برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۱۷ تا ۱۳۹۷/۰۹/۲۳

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۴۷۲
  • بازدید این ماه ۵۴
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲
  • قبول شدگان ۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
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

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نخ‌های نانولیفی مداوم

در مقاله نخ‌های نانولیفی غیرمداوم به بیان روش‌های تولید نخ از نانوالیاف با استفاده از فرآیند الکتروریسی پرداختیم که در آن‌ها، نخ به دست آمده غیرممتد و دارای طول کوتاه بود. در واقع در مواقعی با توجه به کاربرد نیاز به تولید نخ‌های به صورت پیوسته و با طول بلند داریم. در این بخش به توضیح این روش‌ها می‌پردازیم.
تولید نخ مداوم
استفاده از مایعات به عنوان سطح جمع‌کننده

یکی از روش‌های تولید نخ‌های نانولیفی به صورت مداوم در سال 2004 با طرح جمع کردن دسته‌ای از نانوالیاف روی سطح آب مطرح شد. در این روش یک صفحه متصل به زمین در زیر سطح مایع قرار داده می‌شود تا جت الکتروریسی ضمن حرکت به سمت صفحه متصل به زمین با سطح حمام برخورد کند و نانوالیاف روی آب تجمع یابند. در ادامه الیاف جمع‌آوری شده به سمت لبه حمام آب کشیده می‌شوند و روی یک سیلندر دوار که در بالای آن قرار دارد، جمع می‌شوند. کشش سطحی آب‌های باقی‌مانده در الیاف قبل از رسیدن به غلتک برداشت، موجب چسبندگی نانوالیاف به یکدیگر و شکل‌گیری نخ می‌شود [1] (شکل 1). در این روش آب به صورت استاتیک بوده و حرکتی ندارد. در یک کار تحقیقاتی [2] نخ‌هایی از الیاف پلی ونیلیدین دی فلوراید و پلی ونیل استات و پلی اکریلونیتریل را با این روش تولید کردند. قطر الیاف تولیدی در این روش nm 285 تا nm 1000، تعداد الیاف در سطح مقطع نخ 3720 و سرعت تولید نخ m/hr 180 گزارش شده است [2].

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: الف) تصویر نخ تولیدی و ب) تصویر شماتیک قسمت جمع‌کننده و تولید نخ با استفاده از مایع استاتیک به عنوان جمع‌کننده [1]

در روشی دیگر [3] نخی با سرعت m/min 60 با استفاده از یک سیستم جمع‌کننده مایع دینامیک تولید شده است. در این سامانه از روش گردابی در انتهای یک حمام استفاده می‌شود. با استفاده از یک پمپ و ظرف محتوی آب که سوراخی در وسط آن ایجاد می‌شود، چرخابه‌ای تولید می‌شود. جریان گردابی آب منجر به کشش نانوالیاف و فشردگی آن‌ها به یکدیگر می‌شود. آب به همراه نانوالیاف از سوراخ به ظرف تحتانی ریخته می‌شود. با هدایت دسته الیاف که به شکل نخ در آمده بر روی غلتک برداشت، امکان تولید مدوام نخ وجود دارد [3] (شکل 2).

filereader.php?p1=main_b6d767d2f8ed5d21a
شکل 2: الف) تصویر نخ تولیدی و ب) تصویر شماتیک قسمت جمع‌کننده و تولید نخ با استفاده از مایع به صورت گردابی [3]

با استفاده از روش گردابی و تنظیم سرعت برداشت و نیز سرعت چرخش آب در چرخابه، نخی با ساختار نانوالیاف موازی و آرایش یافته تولید می‌شود [4]. در این روش برای فشردگی بیشتر نانوالیاف در ساختار نخ و حذف فضاهای خالی بین نانوالیاف و بهبود استحکام نخ با استفاده از چرخش آب در چرخابه و تنظیم فاصله یک راهنما بین منطقه برداشت و غلتک، تاب لازم به نخ اعمال می‌شود. در این روش با تغییر سرعت مایع و نیز فاصله ناحیه تابندگی و سرعت برداشت، مقدار تاب قابل تغییر است [5] (شکل 3).

filereader.php?p1=main_e034fb6b66aacc1d4
شکل 3: تصویر شماتیک قسمت جمع‌کننده و تولید نخ با استفاده از مایع به صورت گردابی و تصویر نخ تولیدی [4]
 
استفاده از دیسک و غلتک متعامد
در روشی دیگر [6] نخ‌هایی کامپوزیتی با تاب و نظم از نانوالیاف نایلون همراه با نانولوله‌های کربنی با استفاده از یک دیسک و غلتک متعامد چرخان تولید شده است (شکل 4). در این طرح نانوالیاف در لبه دیسک که متصل به زمین است، جمع شده و همزمان به غلتک دوم منتقل می‌شوند. چرخش دیسک موجب اعمال تاب شده و با چرخش غلتک، دسته الیاف به شکل نخ جمع می‌شود. تعداد نانوالیاف تولید شده توسط رشته‌ساز و سرعت تولید آن‌ها، تاب و سرعت برداشت پارامترهای مؤثر بر قطر، نمره و تاب در واحد طول هستند [6].

filereader.php?p1=main_140f6969d5213fd0e
شکل 4- الکتروریسی بر روی دیسک و غلتک منعامد و تصویر نخ تولیدی [6]

الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش خود همگرایی
در این روش [7]، ابتدا از یک میله متصل به زمین برای تشکیل دسته الیاف در هوا و به عبارتی همگرا کردن مخروطی جت استفاده می‌شود و سپس دسته الیاف بر روی غلت برداشت هدایت می‌شود (شکل 5). در الکتروریسی PAN با سرعت غلتک m/s 0/2 امکان برداشت مداوم نخ وجود دارد ولی در سرعت بالاتر نخ پاره شده و مجدداً الیاف در هوا پراکنده می‌شوند و لازم است مجدداً از میله استفاده کرد. نکته حائز اهمیت در این فرایند مقدار هدایت الکتریکی محلول پلیمری است. استفاده از این شیوه در تحقیقات دیده می‌شود و عمده تفاوت آن‌ها در استفاده از میله عایق و غلتک برداشت یا چگونگی اعمال تاب است [8و9].


filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش خود همگرایی و تصویر نخ تولیدی [7]

کاربرد تاب‌دهنده حین برداشت
در این روش با تنظیم سطح جمع‌آوری الیاف در الکتروریسی روی راهنمای نخ و سپس پیچیدن رشته الیاف به دست آمده روی سطح غلتک برداشت، یک نخ پیوسته تولید می‌شود (شکل 6). در این روش غلتک جمع‌کننده روی یک سطح دوار قرار گرفته که با گردش آن، به نخ تاب داده می‌شود. نخ تشکیل شده توسط این روش ساختار نسبتاً منظمی دارد و اغلب الیاف تشکیل‌دهنده آن در راستای محور نخ آرایش یافته‌اند [10].


filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 6- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش کاربرد تاب‌دهنده حین برداشت و تصویر نخ تولیدی [10]

در یک روش دیگر [11] با دستکاری ماهرانه میدان الکتریکی یک سیستم الکتروریسی متداول، موفق به تولید نخ از الیاف الکتروریسی خواهید شد. در این روش عملیات اصلی، دشارژ کردن الیاف در فاصله بین نازل و یک سطح با بار منفی است که به وسیله تمرکز بارهای منفی در نوک یک سوزن که در مقابل نازل و بین صفحه دارای بار منفی و واحد برداشت قرار گرفته است، صورت می‌پذیرد [11].
با قرار دادن انتهای یک نخ پیوند در مسیر حرکت الیاف که انتهای دیگر آن روی غلتک برداشت قرار دارد، و با به دوران درآوردن نخ پیوند حول محور توسط صفحه تاب‌دهنده، امکان اعمال تاب و برداشت نخ به صورت همزمان فراهم شده است (شکل 7).



filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل 7- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش کاربرد تاب‌دهنده حین برداشت و تصویر نخ تولیدی [11]

استفاده از نیم‌کره دوار توخالی
در این روش [12] با اصلاح روش استفاده از دو حلقه جمع‌کننده، یک نخ تابدار و ممتد تولید می‌شود. در این روش، الکتروریسی بین یک میله فلزی که همان نقش جمع‌کننده ثابت را دارد و یک نیم‌کره فلزی متصل به میله‌ای توخالی یعنی در واقع همان جمع‌کننده دوار صورت می‌گیرد. الیاف جمع شده بین این دو سطح با دوران نیم کره به هم تابیده می‌شوند. در نتیجه در نوک میله فلزی یک نخ تابیده شده تولید می‌شود که با حرکت میله کشیده شده و نخ به صورت پیوسته تولید می‌شود (شکل 8). سرعت دور شدن غلتک جمع‌کننده ثابت از دوار می‌تواند روی بعضی از خواص نخ از قبیل قطر، تاب در متر، و... تأثیر بگذارد. استفاده از این شیوه در تحقیقات نیز برای تولید نخ تابدار و ممتد دیده می‌شود [12-13].

 

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش نیم‌کره دوار توخالی و تصویر نخ تولیدی [12]

مکش هوا در جمع‌کننده
برای تولید نخ در فرایند الکتروریسی از یک جمع‌کننده مخروطی شکل استفاده می‌شود. مقطع دایروی مخروطی مقابل نازل قرار داده شده و انتهای آن یک نازل مکش هوا متصل می‌شود. به این ترتیب دسته الیاف از انتهای مخروطی به شکل نخ بر روی غلتک پیچیده می‌شود [14] (شکل 9).

 

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل 9- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش مکش هوا و تصویر نخ تولیدی [14]

استفاده از دو نازل با بار مخالف
در این روش از دو نازل با بارهای الکتریکی مخالف که در مقابل یکدیگر قرار دارند، برای الکتروریسی استفاده شده است. در این روش، صفحه جمع‌کننده وجود ندارد، با شروع الکتروریسی جتی که همزمان از هر دو نازل خارج می‌شود، به دلیل مخالف بودن بار الکتریکی، یکدیگر را جذب کرده و درهم درگیر شده و سپس دسته الیاف که بی‌بار است، به راحتی روی غلتک پیچیده می‌شود [15] (شکل 10).

 

filereader.php?p1=main_d3d9446802a442597
شکل 10- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش دو نازل با بار مخالف و تصویر نخ تولیدی [15]

در روشی دیگر [16-17] با قرار دادن یک صفحه خنثی در فاصله مشخصی از بین دو نازل در ناحیه الکتروریسی از یک سو و قرار گیری انتهای یک نخ پیوند از سوی دیگر، مثلثی از نانوالیاف در این ناحیه تشکیل می‌شود. با کشیدن انتهای دیگر نخ پیوند توسط غلتک برداشت که روی صفحه تاب‌دهنده قرار دارد و اعمال تاب همزمان، می‌توان نخ نانولیفی تابدار و ممتد را که دارای آرایش یافتگی نسبی نیز هست، تولید کرد (شکل 11). در روشی دیگر، برای در گیری بهتر نانوالیاف دو نازل با یکدیگر، ظرف محتوی آب در بین دو نازل قرار داده شده و دسته الیاف از سطح آب بر روی غلتک برداشت که خود روی دیسک گردانی قرار دارد، تابیده و جمع می‌شود [18].

 

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 11- تصویر شماتیک الکتروریسی نخ نانولیفی با استفاده از روش دو نازل با بار مخالف و صفحه خنثی و تصویر نخ تولیدی [16]


در استفاده از دو نازل با بار مخالف هنگام الکتروریسی، همچنین [19] با استفاده از قرار دادن یک شیپوری چرخان در بین دو نازل (شکل 12) یا با استفاده از یک صفحه دوار در بین دونازل، می‌توان تاب لازم را قبل از پیچش به نخ اعمال کرد (شکل 13) [20-21]. در روش‌های رایج الکتروریسی با استفاده از یک نازل، تجمع الیاف روی غلتک باعث جمع‌شدگی بارهای الکتریکی و تغییر میدان الکتروستاتیکی سیستم می‌شود. در نتیجه با گذشت زمان نظم الیاف به هم می‌خورد. اما در روش دو نازل چون نخ تولیدی با دو بار مثبت و منفی است و کاملاً خنثی است، با گذشت زمان در حین پیچش به دور غلتک تغییری در نظم آن صورت نمی‌پذیرد [15-21].

 

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل 12- تصویر شماتیک تولید نخ نانولیفی با استفاده از روش دو نازل با بار مخالف و یک شیپوری چرخان و تصویر نخ تولیدی [22]

 

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
شکل 13- تصویر شماتیک تولید نخ نانولیفی با استفاده از روش دو نازل با بار مخالف و یک صفحه دوار در بین دونازل و تصویر نخ تولیدی [22]

از بین روش‌هایی که در این مقاله به آن‌ها پرداخته شد، به نظر می‌رسد روش تولید نخ از نانوالیاف الکتروریسی با استفاده از دو سوزن تغذیه با بارهای مختلف و استفاده از مکانیزم برداشت با تاب‌دهنده مفیدتر، با محدودیت کمتر و ساده‌تر باشد. زیرا در این روش یک مثلث از نانوالیاف تشکیل می‌شود و به راحتی با به دوران در آوردن نخ پیوند حول محورش و برداشت آن می‌توان نخ تابدار و ممتد تولید کرد که دارای یک آرایش یافتگی نسبی نیز هست [17].
در انتها مزایا و معایب برخی از روش‌های ذکر شده در این جلسه در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1- مزایا و معایب برخی روش‌های ذکر شده برای تولید نخ در سیستم الکتروریسی
روش تولید مزایا معایب
استفاده از میدان الکتروستاتیکی قوی سادگی روش و پایداری جت پلیمری استحکام پایین و تاب تدریجی
سیستم مایع استاتیک
سادگی روش و تولید نخ ممتد سرعت تولید نسبتاً پایین و محدودیت در انتخاب مایع
سیستم مایع دینامیک امکان تولید نخ ممتد و تابدار بودن نخ محدودیت در میزان تاب و محدودیت در انتخاب مایع
استفاده از پلیمر با هدایت الکتریکی مناسب
روش ساده برای تولید نخ خودجمع شونده طول نخ کوتاه و نیاز به پلیمرهایی با هدایت الکتریکی بالا
استفاده از دیسک و غلتک متعامد
تابدار بودن نخ و امکان تولید نخ ممتد و پیوسته پیچدگی و سختی در تنظیمات سیستم
استفاده از دو حلقه جمع‌کننده سادگی روش، تابدار بودن نخ و آرایش‌یافتگی مناسب محدودیت طول نخ و محدودیت ظرافت نخ
کاربرد تاب دهنده در حین برداشت امکان تولید نخ ممتد، تابدار بودن نخ و نخ نسبتاً منظم
پیچیدگی تنظیمات سیستم و برداشت نخ و سرعت تولید نسبتاً پایین
استفاده از دو نازل با بار مخالف امکان تولید نخ ممتد، ثابت ماندن نظم الیاف جمع‌آوری شده حین پیچش نخ روی درام وابستگی ظرافت نخ و آرایش‌یافتگی الیاف به سرعت تولید
استفاده از نیم‌کره دوار توخالی امکان تولید نخ ممتد، تابدار بودن نخ و امکان تولید نخ‌های مغزی‌دار یا توخالی
محدودیت ظرافت نخ


منابـــع و مراجــــع

[1] 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

[2] Smit, E.; Bu ˝ttner, U.; and Sandersona, R. D.; “Continuous yarns from electrospun fibers”, Polymer, 46, p.p. 2419–2423, 2005.

[3] Teo, W.E.; Gopal, R.; Ramaseshan, R.; Fujihara, K.; and Ramakrishna, S.; ” A dynamic liquid support system for continuous electrospun yarn fabrication”, Polymer, 48, p.p. 3400-3405, 2007

[4] Yousefzadeh, M.; Latifi M.; Teo W. E.; Amani Tehran M.; and Ramakrishna S.; “Producing Continuous Twisted Yarn From Well-Aligned Nanofibers by Water Vortex”, Polymer Engeeniring and Science, 51, p.p. 323-230, 2011

[5] یوسف زاده، م، " تهیه نخ رسانا از ناوالیاف حاوی نانولوله¬های کربنی به روش الکتروریسی"، پایان نامه دکترا، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر. 1389.

[6] Bazbouz, M.B.; and Stylios, G.K.; ”Novel mechanism for spinning continuous twisted composite nanofiber yarns”, European Polymer Journal, 44, p.p. 1–12, 2008.

[7] Wang, X.; Zhang, K.; Zhu, M.; Yu, H.; Zhou, Zh.; Chen, Z.; and Hsiao, B.S.; “Continuous polymer nanofiber yarns prepared by self-bundling electrospinning method”, Polymer 49, p.p. 2755–2761, 2008.

Mondal, A.; Borah, R.; Mukherjee, A.; Basu, S.; Jassal, M.; and Agrawal, A. K.;“ Electrospun Self-Assembled Nanofiber Yarns”, Journal of Applied Polymer Science, 110, p.p. 603–607, 2008

[9] Lotus, A. F.; Bender, E. T.; Evans, E. A.; Ramsier, R. D.; Reneker, D. H., and G. G. Chase, “Electrical, structural, and chemical properties of semiconducting metal oxide nanofiber yarns”, Journal of Applied Physics, 103, p.p. 024910-16, 2008.

[10] Lam, H. L.; “Electrospinning of Single Wall Carbon Nanotube Reinforced Aligned Fibrils and Yarns”, Phd Thesis, Drexel University, October 2004.

[11] Dabirian, F.; Hosseini, Y.; and Hosseini Ravandi, S. A.; "Manipulation of the electric field of electrospinning system to produce polyacrylonitrile nanofiber yarn ", Journal of the Textile Institute, 98, p.p. 237-241, 2007

[12] Sphurti, B.; “Submicron Size Structures, Electrospinning and Filters”, Phd Thesis, University of Akron, May, 2007

Afifi, A. M.; Nakano, Sh.; Yamane H. and Kimura, Y., “Electrospinning of Continuous Aligning Yarns with a ‘Funnel’ Target”, Macromol. Mater. Eng., 295, p.p. 660-665, 2010

Li, N.; Hui, Q.; Xue, H. and Xiong, J.; “Electrospun Polyacrylonitrile nanofiber yarn prepared by funnel-shape collector”, Materials Letters, 79, p.p. 245–247, 2012

Pan, H.; Li, L.; Hu, L.; Cui, X.; “Continuous aligned polymer fibers produced by a modified electrospinning method”, Polymer, 47, p.p. 4901–4904, 2006

[16] Hajiani F.; Jeddi Ali A. A.; and Gharehaghaji A. A.; “An Investigation on the Effects of Twist on Geometry of the Electrospinning Triangle and Polyamide 66 Nanofiber Yarn Strength” Fibers and Polymers, 13, p.p. 244-252, 2012

[17] حاجیانی، ف، " تاثیر تنش های کششی بر منافذ مویینگی نخ های نانولیفی "، پایان نامه دکترا، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر. 1391

[18] محیطی اصل، م، " بررسی و مطالعه تولید از نخ نانوالیاف الکتروریسی شده PAN "، پروژه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، 1387

[19] Ali, U.; Zhou, Y.; Wang, X.; and Lin, T.; “Direct electrospinning of highly twisted, continuous nanofiber yarns”, J. Text. Inst., 103, p.p. 80-89, 2012.

[20] Hashemi Sanatgar, R.; Borhani, S.; Hosseini Ravandi S. A.; and Gharehaghaji A. A.; “The Influence of Solvent Type and Polymer Concentration on the Physical Properties of Solid State Polymerized PA66 Nanofiber Yarn”, Journal of Applied Polymer Science, 126, p.p. 1112–1120, 2012.

[21] Dabirian, F.; Hosseini Ravandi, S. A.; Hashemi Sanatgar, R.; and Hinestroza, J. P.; “Manufacturing of Twisted Continuous PAN Nanofiber Yarn by Electrospinning Process”, Fibers and Polymers, 12, p.p. 610-615, 2011.