکم بر تولید نانوالیاف با این روش و پارامترهای تاثیرگذار بر مشخصه نانوالیاف از مباحث مورد بررسی در این مقاله هستند.
1- اصول عملکرد الکتروریسی

    مرحله اول تولید نانوالیاف با الکتروریسی، انحلال پلیمر در یک حلال و یا ذوب کردن آن است. از پلیمرهای رایج مورد استفاده در الکتروریسی می توان به پلیمرهای مصنوعی پلی گلیکولیک اسید (PGA)، پلی لاکتیک اسید (PLA)، پلی دی اکسانون (PDO)، پلی کاپرولاکتن (PCL) و پلیمرهای طبیعی الاستین، کلاژن، فیبرینوژن، کیتوسان اشاره کرد. محلول پلیمری وارد سرنگ شده و با اعمال ولتاژ بالا از دهانه سرنگ خارج می شود. در واقع با افزایش ولتاژ، میدان الکتریکی یا دافعه الکترواستاتیکی به کشش سطحی پلیمر غلبه کرده و جت باردار از دهانه سرنگ خارج می شود. در این ولتاژ آستانه، سطح نیم کره ای محلول در سوزن لوله مویینه کشیده شده و ساختاری به نام "مخروط تیلور" را تشکیل می دهد. در طول پرواز جت به سمت جمع کننده، تحت یک سری ناپایداری های الکتریکی قرار گرفته که منجر به حرکات چرخشی و پیچشی آن می شود. به منظور کمینه کردن این ناپایداری های ناشی از دافعه الکترواستاتیکی، جت تحت کشش پلاستیکی بزرگ کشیده شده که در نهایت منجر به کاهش چشمگیر قطر آن می گردد (شکل1).

filereader.php?p1=main_3c59dc048e8850243
شکل1: نمایی از دستگاه الکتروریسی

نکات مهم مورد توجه در الکتروریسی به شرح زیر است:

- در دسترس بودن حلال مناسب برای انحلال پلیمر
- مناسب بودن فشار بخار حلال (بگونه ای که سرعت تبخیر حلال مناسب با رسیدن الیاف به سطح جمع کننده باشد)
- مناسب بودن ویسکوزیته و تنش سطحی حلال (زیاد بودن مانع تشکیل جت و کم بودن باعث ریخته شدن محلول پلیمری از پیپت می شود)
- کافی بودن منبع ولتاژ برای غلبه بر ویسکوزیته و تنش سطحی و به منظور پایداری تشکیل جت از پیپت
- مناسب بودن فاصله بین پیپت و سطح جمع کننده به منظور ایجاد جرقه بین الکترودها و تبخیر حلال در زمان شکل گیری الیاف.
شکل 2 نمایی از دستگاه تولید نانوالیاف تجاری است و اجزای این دستگاه به ترتیب عبارتند از:
1- چرخنده فلزی
2- محلول پلیمری
3- منبع (reservoir)
4- مخروط تیلور
5- الیاف
6- الیاف غیر بافتی پلی پیروپیلن
7- ورقه نانوالیاف
8- الکترود منفی


filereader.php?p1=main_b6d767d2f8ed5d21a
شکل 2: نمایی از دستگاه تولید نانوالیاف تجاری

2- تئوری الکتروریسی


      همانطور که قبلا ذکر شد، زمانی که نیروی دافعه بر کشش سطحی غلبه می کند، میدان الکتریکی به یک مقدار بحرانی یا آستانه می رسد. در ابتدا جت در الگوی خطی حرکت کرده سپس به آرامی از الگوی خطی دور شده و شکل پیچیده ای را در طول مسیر به سمت جمع کننده تشکیل می دهد. شکل و طول جت متناسب با ولتاژ اعمالی است (شکل3). شکل مخروط تیلور با تغییر قدرت میدان و متعاقبا دانسیته بار جت، از محدب به مقعر تغییر می کند. معادله زیر رابطه بین ولتاژ آستانه و پارامترهای موجود در الکتروریسی را نشان می دهد.

filereader.php?p1=main_37693cfc748049e45

Vc ولتاژ بحرانی، H فاصله بین سوزن و هدف، L طول لوله مویینه، R شعاع مویینه و گاما کشش سطحی محلول پلیمری است.

filereader.php?p1=main_1ff1de774005f8da1
شکل3: تصویری از جت الیاف الکتروریسی در سرعت پمپ نیم میلی لیتر بر دقیقه
تحت قدرت میدان اعمالی مختلف (از چپ به راست: 67/3 ، 33/4 و 5 کیلوولت بر سانتی متر)

3- پارامترهای موثر بر مشخصه نانوالیاف در الکتروریسی

     پارامترهای متعددی بر اندازه و شکل نانوالیاف تاثیر دارد. پارامترهای سیستم مانند نوع پلیمر و حلال و ساختارها، پارامترهای فرآیند شامل پتانسیل الکتریکی، نرخ جریان و غلظت پلیمر؛ فاصله بین لوله مویینه و صفحه جمع کننده، اثرات دما، رطوبت و سرعت هوا در اتاقک؛ و افزایش نانوذرات هادی (آهن، مس، نقره و پلاتین) برای بهبود ظرفیت بار پلیمر در طول فرآیند الکتروریسی.

شکل 4 تاثیر فاصله صفحه، پتانسیل الکتریکی، نرخ جریان و غلظت را بر قطر الیاف نشان می دهد. با تنظیم این پارامترها می توان نانوالیاف با شکل و اندازه مختلف برای کاربردهای مختلف تولید کرد. همان‌طور که از شکل مشخص است با افزایش فاصله بین سوزن و جمع کننده و پتانسیل الکتریکی، قطر نانوالیاف کاهش پیدا می کند. همچنین با افزایش نرخ جریان و غلظت محلول پلیمر، قطر نانوالیاف افزایش می یابد. نکته قابل توجه دیگر نوع رابطه پارامترها با قطر نانوالیاف است. نرخ جریان و فاصله رابطه خطی با قطر داشته درحالیکه پتانسیل الکتریکی و غلظت رابطه غیر خطی با قطر نانوالیاف دارد. شکل 5 تصویر SEM نانوالیاف تولید شده در دو ولتاژ متفاوت را نشان می دهد. همان‌طور که ملاحظه می شود افزایش ولتاژ سبب کاهش قطر نانوالیاف تولیدی شده است.


filereader.php?p1=main_8e296a067a3756337
شکل 4: تاثیر فاصله، پتانسیل الکتریکی، نرخ جریان و غلظت
بر قطر الیاف الکتروریسی شده


filereader.php?p1=main_4e732ced3463d06de
شکل 5: تصویر SEM نشان دهنده اثر ولتاژ DC بر قطر و مرفولوژی
نانوالیاف پلیمری بدست امده در 12 و 14 کیلوولت

4- جمع‌بندی

       در بین روش های رایج تولید نانوالیاف (کشش، قالب، جدایش فازی، خودآرایی و الکتروریسی)، الکتروریسی مزایای زیادی از قبیل سهولت تولید، امکان صنعتی شدن، قابلیت کنترل ابعاد نانوالیاف و تکرار پذیری دارد. با اعمال ولتاژ مناسب (ولتاژ آستانه) به محلول پلیمری، نیروی دافعه بر کشش سطحی پلیمر غلبه کرده و جت تشکیل می شود. با تبخیر حلال از جت، تغییر فاز مایع به جامد صورت گرفته و نانوالیاف تشکیل می شود. پارامترهای زیادی بر مشخصه نانوالیاف تولید شده با این روش تاثیرگذار است، مهمترین پارمترهای تاثیرگذار عبارتند از فاصله بین سوزن و جمع کننده، ولتاژ اعمالی، نرخ جریان و غلظت محلول پلیمری. با تغییر این پارامترها می توان به ابعاد بهینه نانوالیاف دست یافت. قطر الیاف با نرخ جریان و فاصله رابطه خطی و با پتانسیل و غلظت محلول پلیمری رابطه غیرخطی دارد. با افزایش فاصله و پتانسیل الکتریکی، قطر الیاف کاهش و با افزایش نرخ جریان و پتانسیل الکتریکی، افزایش می یابد. 

منابـــع و مراجــــع

1- N. Bhardwaj, S. C. Kundu, Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique

2- S. Cavaliere et al., Electrospinning: designed architectures for energy conversion and storage devices

3- R. Asmatulu et al., Nanofiber Fabrication and Characterization for the Engineering Education