برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۸/۰۹/۰۹ تا ۱۳۹۸/۰۹/۱۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲,۴۸۰
  • بازدید این ماه ۷۳
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۲۴
  • قبول شدگان ۲۵۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۰۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۲
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 1

طرح درس

منابع دومین مرحله نهمین مسابقه ملی فناوری نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

معرفی فرایندهای الکتروریسی و سایر روش‌های تولید نانوالیاف

فناوری تولید نانوالیاف به‌دلیل وجود روش‌های متنوع و انعطاف‌پذیر برای تولید نانومواد یک‌بعدی آلی، غیر‌آلی و کامپوزیتی با ابعاد قابل‌کنترل همواره مورد‌ توجه بوده است. نانوالیاف به‌صورت تصادفی یا نظم‌یافته با مورفولوژی‌های متنوعی از قبیل هسته-پوسته، توخالی، متخلخل یا اشکالی با چند کانال توخالی تولید می‌شود. روش الکتروریسی یکی از مهم‌ترین روش‌های تولید نانوالیاف بوده و دارای انواع متنوعی از قبیل الکتروریسی حبابی، الکتروریسی به‌کمک گاز، الکتروریسی مذاب، الکتروریسی به‌کمک میدان مغناطیسی، الکتروریسی چند‌نازله، الکتروریسی دوجزیی، الکتروریسی بدون سوزن و الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز است. فرایند‌های الکتروریسی بدون شک مناسب‌تربن و قابل‌کنترل‌ترین روش برای تولید نانوالیاف با میانگین قطر همگن‌تری نسبت به روش‌های دیگر است. این روش به‌دلیل مزایایی که نسبت به سایر روش‌های تولید الیاف مانند کشش، خودآرایی، جدایش فازی، پلیمریزاسیون فصل­ مشترکی، رشد به کمک الگو، رشد بخار-مایع-جامد و سنتز هیدروترمال دارد، به‌عنوان یکی از بهترین روش‌های تولید نانوالیاف شناخته شده است. این مقاله به مرور اجمالی روش‌های مهم تولید نانوالیاف به‌ویژه روش الکتروریسی می‌پردازد.

1- مقدمه
در طی چند دهه گذشته، انواع گوناگون ساختار‌های نانوالیافی با هدف ایجاد رویکرد مکمل یا جایگزین برای تهیه داربست‌های مورد استفاده در مهندسی بافت، دارورسانی، فیلتراسیون و غیره توسعه پیدا کرده است. تخلخل، مورفولوژی، خواص مکانیکی و نرخ تجزیه غشا‌های نانوالیافی بایستی منطبق بر نیاز‌های کاربرد نهایی باشد. نانوالیاف به دلیل خصوصیات منحصربه‌فرد خود از قبیل نسبت سطح به حجم بالا، انعطاف‌پذیری در ایجاد ویژگی‌های سطحی، عمکرد مکانیکی مناسب و میزان تخلخل و تراوایی بالا می‌تواند برای کاربرد‌های متنوع پزشکی، انرژی و غیره مورد استفاده قرار گیرد. روش‌های گوناگونی برای سنتز نانوالیاف ارائه شده است که از میان آن‌ها می‌توان به الکتروریسی، ریسندگی مرطوب، ریسندگی سانتریفیوژی، خودآرایی، جدایش فازی، پلیمریزاسیون فصل‌مشترکی، پلیمریزاسیون با شروع سریع، رشد به‌کمک الگو، رشد بخار-مایع-جامد، کشیدن و سنتز هیدروترمال اشاره کرد.

روش الکتروریسی شناخته‌شده‌ترین روش برای تولید نانوالیاف به شمار می‌آید. الکتروریسی روشی چند­منظوره با تجهیزات ساده است و می­‌توان با تنظیم پارامتر­های مؤثر بر فرایند،­ قطر الیاف را کنترل کرد. شایان ذکر است که الیاف الکتروریسی­ شده دارای طول زیاد، پیوسته و بسیار یکنواخت هستند. روش الکتروریسی علاوه بر حالت کلاسیک خود، دارای انواع مختلفی شامل الکتروریسی حبابی، الکتروریسی به‌کمک گاز، الکتروریسی مذاب، الکتروریسی به‌کمک میدان مغناطیسی، الکتروریسی چند‌نازله، الکتروریسی دوجزیی، الکتروریسی بدون سوزن و الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز است. در ادامه به تشریح این روش‌ها می‌پردازیم.

 

2- الکتروریسی
1-2- فرایند الکتروریسی متداول
با وجود نرخ تولید پایین، روش الکتروریسی فرایندی ساده و جذاب برای تولید نانوالیاف است. شمایی از فرایند الکتروریسی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می­‌شود، دستگاه الکتروریسی از سه بخش اصلی ژنراتور ولتاژ بالا، سرنگ برای تغذیه محلول پلیمری و جمع­‌کننده تشکیل شده است. طراحی دستگاه الکتروریسی می‌تواند به‌صورت افقی یا عمودی باشد. تنظیم دقیق مقدار محلول یا مذاب پلیمر ورودی به درون یک سرنگ به‌عنوان نازل توسط پمپ تغذیه انجام می‌شود. محلول یا مذاب پلیمری با نرخ جریان مناسب و بهینه از روزنه خارج می‌شود. جمع‌کننده متصل به زمین بوده و معمولاً با یک فویل آلومینیومی پوشانده می‌شود. اعمال میدان الکتریکی قوی (5 تا 30 کیلوولت) در فضای بین سر سرنگ و جمع­‌کننده فلزی (با فاصله 10 تا 25 سانتیمتر) باعث ایجاد بار القایی روی قطره پلیمری موجود در نوک سرنگ و لذا کشیده‌ شدن قطره نیمه‌کروی به سمت جمع‌کننده و تغییر شکل آن به صورت مخروطی موسوم به مخروط تیلور می‌شود. با افزایش ولتاژ، نیرو­های الکترواستاتیکی بر کشش سطحی غلبه کرده و یک جت پلیمری باردار از نوک سرنگ فوران کرده و به سمت جمع‌کننده کشیده می‌شود. حلال موجود در جت پلیمری قبل از رسیدن به جمع­‌کننده و تشکیل شبکه­ به­ هم‌ پیوسته­‌ای از نانوالیاف، تبخیر می‌­شود که اصطلاحاً انجماد جت نام دارد. حرکت الیاف پس از جدا‌ شدن از نوک سرنگ عمدتاً وابسته به نیروهای الکترواستاتیکی ناشی از میدان الکتریکی خارجی و بار سطحی جمع‌شده روی نانوالیاف الکتروریسی‌شده است. علاوه بر این، وجود بارهای الکترواستاتیک روی الیاف باعث افزایش بارهای ناهم‌نام روی جمع‌کننده شده و در نتیجه، به جذب الیاف توسط جمع‌کننده کمک می‌کند. همان­طوری که در شکل 1 مشاهده می­‌شود، هنگامی که جت باردار در طی فرایند الکتروریسی از مخروط تیلور فوران می­‌کند، ابتدا در مسیر خط مستقیم حرکت می­‌کند. جت سیال در ادامه حرکت خود به‌علت پدیده ناپایداری خمشی [1] در یک مسیر پیچیده خم می­‌شود و در اثر نیروهای الکتریکی کشیده شده و نازک­‌تر می­‌شود. این حرکت پرپیچ‌ و‌ خم ناشی از برهم‌کنش عوامل مختلفی مانند ویسکوزیته محلول، کشش سطحی، نرخ تبخیر حلال، رسانایی الکتریکی محلول، نیروهای الکترواستاتیک، اصطکاک هوا و گرانش است. این پدیده، مکانیزم مهمی برای دستیابی به الیاف با قطر نانومتری محسوب می‌شود. نرخ لایه‌نشانی الیاف با تشکیل اولین لایه نازک از الیاف روی سطح جمع‌کننده اندکی کاهش پیدا می‌کند. باردار‌شدن موضعی جمع‌کننده نیز حرکت نامنظم جت پلیمری در نزدیکی سطح را افزایش می‌دهد. حرکت شلاق‌وار نامنظم الیاف در نهایت باعث استقرار تصادفی الیاف الکتروریسی‌شده در یک دایره معمولاْ ۱۰ سانتی‌متری می‌شود.

قطر، تخلخل و سایر ویژگی‌های ظاهری الیاف را می‌توان با اصلاح جریان محلول، ترکیب محلول پلیمری، پتانسیل میدان الکتریکی و فاصله بین سرنگ و جمع‌کننده کنترل کرد.

 


شکل 1- شمایی از فرایند الکتروریسی متداول.

 

2-2- الکتروریسی حبابی
روش الکتروریسی حبابی از تارتنی عنکبوت الهام گرفته شده است و در آن کشش سطحی محلول با استفاده از حباب‌های هوا کاهش می‌یابد. شمایی از دستگاه الکتروریسی حبابی در شکل 2 نشان داده شده است. همان‌طوری که مشاهده می‌شود، در این روش، حباب در مخزن عمودی حاوی محلول توسط یک لوله تغذیه گاز از پایین با یک الکترود فلزی تثبیت‌شده در وسط لوله تولید می‌شود. جمع‌کننده بالای منبع محلول قرار دارد.

 

شکل 2– شمایی از فرایند الکتروریسی حبابی.

 

روش الکتروریسی حبابی از پتانسیل بالایی برای تولید انبوه نانوالیاف با قطر کمتر از 50 نانومتر برخوردار است. این روش در سال 2007 ابداع شده است. بر خلاف روش الکتروریسی متداول که در آن قابلیت الکتروریسی نانوالیاف عمدتاً به خواص محلول به‌ویژه ویسکوزیته آن بستگی دارد، قابلیت الکتروریسی در روش الکتروریسی حبابی به‌صورت هندسی به اندازه حباب‌های تولیدی وابسته بوده و مستقل از خواص محلول است. این روش دارای مکانیزم بسیار ساده‌ای است. در غیاب میدان الکتریکی، سیستم حباب‌ساز شروع به ایجاد تعداد زیادی حباب در سطح محلول می‌کند. با اعمال میدان، بار الکتریکی در سطح حباب‌ها افزایش می‌یابد. با ایجاد بارهای سطحی تحت میدان الکتریکی، یک تنش مماسی به وجود می‌آید که باعث هدایت حباب‌های ریز به سمت جریان جت می‌شود.

نیرو‌های وارد بر حباب حاصل از محلول پلیمری تحت ولتاژ در شکل 3 نشان داده شده است.

 

شکل 3– تحلیل نیرو‌های وارد بر حباب در روش الکتروریسی حبابی.

 

شمایی از نحوه تغییر شکل حباب پلیمری تحت میدان الکتریکی در شکل 4 نشان داده شده است.

 

شکل 4– تغییر شکل حباب پلیمری تحت میدان الکتریکی.

 

نیروی برآیند رو‌به‌بالا وارد بر نیم‌کره بالایی حباب برابر است با:

filereader.php?p1=main_5d5d54e65a16734702d4532008ec9e8f.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

 

که در آن Pi و P0 به‌ترتیب فشار هوا در درون و بیرون حباب، E ولتاژ اعمالی، q کل بار‌های سطحی و r شعاع حباب است.

همچنین، نیروی برآیند رو‌به‌پایین حاصل از کشش سطحی به‌صورت معادله زیر است:

 

که در آن T نیروی کشش سطحی به‌ازای واحد سطح، δ ضخامت حباب و θ زاویه بین دیواره لوله و نیروی کشش سطحی است.

طبق اصل موازنه نیرو، خواهیم داشت:

 

 

در غیاب اعمال ولتاژ، کشش سطحی به‌صورت هندسی به اندازه حباب بستگی دارد. با اعمال میدان الکتریکی، بار‌های الکتریکی القایی روی سطح حباب‌ها و سطح محلول ایجاد می‌شود. همان‌طوری که گفته شد، با ایجاد بارهای سطحی تحت میدان الکتریکی، یک تنش مماسی به وجود می‌آید که باعث تغییر شکل حباب به صورت جت مقعر روبه‌بالا می‌شود که در شکل 4 نشان داده شده است. هر گاه شدت میدان الکتریکی از مقدار بحرانی مورد‌نیاز برای غلبه بر کشش سطحی بیشتر شود، یک جت سیال از نوک حباب مخروطی‌شکل خارج می‌شود. هنگامی که حباب بترکد، بار‌های سطحی باز‌توزیع شده و سطح حباب به‌دلیل نیروی الکتریکی دوباره به سمت بالا کشیده می‌شود و لذا در مدت زمان اندکی چندین جت تشکیل خواهد شد.

در صورتی که اندازه حباب‌ها به مقیاس نانومتری میل کند، کشش سطحی به‌شدت کاهش می‌یابد و نانوحباب‌ها به‌راحتی به‌صورت نانوالیاف کشیده می‌شود. این فناوری ابزار بسیار مناسبی برای تولید نانوالیاف با قطر میانگین کوچک‌تر از 50 نانومتر است.

 

3-2- الکتروریسی به‌کمک گاز 
در برخی موارد، به‌دلیل کشش سطحی یا ویسکوزیته بالای مذاب پلیمری، نیروی الکترواستاتیک برای کشیدن آن به‌منظور تولید نانوالیاف کافی نیست. در این شرایط، از یک گاز مخصوص برای اعمال نیروی کشش کمکی به مذاب در نوک نازل استفاده می‌شود. علاوه‌بر‌این، استفاده از جریان گاز گرم به‌دلیل کاهش ویسکوزیته موجب تسهیل بیشتر فرایند الکتروریسی می‌شود. شمایی از نازل دستگاه الکتروریسی به‌کمک گاز در شکل 5 نشان داده شده است. استفاده از گاز گرم با هدف ذوب پلیمر، جلوگیری از منجمد‌ شدن آن در نزدیکی نازل و انتقال مذاب پلیمری با ویسکوزیته بالا و هدایت الکتریکی پایین از طریق نازل الکتروریسی صورت می‌گیرد. در فرایند الکتروریسی مذاب پلیمری به‌کمک گاز، به‌دلیل عدم نازک‌ شدن الیاف از طریق تبخیر حلال، الیاف ضخیم‌تری نسبت به فرایند الکتروریسی محلول پلیمری تولید می‌شود. علاوه‌بر‌این، جت مذاب پلیمری معمولاً به‌وسیله هوای پیرامون به‌سرعت سرد می‌شود که نه‌تنها از نازک‌شدن جت اولیه جلوگیری می‌کند، بلکه از حرکت شلاقی آن نیز ممانعت به عمل می‌آورد.  

 

شکل 5– شمایی از نازل دستگاه الکتروریسی به‌کمک گاز.

 

غلبه بر چالش‌های فوق مستلزم گرمایش اضافی به‌ویژه در نزدیکی نازل است. جریان گاز می‌تواند گرمایش محیط اطراف نازل را حفظ کند و لذا انجماد مذاب پلیمری را به تأخیر بیاندازد. همچنین، نرخ بالای جریان گاز قادر است نیروی درگ یا بازدارنده اضافه‌ای بر سطح جت ایجاد کند که منجر به نازک‌تر‌شدن الیاف و افزایش سرعت تولید آن‌ها می‌شود.

 

4-2- الکتروریسی مذاب
استفاده از برخی حلال‌ها برای تهیه محلول‌های الکتروریسی به‌دلیل مسائل زیست‌محیطی و سلامت با محدودیت مواجه بوده و لازم است از روش‌های دوست‌دار محیط‌زیست به‌جای روش حلالی استفاده شود. روش الکتروریسی مذاب که در آن از مذاب پلیمر به‌جای محلول پلیمری استفاده می‌شود، جایگزین مناسبی برای برخی مواد محسوب می‌شود. نارسانایی و ویسکوزیته بالای مذاب پلیمر‌ها از جمله مهم‌ترین عواملی است که قابلیت الکتروریسی آن‌ها را محدود می‌کند. در روش الکتروریسی مذاب، بر خلاف الکتروریسی محلول، نیازی به تبخیر حلال برای انجماد الیاف پلیمری وجود نداشته و از سمیت ناشی از وجود حلال باقیمانده در الیاف مورد‌استفاده در سیستم‌های زیستی جلوگیری به عمل می‌آید. از طرف دیگر، الیاف حاصل از این روش به‌دلیل سرد‌شدن سریع مذاب دارای سطحی کاملاً صاف و همگن است، در حالی که سطح الیاف در روش الکتروریسی محلول، به‌علت تبخیر حلال از سطح آن‌ها معمولاً صاف و هموار نیست. با این وجود، قطر الیاف حاصل از روش مذاب به‌دلیل وجود در‌هم‌تنیدگی‌های بسیار زیاد بین زنجیره‌های پلیمری، پایداری بیشتر جت پلیمری و عدم وجود حلال در حالت عادی تا 10 برابر بزرگ‌تر از قطر الیاف پلیمری مشابه حاصل از روش محلول است، اما در مقابل، الیافی با توزیع قطر باریک‌تر و درجه همگنی بالاتری به‌دست می‌آید. در روش الکتروریسی مذاب بایستی گرمای ثابت و یکنواختی در سیستم فراهم شود تا پلیمر در حالت مذاب باقی بماند. همچنین، تولید الیاف با قطر یکنواخت مستلزم پایدار‌سازی سرعت جریان و برقراری تعادل دمایی در سیستم الکتروریسی مذاب است. از آنجایی که پلیمر در حالت مذاب به بار بیشتری برای تشکیل جت نیاز دارد، لذا فاصله نازل تا جمع‌کننده در این روش بیشتر از الکتروریسی محلول است.

 

شکل 6– شمایی از دستگاه الکتروریسی مذاب.

 

5-2- الکتروریسی به‌کمک میدان مغناطیسی
می‌توان با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی پیرامون جمع‌کننده آرایه‌های منظمی از نانوالیاف هم‌راستا به‌دست آورد. الکتروریسی به‌کمک میدان مغناطیسی با اضافه‌کردن دو آهنربا به دستگاه الکتروریسی متداول حاصل می‌شود. شمایی از این روش در شکل 7 نشان داده شده است. الیاف تولیدی در حضور میدان مغناطیسی اساساً دارای یکنواختی بیشتر و انشعاب بسیار کمتری نسبت به الیاف تولیدی در غیاب میدان مغناطیسی هستند.

 

شکل 7– شمایی از دستگاه الکتروریسی به کمک میدان مغناطیسی.

 

6-2- الکتروریسی چند‌نازله
در حالت کلی، فرایند الکتروریسی متداول دارای ظرفیت تولید پایینی در حدود 0.02g/h است. تاکنون روش‌های متعددی برای بهبود نرخ تولید الیاف با استفاده از روش الکتروریسی گزارش شده است که روش الکتروریسی چند‌نازله در رأس آن‌ها قرار دارد. در این روش، چندین جت به‌صورت همزمان از چندین نازل تولید می‌شود. شمایی از روش الکتروریسی چند‌نازله در شکل 8 نشان داده شده است. این روش علاوه بر افزایش نرخ الکتروریسی و امکان الکتروریسی همزمان الیاف پلیمری مختلف، دارای محدودیت‌هایی نیز هست. مشاهده شده است که چنانچه فاصله نازل‌ها از همدیگر کمتر از چند سانتی‌متر باشد، جت‌‌های با بار مثبت به‌شدت بر یکدیگر تأثیر گذاشته و عملکرد یکدیگر را محدود می‌کنند. همچنین، طی کار مداوم، معمولاً نازل‌ها دچار گرفتگی شده و بازده کلی سامانه کاهش می‌یابد.

 

شکل 8– شمایی از دستگاه الکتروریسی چند نازله.

 

7-2- الکتروریسی دو‌جزیی (هم‌مرکز یا کواکسیال، جزیره در دریا و جدایش فازی)
الیاف دوجزیی، الیاف هتروفیل یا بای‌کامپوننت نیز نامیده می‌شوند. در روش الکتروریسی دو‌جزئی، حداقل دو پلیمر مختلف از مسیر‌های معین طراحی‌شده در نازل خارج می‌شوند. شمایی از فرایند الکتروریسی دو‌جزئی به‌همراه سطح مقطع الیاف حاصل از آن با اشکال مختلف در شکل 9 نشان داده شده است. شکل و نحوه قرار‌گیری اجزای پلیمری نسبت به یک‌دیگر در الیاف تشکیل‌شده بستگی به طراحی مسیر‌های خروج محلول یا مذاب پلیمری از داخل نازل دارد. مورفولوژی داخلی الیاف می‌تواند به‌صورت جزیره در دریا، کیک قابل‌برش، دو جزء کنار هم، هسته-پوسته و هسته-پوسته خارج از مرکز باشد. الیاف جزیره در دریا با افزایش تعداد روزنه‌های موجود در نازل به دست می‌آید. برای تهیه الیاف هسته-پوسته یا الیاف توخالی از نازل با دو روزنه هم‌مرکز استفاده می‌شود. این الیاف در میکروالکترونیک، اپتیک و پزشکی کاربرد دارد. الکتروریسی دوجزئی روش مناسبی برای تولید نانولوله‌های پلیمری است که خود می‌تواند به‌عنوان قالبی برای تولید نانولوله‌های سرامیکی مورد استفاده قرار گیرد.

 


شکل 9- شمایی از فرایند الکتروریسی دو‌جزئی به‌همراه سطح مقطع الیاف حاصل از آن.

 

نانوالیاف جزیره در دریا برای اولین بار توسط شرکت تورای تولید شد. با حل‌کردن پلیمر دریا در یک حلال یا ذوب‌کردن آن، دریا برداشته می‌شود و الیاف بسیار ظریف به جای می‌مانند. پیش از حل‌کردن پلیمر دریا بایستی الیاف تحت نیروی کشش قرار گیرند تا قطرشان کاهش یابد. طراحی نازل و توزیع روزنه‌های آن روی قطر، سطح مقطع و تعداد جزایر تأثیر می‌گذارد. ویسکوزیته دو پلیمر مهم‌ترین عامل تعیین‌کننده قابلیت الکتروریسی آن‌هاست.

در روش جدایش فازی حلال استخراج می‌شود و فاز دیگر به جای می‌ماند. به بیان دیگر، این فرایند دارای مراحل مختلفی شامل (1) حل کردن پلیمر، (2) جداسازی فاز مایع از مایع، (3) ژل‌کردن پلیمر از طریق سرد‌ کردن، (4) خارج‌ کردن حلال از ژل با آب و (5) منجمد‌ کردن و خشک‌ کردن است. مرحله ژل‌‌سازی حساس‌ترین مرحله این فرایند است، به‌طوری که ساختار متخلخل فوم‌های نانوالیافی را کنترل می‌کند. مدت‌زمان ژل‌سازی به غلظت پلیمر و دمای ژل‌سازی بستگی دارد. دو عامل غلظت و دمای ژل‌سازی تأثیر چندانی روی میانگین قطر الیاف ندارند. لازم به ذکر است که افزایش غلظت پلیمر سبب کاهش تخلخل و افزایش خواص مکانیکی خواهد شد. از دیگر عوامل تأثیر‌گذار روی مورفولوژی و خواص نانوالیاف به‌دست آمده می‌توان به نوع پلیمر و حلال و عملیات حرارتی اشاره کرد. سادگی ابزار و سهولت فرایند از جمله مزایای روش جدایش فازی است. در عین حال، این فرایند نیازمند مدت‌زمان طولانی برای انتقال پلیمر جامد به غشای نانومتخلخل است.

 

8-2- الکتروریسی بدون سوزن
برای پرهیز از استفاده از سوزن و لوله مویین به‌عنوان نازل و جلوگیری از محدودیت‌های مرتبط با آن‌ها، از روش الکتروریسی بدون سوزن استفاده می‌شود که در آن‌ها از اشکال جدیدی از نازل استفاده می‌شود. فرایند الکتروریسی بدون سوزن مبتنی بر یک اصل اساسی است که بر طبق آن امواجی از یک مایع رسانای الکتریکی در مقیاس مزوسکوپی در حالت خودآرا قرار می‌گیرند و هرگاه شدت ولتاژ الکتریکی اعمالی بالاتر از یک مقدار بحرانی باشد، شروع به تشکیل جت‌های پلیمری می‌کنند. دستگاه الکتروریسی بدون سوزن به دو صورت کلی طراحی می‌شود: الکتروریسی بدون سوزن با سیستم تغذیه محدود و سیستم تغذیه نامحدود. در سیستم تغذیه محدود، مخزنی حاوی محلول پلیمری که متعاقباً دورن نازل تزریق می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما در سیستم تغذیه نامحدود از نازل استفاده نمی‌شود. در هر دو گروه، یک منبع ولتاژ بالا برای کشیدن جت‌های پلیمری و تبدیل آن‌ها به نانوالیاف به کار گرفته می‌شود و محلول پلیمری به‌صورت کنترل‌شده روی سطح آزاد یک پشتواره مناسب اعمال می‌شود. این پشتواره می‌تواند به‌شکل استوانه یا سیم در سیستم با تغذیه نامحدود، یا به‌صورت یک سطح آزاد در سیستم با تغذیه محدود باشد. شمایی از دستگاه الکتروریسی بدون سوزن در شکل 10 نشان داده شده است.

 

filereader.php?p1=main_c365bfda06a5a1c867d4c4447e024a0d.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 10- شمایی از دستگاه الکتروریسی بدون سوزن به‌همراه انواع الکترود‌های چرخان.

 

با استفاده از سیستم الکتروریسی بدون سوزن، نرخ تولید نانوالیاف به‌دلیل استفاده از چندین جت پلیمری نسبت به روش الکتروریسی تک‌سوزنه به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد، اما توزیع قطر الیاف پهن‌تر است.

 

9-2- الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز (سانتریفیوژی)
 فرایند‌های ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز و الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز دو روش متداول برای تولید نانوالیاف هستند. این دو روش شباهت بسیار زیادی دارند. در روش الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز، محلول پلیمری به داخل یک دیسک دوار با سرعت بسیار بالا تزریق می‌شود. محلول پلیمری در اثر غلبه نیروهای کشش سطحی بر نیروهای گریز‌ از‌ مرکز، به‌طور شعاعی به لبه‌های دیسک دوار حرکت کرده و وارد میدان الکتریکی ولتاژ بالا می‌شود. مهمترین مزیت این روش، عدم وابستگی آن به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت است. شمایی از دستگاه الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز در شکل 11 نشان داده شده است.

 

شکل 11- شمایی از دستگاه الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز.

 

سرعت چرخش نازل، ساختمان نازل، فاصله جمع‌کننده از نازل و دما از جمله عوامل مؤثر بر روی هندسه و مورفولوژی نانوالیاف تولیدی به روش الکتروریسی گریز‌ از‌ مرکز است. با بهینه‌سازی سرعت چرخش نازل و دمای مذاب پلیمری می‌توان نانوالیاف با نرخ تولید بالا به‌دست آورد. علاوه‌بر‌ این، این روش بر مشکلات ناشی از استفاده از حلال برای تهیه محلول پلیمری غلبه می‌کند.

 

3- ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز یا فورس‌اسپینینگ
روش ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز مشابه دستگاه‌های پشمک‌ساز عمل می‌کند. در پشمک‌ساز، شکر با گرما ذوب شده و از طریق نیروی گریز‌از‌مرکز به سمت نازل‌ها هدایت می‌شود. الیاف ساکاروز به‌شکل تصادفی در فضای آزاد نزدیک نازل توزیع می‌شود. در روش ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز از میدان الکتریکی استفاده نمی‌شود و به‌جای آن از نیروی گریز‌ از‌ مرکز برای تشکیل الیاف بهره‌برداری می‌شود. هرگاه سرعت چرخش نازل که حاوی مذاب پلیمری است، به یک مقدار بحرانی برسد، نیروی گریز‌ از‌ مرکز برای غلبه بر کشش سطحی کافی بوده و لذا جت مایع از نوک نازل خارج شده و به‌شکل الیاف به‌سمت جمع‌کننده کشیده می‌شود. شمایی از روش ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز در شکل 12 نشان داده شده است.

 

filereader.php?p1=main_0219d11ccc85ab4cbdf73ff7e05e41d6.png&p2=edu_article&p3=1&p4=1

شکل 12- شمایی از روش ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز.

 

در حالت کلی، استفاده از روش فورس‌اسپینینگ امکان غلبه بر محدودیت‌های موجود در روش الکتروریسی متداول از قبیل اعمال میدان الکتریکی بالا، بازده پایین، رسانایی الکتریکی و هزینه بالای تولید را ممکن ساخته است. مهم‌ترین محدودیت این روش آن است که کیفیت الیاف تولیدی و بازده فرایند به‌شدت وابسته به خواص ماده و طراحی نازل است.

 

4- کشش
در فرایند کشش، یک قطره میلی‌متری از یک محلول پلیمری بر روی سطحی از جنس دی‌اکسید سیلیسیم (SiO2) نشانده می‌شود. غلظت محلول در لبه‌های قطره به‌دلیل تبخیر ناشی از جریان مویینگی افزایش می‌یابد. یک میله آهنی یا شیشه‌ای به داخل قطره تا نزدیکی خط تماس با سطح فرو برده شده و سپس با سرعت 100 میکرومتر بر ثانیه بیرون آورده می‌شود که منجر به کشیده‌شدن محلول به‌صورت یک نانولیف می‌شود. شمایی از فرایند کشش نانوالیاف در شکل 13 نشان داده شده است. این روش تنها برای مواد ویسکوالاستیک که قادر به حفظ انسجام خود تحت تنش‌های کششی بالا بوده و تغییر شکل زیادی از خود نشان می‌دهند، مورد‌ استفاده قرار می‌گیرد.

 

 شکل 13- شمایی از فرایند کشش نانوالیاف.

 

روش کشش فرایندی ساده و کم‌هزینه برای تولید سیم‌های فوتونیکی است. با این وجود، این روش نیازمند توزیع پایدار حرارت در نقطه کشش بوده و طول سیم تولیدی در حدود چند صد میکرومتر است. الیاف پلی(تری‌متیلن ‌ترفتالات) یا PTT با قطر 60 نانومتر و طول 500 نانومتر با استفاده از این روش تولید شده است. تولید این نانوالیاف با سرعت یک متر بر ثانیه امکان‌پذیر است. همزمان با کشش، انعقاد هم رخ می‌دهد. مرحله انعقاد با خنک‌ کردن یا تبخیر حلال صورت می‌پذیرد. در این فرایند، قطر الیاف تولیدی به عواملی نظیر نرخ کشش، نرخ خنک‌سازی یا تبخیر و غلظت ماده اولیه بستگی دارد. الیاف تولیدی نه‌تنها اتلاف نوری ندارند، بلکه از انعطاف‌پذیری مناسبی نیز برخوردار هستند.

 

5- تولید نانوالیاف با استفاده از الگو
روش‌های مختلفی برای تولید نانوساختار‌های یک‌بعدی توسعه یافته است. سنتز با استفاده از الگو‌های پیش‌ساخته یکی از موفق‌ترین و از نظر صنعتی آینده‌دارترین روش‌های تولید این ساختار‌هاست. با استفاده از این روش، امکان سنتز نانولوله‌های توخالی و نانومیله‌های توپر یا نانوالیاف با هزینه نسبتاً پایین وجود دارد. در این روش، از یک قالب نانوساختار متخلخل به‌عنوان الگو استفاده می‌شود. از آنجایی که حفرات دارای ابعاد بسیار دقیق و منظمی هستند، قطر و نسبت ابعادی الیاف (نسبت طول به قطر یا aspect ratio) به‌خوبی قابل‌ کنترل است. قالب‌های مورد استفاده در این روش، مواد متخلخل مانند اکسید آلومینیوم آندایز‌شده (AAO) یا اکسید سیلیسیم آندایز‌شده هستند که حفرات موازی دارند. می‌توان بسته به اندازه تخلخل قالب، نانوالیاف با قطر و چگالی متفاوت تولید کرد. این روش طی دو مرحله (1) تهیه الگو و (2) نانوقالب‌گیری پلیمر مورد‌نظر که از نظر عملی شامل نفوذ پلیمر به داخل حفرات نانومتری است، انجام می‌شود. شمایی از فرایند نانوقالب‌گیری در شکل 14 نشان داده شده است. از مهم‌ترین ویژگی‌های این روش می‌توان به امکان تولید نانوالیاف از جنس پلیمر‌های رسانا، فلزات، نیمه‌‌رسانا‌ها و کربن اشاره کرد. با این وجود، تاکنون تولید پیوسته نانوالیاف با استفاده از این روش امکان‌پذیر نشده است.

 

شکل 14- شمایی از فرایند نانوقالب‌گیری برای تولید نانوالیاف پلیمری با استفاده از الگوی نانومتخلخل.

 

6- خودآرایی
فرایند خودآرایی مبتنی بر وجود نیروی‌های بین‌مولکولی است که اجزای مولکولی را به‌صورت منظم در کنار یکدیگر قرار می‌دهد. پیوند‌های هیدروژنی، یونی، الکترواستاتیک، آب‌گریزی و واندروالسی می‌تواند مولکول‌ها را به‌شکل الیاف در آورد. استفاده از روش خودآرایی برای تولید نانوالیاف پیوسته نیز مانند روش جدایش فازی، فرایندی زمان‌بر است.

 

7- ریسندگی سریع (فلش-اسپینینیگ) 
این روش شامل پاشش سریع و تحت فشار بالای فیلم نازکی از محلول یا مذاب پلیمری به یک حمام ریسندگی و تبدیل آن به یک یا چند شبکه الیافی است. در روش محلولی، محلول حاوی پلیمر و حلال، در دمایی بالاتر از نقطه جوش حلال اسپری می‌شود، به‌طوری که افت ناگهانی فشار پس از خروج آن از نازل، باعث تبخیر سریع حلال می‌شود.

 

8- پلیمریزاسیون فصل‌مشترکی
 پلیمریزاسیون فصل‌مشترکی به‌عنوان روشی مؤثر برای تولید نانوالیاف پلیمر‌های رسانا شناخته می‌شود. در حالت کلی، پلیمرهای رسانایی مانند پلی‌آنیلین، پلی‌پیرول و پلی (4،3 – اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) با استفاده از این فرایند تولید می‌شوند. این روش شامل پلیمریزاسیون ماده پلیمری در فصل مشترک بین دو مایع امتزاج‌ناپذیر است. در این روش، رسانایی الکتریکی پلیمر با تغییر مواد اولیه کنترل می‌شود. در گام نخست، مواد اکسنده و مونومرها در حلال‌های غیرقابل‌ اختلاط (مانند آب و روغن) حل شده و بدون هم‌زدن مخلوط می‌شوند. پس از مدتی بخشی از مونومرها در ناحیه فصل‌مشترک دو محلول اکسید می‌شوند و الیگومرهایی را ایجاد می‌کنند که به‌تدریج رشد می‌کنند. بنابراین، پلیمریزاسیون فصل‌مشترکی یک روش بدون قالب است که در آن غلظت موضعی بالای مونومر و آنیون‌های دوپ‌کننده در فصل‌مشترک مایع-مایع، تشکیل توده‌های مونومری و آنیون یا الیگومر–آنیون را افزایش می‌دهد. این توده‌های مولکولی به‌عنوان هسته یا جوانه برای فرایند پلیمریزاسیون عمل کرده و باعث ایجاد پودر با مورفولوژی رشته‌ای می‌شود. افزودن برخی سورفکتانت‌ها یا مولکول‌های فعال سطحی به کنترل بهتر قطر الیاف کمک می‌کند. شمایی از مراحل مختلف فرایند پلیمریزاسیون فصل‌مشترکی برای تولید نانوالیاف در شکل 15 نشان داده شده است. جداسازی نانوالیاف از محلول یکی از مهم‌ترین مراحل این فرایند است که با استفاده از روش فیلتراسیون توسط فیلترهای ظریف یا کیسه‌های دیالیز انجام می‌شود. برای درک بهتر این فرایند، مقاله "روش‌های میکروامولسیون و مایسل معکوس" را مطالعه کنید.

 


شکل 15- شمایی از مراحل روش پلیمریزاسیون فصل‌مشترکی برای تولید نانوالیاف.

 

9- تر‌ریسی یا ریسندگی تر 
روش ریسندگی تر یکی از فرایندهای مرسوم و تجاری بوده و قادر به تولید نانوالیاف با قطر 10 میکرومتر تا چندصد نانومتر است. پیش‌ماده اولیه از طریق یک روزنه بسیار ظریف شیشه‌ای درون یک محیط بسیار ویسکوز و در حال چرخش تزریق می‌شود. این محیط رشته را به سمت میله محور دوران می‌برد. نانوالیاف به سمت میله واقع در محور چرخش محیط کشیده شده و پس از طی یک مسیر پیوسته حلزونی‌شکل دور آن پیچیده و سفت می‌شوند. ابن روش می‌تواند الیافی را که قابلیت ریسندگی آن‌ها با استفاده از روش‌های دیگر وجود ندارد، بریسد. علاوه‌بر‌ این، مواد با ویسکوزیته پایین با استفاده از این روش قابل‌ریسیدن هستند.

 


شکل 16 – شمایی از فرایند ترریسی.

 

10- مقایسه کلی روش‌های تولید نانوالیاف
به‌طور کلی، روش الکتروریسی دارای مزایای قابل‌ملاحظه‌ای نسبت به روش‌های دیگر تولید نانوالیاف است که از جمله آن‌ها می‌توان به انعطاف‌پذیری بالاتر برای مواد پلیمری مختلف، تولید الیاف با قطر یکنواخت‌تر و عدم وجود پیچیدگی‌های ابزاری و فرایندی اشاره کرد. روش‌های مختلف تولید نانوالیاف به‌همراه مزایا و معایب مربوط به آن‌ها در جدول 1 آورده شده است.

 

جدول 1. روش‌های مختلف تولید نانوالیاف به‌همراه برخی از مزایا و معایب هر کدام از آن‌ها

روش تولید قابلیت صنعتی‌شدن مزایا معایب
ریسندگی محلول دارد  نرخ تولید بالا

حذف ناقص حلال

حمام‌های پیچیده منعقد‌سازی

ریسندگی مذاب دارد

بازده بالا

چند‌کاربردی

تولید یکنواخت

توزیع متغیر قطر

مصرف بالای انرژی

ریسندگی گریز‌ از‌ مرکز دارد

سادگی فرایند

نرخ تولید بالا

امنیت بالا

لزوم استفاده از دمای بالا
الکتروریسی محلول دارد

تجهیزات ساده

تولید نانوالیاف با قطر یکنواخت

قابلیت تغییر ترکیب شیمیایی

بازده پایین برای یک سرنگ

مشکلات مربوط به بازیافت و سمیت حلال

الکتروریسی مذاب دارد

عدم استفاده از حلال

هزینه اندک

امکان کنترل نحوه چینش الیاف

بازده پایین

امکان استفاده برای انواع محدودی از پلیمر‌ها

سهولت در گرفتگی سوزن

پیچیدگی ابزاری

کشش ندارد

فرایند ساده و تک‌مرحله‌ای

تولید الیاف با طول زیاد

نرخ تولید پایین

غیریکنواختی در اندازه قطر

تولید به‌کمک الگو ندارد سهولت کنترل قطر الیاف با تغییر الگو پیچیدگی فرایند
خودآرایی ندارد سهولت تولید نانوالیاف کوچک‌تر پیچیدگی فرایند
جدایش فازی ندارد تجهیزات ساده قابل‌استفاده برای پلیمر‌های خاص

 

11- جمع‌بندی
 سادگی و سهولت فرایند الکتروریسی منجر به نوآوری‌های فراوان و توسعه روش‌های مختلف الکتروریسی شده است. در این مقاله، برخی از انواع روش‌های الکتروریسی از قبیل الکتروریسی حبابی، الکتروریسی مذاب، الکتروریسی بدون سوزن و غیره، به‌همراه روش‌های دیگر تولید نانو‌ساختار‌های یک‌بعدی مانند کشش، خودآرایی و استفاده از الگو‌های پیش‌ساخته به‌طور اجمالی تشریح شد. در نهایت، خلاصه‌ای از مزایا و معایب هر یک از این روش‌ها ارائه شد. هر چند بسیاری از این روش‌ها ممکن است در مراحل اولیه توسعه قرار داشته باشند و تجاری سازی آن‌ها مستلزم انجام تحقیقات گسترده‌ای است.

در فیلم زیر، توضیحاتی پیرامون روش‌های تولید نانوالیاف ارائه شده و مزایا و معایب آن‌ها ذکر شده است.

 

 

در فیلم زیر در رابطه با روش الکتروریسی متداول توضیحاتی ارائه شده و روش الکتروریسی بدون سوزن به‌طور خلاصه توضیح داده شده است.

 

 

در فیلم زیر در رابطه با دستگاه الکتروریسی و نحوه عملکرد آن توضیحاتی ارائه شده است.

 

 

در فیلم زیر در رابطه با روش الکتروریسی بدون سوزن و تولید نیمه‌صنعتی نانوالیاف توضیحاتی ارائه شده است.

 

 

منابـــع و مراجــــع

Zhmayev, Eduard, Daehwan Cho, and Yong Lak Joo. "Nanofibers from gas-assisted polymer melt electrospinning." Polymer 51, no. 18 (2010): 4140-4144.

Yang, Ruirui, Jihuan He, Lan Xu, and Jianyong Yu. "Bubble-electrospinning for fabricating nanofibers." Polymer 50, no. 24 (2009): 5846-5850.

Brown, Toby D., Paul D. Dalton, and Dietmar W. Hutmacher. "Melt electrospinning today: An opportune time for an emerging polymer process." Progress in Polymer Science 56 (2016): 116-166.

Mitchell, Geoffrey R., ed. Electrospinning: principles, practice and possibilities. Royal Society of Chemistry, 2015.

Alghoraibi, Ibrahim, and Sandy Alomari. "Different Methods for Nanofiber Design and Fabrication." Handbook of Nanofibers (2018): 1-46.

Nazir, A., N. Khenoussi, L. Schacher, T. Hussain, D. Adolphe, and A. H. Hekmati. "Using the Taguchi method to investigate the effect of different parameters on mean diameter and variation in PA-6 nanofibres produced by needleless electrospinning." RSC Advances 5, no. 94 (2015): 76892-76897.

Sasithorn, Nongnut, Lenka Martinová, Jana Horáková, and Rattanaphol Mongkholrattanasit. "Fabrication of Silk Fibroin Nanofibres by Needleless Electrospinning." In Electrospinning-Material, Techniques, and Biomedical Applications. InTech, 2016.

Upson, Sarah J., Tom O'Haire, Stephen J. Russell, Kenneth Dalgarno, and Ana Marina Ferreira. "Centrifugally spun PHBV micro and nanofibres." Materials Science and Engineering: C 76 (2017): 190-195.