[نانوساختارها] - نانو الیاف

[P O U R I A]

نانو الیاف
---------------------------------------------------------
در این تاپیک در مورد موارد زیر بحث می شود :


1- مقدمه ای بر نانوالیاف و روش های تولید #2
2- پارامترهای تأثیرگذار بر الکتروریسی نانوالیاف #9
3- خواص و کاربرد انواع ساختار نانوالیاف الکتروریسی شده#15

 

[P O U R I A]

مقدمه ای بر نانوالیاف و روش های تولید

مقدمه ای بر نانوالیاف و روش های تولید

الیاف موادی هستند که دارای نسبت طول به قطر بالایی بوده و دارای کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف هستند. با پیشرفت فناوری و ظهور فناوری نانو، تولید الیاف در مقیاس نانومتری (نانوالیاف) مورد توجه بسیاری از پژوهشگران و صنعتگران در حوزه های مختلف قرار گرفته است. این الیاف سطح تماس بسیار زیادی فراهم می کنند که موجب بهبود خواص آن ها نسبت به الیاف معمول می شود. در این مقاله در مورد روش های مختلف تولید نانوالیاف شامل کشش، تولید از قالب، جدایش فازی، خودآرایی، الکتروریسی و ویژگی های هر کدام از این روش ها بحث شده است و همچنین روش های مذکور از نظر پیشرفت تکنولوژیکی، مقیاس پذیری، تکرارپذیری، سهولت فرایند و کنترل ابعاد الیاف با یکدیگر مقایسه شده اند. در ادامه کاربردهای نانوالیاف در زمینه پزشکی، مهندسی بافت و فیلتراسیون به طور مختصر معرفی شده است.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
الیاف در یک جمله، رشته‌های بسیار باریکی هستند که دارای طول بلندی نسبت به قطر خود بوده و کاربردهای متفاوتی دارند [1]. الیاف به طور کلی به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم بندی می شوند. محدودیت هایی که از نظر تأمین منابع در مورد الیاف طبیعی وجود دارد، موجب جهت دهی دانشمندان به سمت تولید الیاف مصنوعی شده است. این الیاف معمولاً دارای قطری در محدوده 5 تا 500 میکرومتر هستند، ولی در سال¬های اخیر با پیشرفت فناوری نانو، تولید الیاف با قطر نانومتری مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. نانوالیاف به صورت الیاف با قطر کمتر از 100 نانومتر تعریف می شوند و با دارا بودن یک بعد خارج از محدوده نانومتری، جزء دسته نانومواد تک بعدی قرار می گیرند. نسبت سطح به حجم بسیار بالا (این نسبت در مورد نانوالیاف تقریباً 1000 برابر الیاف میکرونی است)، انعطاف بالا در عامل دار کردن سطوح و خواص مکانیکی عالی از قبیل چقرمگی و استحکام کششی از خواص مورد توجه نانوالیاف در مقایسه با الیاف معمولی است. این خواص برجسته موجب شده است تا نانوالیاف گزینه مناسبی برای بسیاری از کاربردهای مهم باشند [2].

2- روش های تولید نانوالیاف
روش های متعددی برای تولید الیاف وجود دارد، ولی روش هایی که می توانند منجر به تولید الیاف با قطرهای نانومتری یا نانوالیاف شوند عبارتند از کشش، تولید از قالب، جدایش فازی، خودآرایی و الکتروریسی [3].

 

[P O U R I A]

2-1- کشش
این روش قادر است الیافی با طول زیاد و قطر چند نانومتری تولید کند. هر نانولیف از یک میکروپیپت در حین تبخیر حلال و در لحظه شروع انجماد کشیده می شود. این الیاف می‌توانند طولی در حدود چند صد میکرومتر و قابلیت دستکاری با میکروسکوپ نیروی اتمی را داشته باشند.
این روش همواره با انجماد همراه است، که مواد ریسیده شده را به الیاف جامد تبدیل می کند. مرحله انجماد در مورد ذوب ریسی با سرد کردن و در خشک ریسی با تبخیر حلال صورت می پذیرد. این فرایندهای پیچیده، قطر الیاف تولیدی را به نرخ کشش، نرخ سرد کردن یا تبخیر و ترکیب دقیق ماده اولیه وابسته می-سازد.
فرایندهای استاندارد کشش تاکنون نتوانسته اند الیافی با قطر کمتر از 200 نانومتر تولید کنند، زیرا موادی پیدا نشده اند که بتوانند به قله منحنی شکل 1 برسند. برای رسیدن به الیاف با قطر کمتر از 100 نانومتر نیاز به استفاده از مولکول های کوتاه به جای زنجیره های بلند پلیمری است. همچنین کشیدن الیاف در هنگام تبخیر حلال در دمای اتاق خواص ماده اولیه را بهبود می بخشد و اجازه رسیدن به ویسکوزیته بهینه برای کشش الیاف را می دهد (قله شکل 1).
روش کشش نیازمند موادی با رفتار ویسکوالاستیسیته (خصوصیتی از ماده که نشان دهنده ویسکوزیته و الاستیسیته ماده در حال تغییر شکل است) برای تحمل تغییر شکل بالا است درحالیکه چسبندگی کافی برای مقاومت در برابر فشار وارده در طول عملیات کشش را داشته باشند [4].

شکل 1- نمایش شماتیک طول بیشینه لیف به عنوان تابعی ازمحصول سرعت کشش با ویسکوزیته ماده اولیه [4]. ​

 

[P O U R I A]

2-2- تولید از قالب
در این روش اکستروژن محلول ماده اولیه در محلول در حال انجماد، تحت فشار موجب تولید نانوالیاف می شود. قالب های مورد استفاده در این روش، مواد متخلخل مانند اکسید فلزات آندایز شده هستند که حفرات موازی دارند. بسته به اندازه تخلخل قالب، می توان نانوالیافی با قطرهای متفاوت و چگالی های متفاوت تولید کرد. مراحل تولید نانوالیاف در روش تولید از قالب مطابق ذیل است [5]:
1- قرار دادن قالب تمیز و خشک درون محفظه بر روی محلول در حال انجماد و ریختن محلول ماده اولیه روی قالب.
2- اکستروژن محلول ماده اولیه درون محلول در حال انجماد تحت فشار آب روی محلول (حدود 0.1 مگاپاسکال)، بنابراین نانوالیاف درون محلول در حال انجماد تشکیل می شوند.
3- برداشتن نانوالیاف تولید شده و شستن تمام مجموعه با آب یون زدایی شده.
از مهمترین ویژگیهای این روش می توان به تولید نانوالیاف پلیمرهای هادی، فلزات، نیمه هادی ها و کربن اشاره کرد. ولی با استفاده از این روش نمی توان نانوالیاف پیوسته تولید کرد [2].

2-3- جدایش فازی
ماده اولیه پلیمری به همراه حلال، درون ظرفی به نسبت مشخص اضافه شده و محلول تولید می شود. سپس محلول تولید شده درون فریزر قرار داده می شود تا تبدیل به ژل شود و مدتی در آن دما باقی می ماند. به منظور تعویض حلال، ظرف حاوی ژل درون حلال دیگری غوطه ور می شود. سپس ژل از حلال جدا شده و پس از فیلتر شدن درون فریزر قرار می گیرد و در محیط خلاء خشک می شود. به طور کلی تولید نانوالیاف با استفاده از این روش به 5 مرحله تقسیم می شود: انحلال، ژله ای شدن، استخراج با استفاده از حلال دیگر، منجمد کردن و خشک کردن که منجر به تولید فوم متخلخل نانو مقیاس می شود [6].
این فرایند نیاز به دوره زمانی زیادی برای انتقال پلیمر جامد به فوم نانومتخلخل دارد [2].

2-4- خودآرایی
به طور متداول خودآرایی نانوالیاف به ساخت الیاف نانومقیاس با استفاده از مولکول های کوچک تر به عنوان واحدهای سازنده اولیه اطلاق می شود. شکل 2 به صورت شماتیک روش خودآرایی برای تولید نانوالیاف را نشان می دهد. یک مولکول کوچک به طور هم مرکز قرار می¬گیرد و با مولکول های دیگر به طور هم مرکز پیوند برقرار می کند. پیشرفت فرایند در صفحه عمود، محور طولی نانولیف را تشکیل می دهد. سازوکار اصلی برای روش خودآرایی، نیروهای بین مولکولی است، که واحدهای کوچک تر را کنار هم جمع می کند و مشخص کننده شکل مولکول های بزرگ نانولیف است [3].
این روش نیز مانند روش جدایش فازی، برای تولید نانوالیاف پیوسته، روشی وقت گیر است [2].

شکل 2- شماتیک الف) ساختار مولکولی، ب) نانوساختار، ج) تصویر میکروساختار و د) تصویر ماکروساختار شبکه نانوالیاف پپتید خودآرایی شده [7]. ​

 

[P O U R I A]

2-5- الکتروریسی
الکتروریسی روشی با نیروی محرکه الکترواستاتیکی برای تولید نانوالیاف است. نانوالیاف از محلول مایع یا مذاب پلیمری که از لوله موئین به منطقه با میدان الکتریکی بالا تغذیه می شود، تشکیل می شوند. زمانی که نیروهای الکترواستاتیکی بر تنش سطحی مایع غلبه می کنند، یک مخروط تیلور تشکیل می شود و یک جت باریک به سرعت به سمت هدف (جمع کننده) متصل به زمین و یا با بار مخالف شتاب می گیرد. ناپایداری در این جت موجب حرکت های ضربه ای شدید می شود که به تبع آن جت طویل و باریک شده و اجازه می دهد حلال تبخیر شود و یا مذاب سرد شود و نانوالیاف روی سطح هدف تشکیل شوند. بار الکتریکی جت، موجب خم شدن لیف می شود به طوری که با هر بار حلقه شدن، قطرش کاسته می شود. اندازه و ریزساختار نانوالیاف با متغیرهای عملیاتی متفاوتی کنترل می شود. این متغیرها، ویسکوزیته محلول، ولتاژ، نرخ تغذیه، هدایت محلول، فاصله هدف و لوله موئین و اندازه لوله هستند. روش الکتروریسی بسیار تطبیق پذیر بوده و محدوده وسیعی از مواد پلیمری با محدوده وسیعی از قطر الیاف (نانومتر تا چند میکرومتر)، با این روش تولید می¬شوند. انواع مختلفی از مولکول ها به راحتی می توانند برای تولید نانوالیاف عامل دار در فرایند شرکت داده شوند. نانوالیاف الکتروریسی شده معمولاً به صورت بی نظم یا جهت دار روی صفحه دوبعدی جمع آوری می-شوند [7]. در شکل 3 فرایند الکتروریسی به همراه تصویر میکروسکوپی نانوالیاف تولید شده به این روش آورده شده است و در جداول 1 و 2 روش های تولید نانوالیاف با یکدیگر مقایسه شده اند.

​

شکل 3- الف) دستگاه استاندارد الکتروریسی و ب) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نانوالیاف پلی اورتان الکتروریسی شده [7].​

جدول 1- مزایا و معایب روش های تولید نانوالیاف [7].

جدول 2- مقایسه روش های تولید نانوالیاف [3].

​

 

[P O U R I A]

3- کاربردها
امروزه تحقیقات در زمینه نانوفناوری با سرعت بالایی در حال پیگیری است و روز به روز کاربردهای متنوعی از این فناوری در زمینه های مختلف زندگی، برای انسان روشن می شود. در مورد نانو الیاف هم وضع به همین صورت است و کاربردهای متنوعی از آن گزارش شده است که ما در اینجا تنها به چند مورد از آن-ها اشاره خواهیم کرد.

3-1- کاربردهای پزشکی
نانوالیاف مصنوعی کاربردهای فراوانی در صنعت پزشکی دارند. در این زمینه، هم پلیمر های تجزیه پذیر و هم غیر تجزیه پذیر برای کاربردهای متنوع مورد بررسی قرار گرفتند چند نمونه از این کاربردها شامل تحویل دارو و ژن، رگ های خونی مصنوعی، اندام های مصنوعی و ماسک های صورت می شود. برای مثال، الیاف کربنی تو خالی که قطر کمتر از رگ های خونی دارند، برای حمل دارو درون رگ بسیار مناسب هستند. نانوالیاف و شبکه های ساخته شده از آن ها قادر به تحویل مستقیم دارو به بافت های داخلی هستند. مواد نچسب ساخته شده از سلولز هم اکنون در برخی از کارخانه ها در حال تولید هستند. محققان ترکیبی طبیعی که در خون وجود دارد را الکتروریسی کرده اند. این نانوالیاف می توانند برای کاربردهای بسیار زیاد پزشکی از قبیل باندپیچی و بخیه که به طور کامل درون بدن حل می شوند، استفاده شوند. نانوالیاف مذکور همچنین نرخ عفونت را به حداقل رسانده و به طور کامل جذب بدن می شود. بدلیل اندازه بزرگ گلبول های قرمز خون (حدود 7 میکرومتر) نسبت به حفره های ماتریس نانو الیاف، این گلبول ها نمی توانند از حفره های ماتریس نانو الیاف عبور کنند، به همین دلیل برای ساخت رگ گزینه مناسبی خواهند بود.

کاربرد پزشکی دیگر نانوالیاف استفاده از نانوالیاف بی بافت، در مهندسی بافت است. نقش مواد زیستی در مهندسی بافت، به این صورت است که می توانند به عنوان داربست برای سلول ها عمل کنند تا آنها به بافت مورد نظر متصل شوند و در آن آرایش یابند. علت توجه به این بخش شاید به این خاطر است که ساختار و شکل صفحات نانو الیاف بی بافت، مشابه ماتریس های پر سلولی بافت های طبیعی است. مطالعات نشان می دهد که اگر سلول های از بافت انسان روی نانو الیاف تجزیه پذیر تخم ریزی شوند، می توانند به لیف متصل شوند و در آن جا تکثیر یابند و بافت را بوجود آورند. استفاده از نانو الیاف برای داربست های سه بعدی که از پلیمرهای تجزیه پذیر مصنوعی و یا از پلیمرهای زیستی تولید شده است بخش وسیعی از مطالعات را به خود اختصاص داده است.
بکارگیری نانو الیاف پلیمری به عنوان زخم بند هم مورد مطالعه قرار گرفته است. به این صورت که اگر از ماتریس نانوالیاف بانداژی تولید کنیم و از آن برای پوشاندن زخم استفاده کنیم، چون اندازه حفره های ماتریس نانوالیاف بسیار کوچک است، به باکتری و عوامل میکروبی بیرونی اجازه ورود به منطقه زخم را نمی دهند، اما اکسیژن قابلیت نفوذ دارد یعنی براحتی از حفره های ماتریس نانو الیاف عبور کرده و به زخم می رسد، بنابراین مشکلی در تنفس پوست به وجود نمی آید.
انعطاف پذیری بالای فرآیند الکتروریسی، این اجازه را به ما می دهد که داروها و یا پروتئین ها را با پلیمر مخلوط کرده و ریسندگی را انجام دهیم، در این صورت نانوالیافی تولید خواهد شد که حامل مواد دارویی است و با آزاد کردن مواد دارویی به زخم می تواند باعث افزایش سرعت بهبود زخم شود [8].
3-2- مهندسی بافت
قطر، ساختار و خواص فیزیکی ماتریس های نانوالیاف می توانند به طور مؤثر با متغیرهای مختلفی که بر فرایند الکتروریسی اثر می گذارند کنترل شوند. ابعاد و ساختار ماتریس های نانوالیاف پلیمری بیشتر فاز کولاژن ماتریس خارج سلولی طبیعی را شبیه سازی می کنند. خواص فیزیکی عالی از قبیل مساحت سطح بالا، تخلخل بالا، ماتریس های نانوالیافی با حفرات مرتبط بهم و خواص مکانیکی مناسب، نرخ تخریب کنترل شده و زیست سازگاری، ماتریس های نانوالیاف پلیمری زیست تخریب¬پذیر را گزینه مناسبی برای توسعه داربست ها در مهندسی بافت می کند [8].

3-3- فیلتراسیون
الیاف سلولز از نانوالیاف بزرگ تر هستند و فضای خالی بیشتری بین الیاف سلولز وجود دارد که منجر به ورود آلودگی ها در عمق قطعه شده و مسیر عبور هوا را مسدود می کنند، بنابراین ظرفیت کاری فیلتر کاسته می شود. با اعمال نانوالیاف تولید شده بر روی سطح فیلترهای سلولزی، ذرات و آلودگی های با اندازه کمتر از میکرومتر بر روی سطح فیلترها گیر افتاده و از ورود آن ها به عمق قطعه جلوگیری می شود.

غشاهای بی بافت تولید شده از نانو الیاف، سایز حفره های خیلی کوچکی دارند و تخلخل این غشاها زیاد است، پس راندمان فیلتراسیون در آن ها بالاست. این ویژگی باعث شده که مورد مناسبی برای کاربردهای متنوع فیلتراسیون در زمینه های نظامی (مثل ماسک های شیمیایی) و یا صنعتی (مثل فیلتر برای موتورها و ژنراتورهایی که خیلی کثیف می شوند) و بهداشتی (مثل فیلترهای هوا) باشند. اخیراً اثبات شده که راندمان فیلتراسیون این غشاها را می توان توسط الیاف باردار شده ای که خصوصیت جذب الکترواستاتیکی ذرات در آن ها اصلاح شده است، افزایش داد [8].

 

[P O U R I A]

4- بحث و نتیجه گیری

روش های تولید نانوالیاف شامل کشش، تولید از قالب، جدایش فازی، خودآرایی و الکتروریسی هستند. از معایب روش کشش می‌توان به نیازمندی موادی با رفتار ویسکوالاستیسیته برای تحمل تغییر شکل بالا اشاره کرد درحالیکه چسبندگی کافی برای مقاومت در برابر فشار وارده در طول عملیات کشش را داشته باشند. از مهمترین ویژگی های روش تولید از قالب می توان به تولید نانوالیاف پلیمرهای هادی، فلزات، نیمه هادی ها و کربن اشاره کرد. ولی با استفاده از این روش نمی توان نانوالیاف پیوسته تولید کرد. فرایند جدایش فازی نیاز به دوره زمانی زیادی برای انتقال پلیمر جامد به فوم نانومتخلخل دارد. روش خودآرایی نیز مانند روش جدایش فازی، برای تولید نانوالیاف پیوسته، روشی وقت گیر است. روش الکتروریسی بسیار تطبیق پذیر بوده و محدوده وسیعی از مواد پلیمری با محدوده وسیعی از قطر الیاف را می توان در مقیاس صنعتی تولید نمود.

 

[P O U R I A]

پارامترهای تأثیرگذار بر الکتروریسی نانوالیاف

پارامترهای تأثیرگذار بر الکتروریسی نانوالیاف

الکتروریسی بعنوان یک روش ساده و ارزان در تولید الیاف بسیار نازک از محلول پلیمری مطرح می باشد. در این بخش پارامترهایی که بر مرفولوژی نانوالیاف الکتروریسی شده مانند قطر الیاف و یکنواختی آن تاثیرگذار است، مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در واقع با تغییر این پارمترها، کنترل نرخ تبخیر حلال، گره خوردگی زنجیره پلیمری و مساحت رسوب دهی نانوالیاف بر جمع کننده امکان پذیر خواهد بود. در نتیجه می توان الیافی با مرفولوژی مختلف تولید کرد. این پارامترها به سه گروه کلی پارامتر های محلول (وزن مولکولی و ویسکوزیته محلول، کشش سطحی، هدایت و اثر دی الکتریک محلول)، پارامترهای دستگاهی (دما، ولتاژ، نرخ تغذیه، اثر جمع کننده، قطر روزنه و فاصله سوزن و جمع¬کننده) و پارامترهای محیطی (رطوبت، نوع جو و فشار) تقسیم می شوند.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
فرایند الکتروریسی شامل اعمال میدان الکتریکی به منظور کشیده شدن محلول بطور پیوسته از سوزن سرنگ به صفحه جمع کننده است [1]. در الکتروریسی با استفاده از ولتاژ بالایی که به سیال پلیمری اعمال می شود، بارهایی در آن ها تولید خواهد شد. هنگامی که بارها در سیال به مقدار بحرانی می رسد، جت سیال در نوک سوزن تشکیل می شود. جت الکتروریسی شده به سمت صفحه جمع کننده حرکت می کند [2]. مرفولوژی لیف مانند قطر آن و یکنواختی الیاف پلیمری الکتروریسی شده به پارامترهای زیادی بستگی دارد. این پارامترها به سه گروه پارامتر محلول پلیمری، پارامتر دستگاهی و پارامتر محیطی تقسیم می شوند [3]. در ادامه به بررسی بیشتر این پارامترها خواهیم پرداخت.

2- پارامترهای محلول پلیمری
خواص محلول پلیمری اثر چشمگیری بر فرایند الکتروریسی و مرفولوژی الیاف تولید شده دارد. کشش سطحی به عنوان عامل مؤثر در تشکیل دانه ها در محور طولی الیاف نقش ایفا می کند. ویسکوزیته محلول و خواص الکتریکی آن، میزان کشیدگی محلول را تعیین خواهد کرد. این عامل ها بر قطر الیاف الکتروریسی شده نیز تأثیرگذار است [2].

2-1- وزن مولکولی و ویسکوزیته محلول
چون غلظت پلیمر و وزن مولکولی پلیمر، ویسکوزیته محلول را تعیین می کند، ویسکوزیته محلول به عنوان یک پارامتر مستقل تعریف نمی‌شود. محلول حاصل از انحلال پلیمر با وزن مولکولی زیاد در حلال نسبت به محلول بدست آمده از پلیمرهایی با وزن مولکولی کم، ویسکوزیته بیشتری دارد [1]. وزن مولکولی پلیمر متناسب با طول زنجیره پلیمری است. بنابراین این پارامتر معیاری از میزان گره خوردگی مولکول های پلیمری در حلال می باشد. در واقع گره خوردگی زنجیره پلیمری از شکست جت در طول کشیده شدن محلول پلیمری جلوگیری کرده و منجر به حفظ پیوستگی جت محلول می شود. بنابراین وزن مولکولی پلیمر مورد استفاده در الکتروریسی لیف باید به اندازه کافی بوده و محلول پلیمری نیز باید از ویسکوزیته مناسبی برخوردار باشد [3 و 4].

مشاهدات تجربی در الکتروریسی تأیید می کند که برای تشکیل الیاف یک مقدار مینیمم از غلظت پلیمر مورد نیاز است. پایین تر از این مقدار بحرانی، اعمال ولتاژ به علت ناپایداری منجر به تشکیل دانه می شود. در واقع در این غلظت های کم، گره خوردگی زنجیره پلیمری کافی نیست. همانطور که غلظت افزایش می یابد، مخلوط دانه و زنجیره تولید خواهد شد. افزایش بیشتر غلظت منجر به تشکیل الیاف پیوسته می شود. قابل ذکر است که در غلظت خیلی زیاد، الیاف یکنواخت طولانی تر به علت افزایش ویسکوزیته محلول، تولید نخواهد شد [4].
اثر دیگر افزایش ویسکوزیته، افزایش قطر الیاف است. در طول الکتروریسی، جت های ثانویه ای ممکن است از جت اصلی تولید شود که به اندازه کافی در یک غلظت معین برای تولید الیاف با قطر کوچک تر پایدار می باشند. این پدیده می تواند علت مشاهده الیاف با توزیع قطرهای متفاوت در بعضی از موارد باشد. در هر حال وقتی که ویسکوزیته به اندازه کافی زیاد می شود، تشکیل جت های ثانویه از شکست جت اصلی کاهش می یابد که منجر به تولید الیافی با قطر بزرگتر می شود.
از سایر اثرات افزایش غلظت می توان به مساحت کوچکتر رسوب دهی اشاره کرد. در واقع در غلظت های زیاد، ویسکوزیته محلول در حرکت جت به فاصله های دور از سوزن محدودیت ایجاد می کند. این کاهش مسیر جت به معنی کشش کمتر محلول می باشد که در نهایت منجر تولید الیاف با قطر بزرگتر می شود [2].

 

[P O U R I A]

2-2- کشش سطحی
کشش سطحی به تشکیل دانه کمک می کند. در واقع کاهش کشش سطحی برای تشکیل الیاف بدون دانه مفید خواهد بود. ضریب کشش سطحی به حلال و پلیمر بستگی دارد و با تغییر نسبت آن ها، تغییر خواهد کرد (شکل 1)[5].
با افزودن پایدار کننده به محلول نیز می توان کشش سطحی را کاهش داد. افزودن پایدارکننده، بازدهی تولید الیاف یکنواخت را افزایش می دهد. حتی زمانیکه پایدارکننده نامحلول به عنوان پودرهای ظریف در محلول توزیع می شود، مرفولوژی الیاف بهبود خواهد یافت [2]. شکل 1 اثر ترکیب حلال روی کشش سطحی محلول های PVC در غلظت ثابت پلیمر را نشان می‌دهد.

​

شکل 1- اثر ترکیب حلال روی کشش سطحی محلول های PVC در غلظت ثابت پلیمر[2].​

2-3- هدایت محلول
فرایند الکتروریسی اساساً نیازمند انتقال بار الکتریکی از الکترود به قطره ریسندگی در انتهای روزنه می-باشد. بنابراین حداقل رسانایی الکتریکی در محلول برای الکتروریسی ضروری است و محلول های فاقد رسانایی نمی توانند الکتروریسی شوند. حلال هایی که عمدتاً در الکتروریسی استفاده می شوند رسانایی به مراتب کمتر از آب مقطر دارند [6]. هدایت محلول با افزودن یون ها افزایش خواهد یافت. همانطور که قبلاً ذکر شد، هنگامیکه کشش محلول به طور کامل صورت نگیرد، دانه هایی در الیاف تشکیل خواهد شد. با افزودن یون و افزایش بارها، کشیدگی جت بیشتر شده، در نتیجه الیاف با قطر کوچکتری تولید خواهد شد. اثر دیگر بارهای افزایش یافته، بیشتر شدن مساحت سطح رسوب دهی الیاف است. این امر به علت افزایش مسیر جت منجر به کاهش قطر الیاف تولید شده می شود. اندازه یون ها در مرفولوژی الیاف تأثیرگذار است. یون ها با شعاع اتمی کوچکتر قابلیت تحرک بیشتری در میدان الکترواستاتیک خارجی دارند. در نتیجه نیروی کشیدگی بیشتری بر جت اعمال کرده و الیافی با قطر کوچکتر را تولید خواهند کرد [2].
2-4- اثر دی الکتریک حلال
ثابت دی الکتریک حلال تأثیر محسوسی بر الکتروریسی دارد. این پارامتر معیاری از قطبیت محلول است. بارها بر حلال قطبی اثر بیشتری نسبت به حلال غیرقطبی دارند. همانطور که بار حمل شده توسط جت افزایش می یابد، نیروهای گره خوردگی بیشتری تحت میدان الکتریکی به جت وارد می شود و متعاقباً دانه های کمتر و الیاف با قطر کوچکتر تولید خواهد شد. شکل 2 منحنی قطر الیاف PEO را بر حسب ثابت دی الکتریک نشان می دهد. همانطور که از شکل پیداست با افزایش ثابت دی الکتریک، قطر کاهش می یابد [7].

​

شکل2- رابطه بین دی الکتریک حلال و میانگین قطر الیاف PEO از [7].​

 

[P O U R I A]

3- شرایط فرایند
پارامترهای مهم دیگری که فرایند الکتروریسی (مانند قطر و یکنواخت بودن الیاف تولید شده) را تحت تأثیر قرار می دهند، نیروهای خارجی مختلف مورد استفاده در الکتروریسی کردن جت است. این پارامترها شامل ولتاژ اعمالی، نرخ تغذیه، دمای محلول، نوع جمع کننده، قطر سوزن و فاصله بین نوک سوزن و جمع کننده است. در ادامه این عامل ها را با جزئیات بیشتر بررسی خواهیم کرد.

3-1- ولتاژ
افزایش ولتاژ باعث می شود که نرخ انتقال محلول، از مقدار معینی که برای حفظ شکل مخروطی از نوک مویینه مورد نیاز است، تجاوز کند. این تغییر تعادل جرمی، جت های ناپایداری را تولید می کند. تراکم دانه با افزایش ناپایداری جت در نوک نخ ریس افزایش می¬یابد. بنابراین می توان با کنترل نرخ جریان ماده از نوک سوزن، حداقل تعداد دانه را تولید کرد [8].
زمانیکه محلول با ویسکوزیته کمتر مورد استفاده قرار می گیرد، ولتاژ بالا برای تشکیل جت های ثانویه به منظور کاهش قطر الیاف در طول الکتروریسی مطلوب می شود. همچنین در یک ولتاژ پایین تر، با کاهش یافتن شتاب جت و ضعیف تر شدن میدان الکتریکی، زمان پرواز جت الکتروریسی شده افزایش می یابد که برای تشکیل الیاف کوچک تر مطلوب است. بنابراین ولتاژ نزدیک به ولتاژ بحرانی می تواند برای دستیابی به الیاف نازک تر مناسب باشد [2].
3-2- نرخ تغذیه
نرخ تغذیه، سرعت ورود مخلوط پلیمری به درون پمپ به منظور تشکیل مخروط تیلور است. بطور ایده آل نرخ تغذیه باید با سرعت برداشت محلول از نوک سوزن مطابقت داشته باشد. نانوالیاف طولانی با قطر یکنواخت تحت این شرایط بدست می آیند [6]. زمانیکه نرخ تغذیه افزایش می یابد، قطر الیاف یا اندازه دانه ها نیز متناظر با آن، زیاد خواهد شد. از طرف دیگر با افزایش نرخ تغذیه برابر با نرخ محلول حمل شده توسط جت، بار نیز زیاد می شود. در نتیجه محلول به میزان بیشتری کشیده می شود و این امر در مقابل افزایش قطر با افزایش نرخ تغذیه قرار گرفته و محدودیتی را در افزایش قطر الیاف ایجاد می کند. به طور کلی نرخ تغذیه کمتر به علت صرف زمان بیشتر برای تبخیر مطلوب تر است [2].

3-3- دما
دمای محلول بر افزایش نرخ تبخیر و کاهش ویسکوزیته محلول پلیمر تأثیر گذار است. همچنین افزایش قابلیت تحرک مولکول پلیمر با افزایش دما منجر به کشش بیشتر محلول می شود. در نمونه ای از تحقیقات گزارش داده شد الیاف (E-CE)C (ethyl–cyanoethyl cellulose) در دمای 22 درجه سانتیگراد کمترین قطر را خواهد داشت. در دمای کمتر از آن، سرعت تبخیر حلال نیز کم می باشد و نمی تواند به صورت کامل در هنگام انتقال جت محلول پایدار به صفحه جمع کننده، تبخیر شود. همچنین جت محلول در جمع کننده لخته می شود و این امر منجر به افزایش قطر الیاف و گسترش توزیع قطر می شود. وقتی دما بیشتر شود، سرعت فراریت حلال بیشتر شده و جت محلول پایدار زمان کمتری را برای کشیده شدن در طول پرواز جت به علت تبخیر سریع حلال های سطحی دارد. در نهایت قطر الیاف بیشتر و توزیع آن گسترده تر خواهد شد [9].

3-4- اثر جمع کننده
در بیشتر سیستم های الکتروریسی، صفحه جمع کننده به منظور تشکیل میدان الکترواستاتیکی از مواد رسانا مانند ورقه نازک آلومینیومی تشکیل شده است. در مواردی که مواد نارسانا به عنوان جمع کننده استفاده می-شوند، بارهای روی جت الکتروریسی به سرعت روی جمع کننده تجمع خواهند یافت. الیافی که روی ماده نارسانا جمع می شوند، اغلب تراکم کمتری در مقایسه با آنهایی که روی سطح هادی تجمع می یابند، دارند. این پدیده به علت نیروی دافعه بارهای تجمع یافته روی جمع کننده است. در هر حال حتی در جمع کننده های رسانا، وقتیکه نرخ رسوب دهی بیشتر می شود و توری الیاف به اندازه کافی ضخیم می شود، مقدار زیادی از بارهای باقیمانده روی توری الیاف به علت نارسانا بودن نانوالیاف پلیمری، تجمع خواهند یافت. این امر منجر به ایجاد فرورفتگی هایی روی توری الیاف می شود. آزمایشات نشان می دهد که در جمع کننده های متخلخل مانند توری فلزات یا کاغذ، تراکم الیاف رسوبی نسبت به ورقه های نازک هموار کمتر است. همچنین جمع کننده چرخشی برای تولید الیاف منظم مفید هستند. این جمع کننده به فرایند خشک کردن الیاف کمک می کند [2].

3-5- قطر روزنه یا سوزن پیپت
قطر داخلی سوزن یا روزنه پیپت، اثر معینی روی فرایند الکتروریسی دارد. قطر داخلی کوچکتر، مقدار دانه های روی الیاف را کاهش می دهد. وقتی که اندازه قطره در نوک روزنه کاهش می یابد، کشش سطحی قطره افزایش خواهد یافت. بنابراین نیروی بیشتری برای شروع فرایند الکتروریسی مورد نیاز است. در نتیجه شتاب جت کاهش یافته و زمان بیشتری برای کشش محلول و گره خوردگی آنها قبل از تجمع فراهم می شود. در هر حال اگر قطر روزنه خیلی کوچک باشد، امکان خروج یک قطره از نوک سوزن امکان پذیر نخواهد بود [2 و 6].
3-6- فاصله بین نوک و جمع کننده
تغییر فاصله بین نوک سوزن و جمع کننده اثر مستقیمی بر زمان پرواز و استحکام میدان الکتریکی دارد. وقتیکه این فاصله کاهش می یابد، زمان پرواز کمتر شده و استحکام میدان الکتریکی افزایش می یابد و این امر شتاب جت به سمت جمع کننده را نیز بیشتر می کند. با کاهش بیشتر فاصله، حلال اضافی در نقطه تماس الیاف به منظور ایجاد اتصالات منجر به ادغام آنها می شود. در نتیجه این فرایند، اتصالات لایه ای داخلی و خارجی تشکیل خواهد شد (شکل 3). این توری الیافی با اتصالات درونی، باعث استحکام زیادی برای داربست ها خواهد شد. وقتی فاصله خیلی کم می شود، دانه ها تشکیل خواهند شد. در نمونه ای از تحقیقات با کاهش فاصله بین سوزن و جمع کننده، تولید دانه روی الیاف بدون تغییر در قطر الیاف مشاهده شده است [10]. در نمونه دیگر تحقیقات (همانطور که در شکل 4 مشخص است)، افزایش فاصله منجر به کاهش قطر الیاف شده است. دلیل این پدیده، افزایش زمان تبخیر حلال درون جت با افزایش فاصله می باشد [11].

​

شکل3- نایلون 6،6 در فاصله رسوب دهی الف) 2 سانتی متر و ب) 0.5 سانتی متر [2].

شکل 4- میکروگراف میکروسکوپ الکترونی روبشی الیاف PSF تولید شده با الکتروریسی در فاصله بین جمع کننده و سوزن الف) 10 سانتی متر ب) 15 سانتی متر [11].​

 

[P O U R I A]

4- پارامترهای محیطی
اثر محیط اطراف جت الکتروریسی شده به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است. هر برهمکنشی بین محلول پلیمری و محیط اطراف می تواند بر مرفولوژی الیاف الکتروریسی شده مؤثر باشد. رطوبت بالا برای مثال منجر به تشکیل منافذی روی سطح الیاف می شود. چون میدان الکتریکی خارجی بر الکتروریسی تأثیرگذار است، هر تغییری در محیط بر فرایند الکتروریسی مؤثر است.
4-1- رطوبت
رطوبت مستقیماً بر مرفولوژی الیاف الکتروریسی شده تأثیر می گذارد. هنگامیکه پلی استیرن (PS)، پلی کربنات (PC) و پلی متیل متااکریلیک (PMMA) در حلال های فرار حل شده و در حضور رطوبت الکتروریسی می شود، الیافی با مشخصه سطحی زیر میکرومتر تولید خواهد شد. در یک نمونه تحقیقاتی، الکتروریسی الیاف PS در رطوبت کمتر از 25% منجر به تولید الیاف یکنواخت بدون هیچ مشخصه سطحی شد. وقتی که رطوبت به بالای 30% افزایش یافت، حفره هایی روی سطح الیاف تشکیل شد. افزایش مقدار رطوبت منجر به افزایش تعداد، قطر و توزیع اندازه حفره ها روی سطح گردید. محلول با وزن مولکولی بیشتر، حفره هایی با اندازه بزرگتر و شکل هایی با یکنواختی کمتر تولید خواهد کرد. حضور رطوبت بر شکل الیاف یا قطر آن تأثیرگذار نخواهد بود [12].

4-2- نوع اتمسفر محیط
ترکیب هوا در محیط بر فرایند الکتروریسی تأثیرگذار است. گازهای مختلف، رفتارهای متفاوتی تحت میدان الکتریکی بالا دارند. برای مثال میدان الکتریکی زیاد منجر به شکست گاز هلیوم شده و در نتیجه الکتروریسی امکان پذیر نخواهد بود. در هر حال وقتیکه گازی با ولتاژ شکست بالا مورد استفاده قرار می گیرد، الیافی با قطر دو برابر قطر حاصل از الکتروریسی در هوا با سایر شرایط یکسان بدست خواهد آمد [2].

4-3- فشار
در شرایط محصور، امکان بررسی اثر فشار روی جت الکتروریسی وجود دارد. عموماً کاهش فشار محیط اطراف جت، فرایند الکتروریسی را بهبود نمی دهد. وقتی که فشار از فشار اتمسفر کمتر می شود، تمایل محلول پلیمری برای جریان یافتن به خارج سرنگ بیشتر می شود. بنابراین باعث ایجاد جت ناپایدار می شود. همانطور که فشار کاهش می یابد، به سرعت حباب محلول در نوک سوزن ایجاد می شود. در فشار خیلی پایین، الکتروریسی به علت تخلیه مستقیم بارهای الکتریکی امکان پذیر نخواهد بود [2].

 

[P O U R I A]

5- بحث و نتیجه گیری
الیاف الکتروریسی با تغییر پارامترهای محلول، دستگاهی و محیطی با قطر و یکنواختی مختلفی تولید خواهند شد. خلاصه ای از تأثیر این پارامترها بر الیاف تولید شده با الکتروریسی به شرح زیر است.
• ویسکوزیته (به عنوان پارامتر محلول) به وزن مولکولی و غلظت پلیمر وابسته است و با افزایش این دو عامل بیشتر می شود. با افزایش ویسکوزیته قطر الیاف نیز افزایش می یابد.
• کشش سطحی باعث ایجاد دانه روی الیاف می شود. بنابراین برای تشکیل الیاف یکنواخت و بدون دانه باید کشش سطحی را کاهش داد.
• با افزایش رسانایی و ثابت دی الکتریک محلول، قطر الیاف تولید شده کاهش می یابد. ولتاژ اعمال شده به دستگاه در یک مقدار بحرانی تنظیم می شود که در مقادیر بیشتر و کمتر از آن قطر الیاف افزایش خواهد یافت.
• برای برقراری تعادل جرمی نرخ تغذیه باید با نرخ انتقال محلول از سوزن برابر باشد. در این شرایط با افزایش نرخ تغذیه، بارهای روی جت نیز افزایش می یابد.
• دمای محلول نیز بر افزایش نرخ تبخیر و کاهش ویسکوزیته محلول پلیمر تأثیر گذار است. الیافی که روی ماده نارسانا جمع می شود اغلب از تراکم کمتری در مقایسه با آنهایی که روی سطح هادی تجمع می یابند، برخوردارند.
• کاهش قطر روزنه تا یک مقدار معین می تواند قطر الیاف را کاهش دهد. فاصله کم بین جمع کننده و سوزن نیز منجر به ایجاد دانه روی الیاف می شود.
• برای تولید الیاف با مرفولوژی مناسب باید از فشار و دمای بهینه استفاده کرد.

 

[P O U R I A]

خواص و کاربرد انواع ساختار نانوالیاف الکتروریسی شده

خواص و کاربرد انواع ساختار نانوالیاف الکتروریسی شده

الکتروریسی، روش ساده ای برای تولید الیاف نازک از مواد متنوع شامل پلیمر، کامپوزیت و سرامیک است. در این مقاله، خواص و کاربرد نانوالیاف تولید شده با روش الکتروریسی مورد بررسی قرار می گیرد. نانوالیاف در طیف وسیعی از حوزه ها مانند حوزه آرایشی و بهداشتی، دفاعی، مهندسی کردن بافت، فیلتراسیون، سنسور و ... کاربرد دارند. امروزه الکتروریسی برای ساخت نانو الیاف با ساختار ثانویه (ساختار توخالی، هسته-پوسته و متخلخل) گسترش پیدا کرده است. این ساختارها به علت نسبت سطح به حجم و نسبت طول به قطر زیاد در مقایسه با نانوالیاف معمولی بیشتر مورد توجه هستند و در حوزه های وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند.

 

[P O U R I A]

1- مقدمه
نانوالیاف دارای خواص و مشخصه هایی هستند که آنها را از سایر ساختارهای یک بعدی (مانند نانوسیم و نانومیله) متمایز می سازد. نانوالیاف می توانند از مواد اولیه مختلف مانند کامپوزیت ها، سرامیک ها و پلیمرها ساخته می شوند. وقتی قطر مواد لیفی پلیمری از میکرومتر (یعنی 10-100 میکرومتر) به نانومتر(یعنی0.001-0.1 میکرومتر) کاهش می یابد، خواص شگفت انگیزی مانند نسبت سطح به حجم زیاد (این نسبت برای یک نانوالیاف در مقایسه با میکرولیف هزار برابر افزایش می یابد.)، قابلیت انعطاف پذیری در ویژگی های سطحی و عملکرد مکانیکی فوق العاده (مانند سختی و استحکام کششی) در این مواد ظاهر می شود[1و2].


2- تولید نانوالیاف با روش الکتروریسی
همانطور که در مقالات قبل اشاره شد، در سال های اخیر روش های زیادی مانند طراحی، سنتز با الگو، جداسازی فاز، خودآرایی ، الکتروریسی و ... برای تولید نانوالیاف پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. در میان این روش ها، الکتروریسی ساده ترین روش برای تولید نانوالیاف با انواع ساختارها مانند ساختار توخالی و یا هسته-پوسته با طول زیاد، قطر یکنواخت و با انواع ترکیبات می باشد[2].
این روش به جز در مورد دافعه الکترواستاتیکی بین بارهای سطحی (به جای نیروی برشی یا مکانیکی) برای کاهش پیوسته قطر جت ویسکوالاستیک، مشابه روش تجاری طراحی کردن میکرو الیاف است. در مقایسه با طراحی کردن مکانیکی، ریسندگی الکترواستاتیکی منجر به تولید الیاف با قطر کوچکتر می شود. الکتروریسی مانند طراحی کردن مکانیکی فرایند پیوسته ای است و می تواند برای تولید محصولات در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرد. الکتروریسی مانند فرایند پاشندگی الکترواستاتیکی (یا پاشش الکتریکی) نیز است. در هر دو روش از ولتاژ بالا برای القاء جت مایع استفاده می شود. در پاشش الکتریکی، با درهم شکستن انبساط جت های الکتریکی که اغلب در محلول ها با ویسکوزیته پایین وجود دارد، قطرات کوچک یا ذراتی شکل می گیرد. در ریسندگی الکتریکی، لیف جامد به عنوان جت الکتریکی تولید می شود (ترکیبی از محلول های پلیمری با ویسکوزیته بالا) که به علت دافعه الکترواستاتیکی بین بارهای سطحی و تبخیر حلال به طور پیوسته منبسط خواهد شد[3].
همانطور که از بررسی روش های فوق مشاهده کردیم، نانوالیاف تولید شده می توانند دارای ساختار ثانویه مانند ساختار توخالی و هسته-پوسته باشند. فرایندهای پیشرفته زیادی مانند سنتز با الگو، خودآرایی و الکتروریسی برای ساخت الیاف و لوله های متخلخل، هسته-پوسته و توخالی از پلیمرهای مصنوعی و طبیعی وجود دارد. به طور کلی نانوساختارهای یک بعدی با ساختار توخالی (مانند نانولوله ها) اهمیت زیادی در حوزه هایی مانند نانوسیال ها و ذخیره انرژی، میکروکپسول ها برای رهایش کنترل شده دارو، کاتالیست، سنسور و دستگاه های الکتریکی دارد[4].

 

[P O U R I A]

تلاش های اخیر نشان داد که الکتروریسی می تواند مستقیما برای تولید نانوالیاف توخالی مورد استفاده قرار گیرد. در فرایند تولید نانوالیاف توخالی با روش الکتروریسی، دو مایع ویسکوز ولی غیر قابل اختلاط، برای مثال روغن معدنی و محلول اتانول محتوی PVP و تیتانیوم ایزوپرکسید (Ti(OiPr)4)، به عنوان ماده اولیه برای هسته و پوسته مورد استفاده قرار می گیرند و به طور همزمان از لوله های مویین داخلی و خارجی برای تشکیل جت ترکیبی پایدار استفاده می شوند. با استفاده از این فرایند ریسندگی، نانوالیاف هسته-پوسته ساخته شده از TiO2/PVP و روغن معدنی به عنوان محصول نهایی تولید می شود. حذف انتخابی فاز روغن به وسیله ی حلال معین، منجر به تشکیل الیافی توخالی حاوی دیوارهای TiO2/PVP می شود. نانوالیاف توخالی سرامیکی می-توانند با حذف هر دو ماده روغن و PVP از طریق کلسیناسیون الیاف ریسندگی شده در دمای تنظیم شده در هوا بدست آید (شکل1). ضخامت پوسته و قطر داخلی نانوالیاف با کنترل شرایط ریسندگی (مانند قدرت میدان الکتریکی، غلظت مایع پوسته و نرخ ورود هر دو مایع) در محدوده ای از ده نانومتر تا چند صد نانومتر تغییر می کند. مشکل ناپایداری نانوساختارهای توخالی پلیمری با تزریق پیش ماده سل-ژل غیر آلی برای محلول ریسندگی، حل می شود. قدرت و پایداری نانوساختارهای لوله نهایی می تواند با تشکیل شبکه ژل در پوسته پلیمری در طول فرایند ریسندگی بهبود پیدا می کند. اخیرا نشان داده شده است که نانوذرات یا انواع مولکول ها می توانند به وسیله انحلال این مواد در مایع هسته، در درون ساختار توخالی بکار روند. با استفاده از این مشاهدات می توان نتیجه گرفت که الکتروریسی، تکنولوژی ساده و همه جانبه ای است که قادر به ساخت نانوساختار هایی با کاربرد پیچیده و ساختار منظم است. ساخت نانوالیاف توخالی چند دیواره با بکارگیری بیش از دو لوله مویین هم محور امکان پذیر می گردد[3]. تاکنون نانو الیاف توخالی SnO2، CuO و ZnO با روش الکتروریسی هم محور ساخته شده است[5].

​

شکل1- الف) نمایی از سیستم الکتروریسی برای تولید نانوالیاف توخالی. این دستگاه از سرنگ با دو لوله مویینه هم محور ساخته شده است. روغن معدنی و محلول اتانول حاوی PVP و تیتانیوم ایزوپروپ اکسید به طور همزمان برای تشکیل جت ترکیبی به سرنگ تزریق می شوند. ب) تصویر TEM نانوالیاف توخالی که دیوار آن از کامپوزیت PVP و دی اکسید تیتانیوم تشکیل شده است. ج)تصویر TEM نانوالیاف توخالی آناتاز[3].​

در روش دیگری از الیاف پلیمری الکتروریسی شده، به عنوان قالب برای تولید نانو الیاف توخالی استفاده می شود. ابتدا این قالب های پلیمری با استفاده از الکتروریسی تولید می شود. سپس لایه نازکی از ماده مورد نظر بر روی این الیاف قرار می گیرد. در ادامه برای تولید نانوالیاف توخالی از مواد خاصی برای حذف الیاف پلیمری درونی استفاده می شود. به طور کلی این روش شامل سه مرحله زیر می باشد: 1- ساخت الیاف پلیمری با استفاده از الکتروریسی به عنوان قالب 2- پوشش دهی الیاف با هدف جامد 3- حذف قالب با فرایندهای گرمایی، برای تولید نانو الیاف توخالی[6].

 

[P O U R I A]

3- خواص نانوالیاف توخالی
همانطور که قبلا ذکر شد، نانوالیاف پلیمری کاربردهای متنوعی شامل کپسوله کردن دارو، سنسورهای زیستی، فیلتراسیون و الکترونیک دارند. اخیرا با تولید ساختارهای توخالی و هسته- پوسته، نانوالیاف بیشتر مورد توجه قرار گرفتند. این ساختارهای اصلاح شده ، خواص مواد را برای کاربردهای ذکر شده افزایش می دهد. در این قسمت خواص نانوالیاف مورد بررسی قرار خواهد گرفت[4].

3-1- طول فوق العاده زیاد
در مقایسه با نانوساختارهای یک بعدی ساخته شده با سایر روش های فیزیکی و شیمیایی، نانوالیاف الکتروریسی شده به شدت طویل هستند. چون الکتروریسی یک فرایند پیوسته است طول الیاف می تواند تا چندین کیلومتر ادامه پیدا کند. در فرایند الکتروریسی، این الیاف طویل می توانند در سه بعد تجمع پیدا کرده و پارچه ها یا غشاء های غیربافتی را تشکیل دهند. این پارچه های متخلخل در حوزه های مختلفی کاربرد دارند. به عنوان مثال پوسته سبک بال میکرو دستگاه های هوایی از نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده روی یک قالب بال تشکیل می شود[3].

3-2- مساحت سطح زیاد و ساختار متخلخل پیچیده
الیاف تولید شده با فرایند ریسندگی در مقایسه با اکستروژن مکانیکی مرسوم، قطر کوچکتری داشته و از نسبت سطح به حجم بیشتری برخوردار هستند. قابل ذکر است که نانوالیاف توخالی نسبت به نانوالیاف معمولی، نسبت سطح به حجم بیشتری دارند. این خاصیت در واکنش های شیمیایی (مانند استفاده در کاتالیست) به علت مساحت سطح زیاد، بسیار مفید است[3].



3-3- نظم در سطح مولکولی
الکتروریسی با کشش سریع جت به وسیله میدان الکتریکی و تبخیر حلال همراه است. زنجیره پلیمری نیروی برشی زیادی را در طول فرایند الکتروریسی تجربه می کند. این نیروی برشی و انجماد سریع، از برگشت زنجیره پلیمری به ساختار تعادلی جلوگیری می کند. در نهایت محصولات منظمی با این روش تولید می شود[3].

 

[P O U R I A]

4- کاربرد نانوالیاف الکتروریسی شده
دو سوم از کاربردهای الکتروریسی در زمینه پزشکی می باشد. مابقی این کاربردها مربوط به فیلتراسیون و دیگر حوزه ها است. در اینجا برخی از کاربردهای نانوالیاف توخالی در حوزه آرایشی و بهداشتی، دفاعی، مهندسی کردن بافت، فیلتراسیون، سنسور و ... به اختصار توضیح داده خواهد شد[7].

4-1- غشاء های ساخته شده از نانوالیاف و لباس های هوشمند
غشاها معمولاً مواد پلیمری هستند که برای جداسازی محلول‌ها و یا مخلوط گازها مورد استفاده قرار می گیرد. در نمونه ای از تحقیقات، خواص غشاء متخلخل ساخته شده از الیاف الکتروریسی شده مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان دادند که غشاء های متشکل از الیاف الکتروریسی مقاومت زیادی به هدایت جریان هوا در مقایسه با غشاء های معمولی دارند، در حالی که مقاومت به انتقال بخار آب در آنها نسبت به لایه های غشاء تجاری بسیار کمتر است. به طور کلی غشاء الکتروریسی شده قابلیت زیادی را برای بدام انداختن ذرات آئروسل (انتشار و پراکندگی ذرات بسیار کوچک جامد یا مایع در یک فاز گازی و یا در هوا آئروسل نامیده می شود.) نشان می دهد. اگرچه لایه های بسیار نازکی از الیاف مورد استفاده قرار می گیرد، ولی بازدهی فیلتراسیون زیاد می باشد. پارچه های حفره دار و سبک متشکل از نانوالیاف الکتروریسی شده، مورد مناسبی برای ساخت لباس های محافظ است. در حقیقت سال های زیادی است که بازدهی بالا فیلتراسیون غشاء غیربافتی الکتروریسی شده در صنایع جداسازی و فیلتراسیون شناخته شده است. محصولات فیلتر تجاری بر پایه الیاف الکتروریسی شده از بیست سال پیش مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین از تجمع گونه ها و ترکیبات فعال در نانوالیاف الکتروریسی شده می توان برای ساخت لباس هوشمند استفاده کرد. این لباس ها به هر نوع تغییرات محیطی عکس العمل نشان می دهند[3].

4-2- کاربرد زیست پزشکی
نانوالیاف الکتروریسی شده به واسطه ساختار منحصر به فردشان در مهندسی بافت بسیار مورد توجه هستند. شبکه های سه بعدی نانوالیاف حاوی پروتئین در داربست های طبیعی برای رشد بافت مورد استفاده قرار می گیرند. مهندسی بافت به داربست های مصنوعی با ترکیب، مرفولوژی و گروه های عاملی سطحی مشابه با همتای طبیعیش نیاز دارد. اتصالات درونی، ساختارهای متخلخل سه بعدی و مساحت سطح نسبتا زیاد پارچه غیر بافتی متشکل از نانوالیاف الکتروریسی شده به خوبی شناخته شده است. آنها گروهی از مواد ایده آل را برای تقلید ماتریکس خارج سلولی که در مهندسی کردن بافت مورد نیاز است، تامین می کنند. با گسترش تحقیقات سایر کاربردهای نانوالیاف الکتروریسی شده در زیست پزشکی کشف شد. برای مثال، الیاف الکتروریسی شده به عنوان پوشش دهنده زخم استفاده می شود. در واقع پوشش های متخلخل متشکل از ساختارهای لیفی، زخم را از نفوذ باکتری با مکانیسم بدام انداختن ذرات آئروسل محافظت کرده در حالی که الگوی مناسبی را برای انتقال بخار تامین می کند. علاوه بر عملکرد حفاظتی، پوشش های غیربافتی الکتروریسی شده به واسطه مساحت سطح زیاد کاربرد بالقوه ای به عنوان محافظ یا حامل برای رسانش دارو دارند[3].

4-3- محافظ ها بر پایه نانوالیاف برای آنزیم و کاتالیست
نانوالیاف (پلیمری و سرامیکی) به واسطه اندازه کوچک و مساحت سطح زیاد ، محافظ های جامد مورد توجهی برای کاتالیست های مرسوم و آنزیم ها هستند. برخلاف آنزیم های محافظت شده با نانوذرات، الیاف حامل آنزیم می تواند براحتی از سیستم های واکنش بازیابی شوند. همچنین در برخی از موارد واکنش پذیری آنزیم و کاتالیست موجود در لیف الکتروریسی شده نسبت به این مواد در نانو ذرات چند برابر افزایش یافت[3].

4-4- سنسورها بر پایه نانوالیاف
برخی از دانشمندان، نانوالیاف الکتروریسی شده حاوی فلئورسانس را به عنوان سنسورهای فلئورسانسی مورد استفاده قرار دادند[3]. سنسورهای گازی بر پایه نانوالیاف نیز به دلیل نسبت طول به قطر و سطح به حجم زیاد که منجر به افزایش حساسیت می شود، امروزه بسیار مورد توجه است. نانوالیاف توخالی در مقایسه با نانوالیاف جامد، فعالیت سطحی بیشتری مانند واکنش های سطحی زیاد و نفوذ سریع به علت قابلیت نفوذ سطحی زیاد و تراکم کم دارند که مسیرهایی را برای نفوذ ایجاد می کنند و به گاز اجازه نفوذ به لایه های سنسور را می دهند[5].

4-5- الکترود بر پایه نانوالیاف
نانوالیاف متخلخل ، ماتریکس های خوبی برای حفظ الکترولیت های پلیمری هستند و به شدت در ساخت باتری های لیتیومی با عملکرد عالی مورد استفاده قرار می گیرند. غشاء متخلخل زمانیکه با محلول الکترولیتی مرطوب می شود، هدایت یونی افزایش یافته ای را نشان می دهد. این پدیده به علت ساختار متخلخل غشاء های حاوی نانوالیاف الکتروریسی شده است. ساختار متخلخل این غشاء ها انتقال یون ها را تسهیل می سازد[3].

4-6- نانوالیاف به عنوان الگوهای مصنوعی
مشابه سایر نانوساختارهای یک بعدی، نانوالیاف الکتروریسی شده به عنوان الگو مصنوعی برای تولید نانوساختار یک بعدی توخالی بکار می رود. گروهی از فلزات، پلیمرها و سرامیک ها می توانند به نانولوله ها تبدیل شوند. برای این کار ابتدا نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده پوشش داده می شوند. سپس حذف انتخابی الگو اتفاق می افتد. اخیرا از نانوالیاف الکتروریسی شده به عنوان الگو برای تولید کانال های نانوسیال استفاده می شود. در این مورد، نانوالیاف متشکل از پلی کربنات های تجزیه شونده گرمایی روی زیرلایه قرار می گیرد، در ادامه با شیشه پوشش داده می شود. در نهایت پس از اینکه نانوالیاف به صورت انتخابی با گرما حذف شد، کانال های نانوسیال ایجاد می گردد. برخلاف کانال های ساخته شده با روش لیتوگرافی مرسوم، سطح مقطع بیضی شکل و گوشه های تیز در کانال های تولید شده با قالب لیف الکتروریسی حذف می-شود[3].

4-7- دستگاه های نوری و الکترونی بر پایه نانوالیاف
در سال های اخیر، نانوالیاف الکتروریسی شده با فعالیت های الکتریکی و الکتریکی-نوری مشابه نانوسیم-های فلزی یا نیمه¬هادی سنتز شده با سایر روش ها، به واسطه قابلیت بالقوه آنها در ساخت نانو دستگاه های الکترونیکی و الکترونوری، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. محققین با بررسی خواص الکتریکی نانوالیاف پلی آنیلین/PEO با قطر کمتر از 100 نانومتر، متوجه شدند که این خاصیت به قطر نانوالیاف بستگی دارد.

 

[P O U R I A]

5- نتیجه گیری

امروزه الکتروریسی توانایی تولید انواع الیاف پلیمری آلی، سرامیکی و ساخت مواد کامپوزیتی با قطر قابل کنترل را، دارد. به علاوه الکتروریسی برای تولید مستقیم نانوالیاف با ساختار هسته-پوسته یا توخالی گسترش پیدا کرده است. بررسی ارتباط بین ساختار ثانویه نانوالیاف الکتروریسی شده و پارامترهای فرایند الزامی است. کنترل نوع نانوالیاف (مانند متخلخل، توخالی و هسته-پوسته) برای قابلیت بالقوه آنها در ساخت دستگاه ها و علم مواد نیز دارای اهمیت می باشد. به طور کلی تحقیقات در زمینه الکتروریسی منجر به کاربرد نانوالیاف در طیف وسیعی از حوزه ها شده است. تحقیقات در زمینه تولید ساختارهای ثانویه (متخلخل، هسته-پوسته و توخالی) نانوالیاف الکتروریسی شده، شیوه های جدیدی را برای طراحی الکترودهای پیشرفته، منبع کاتالیست و دستگاه های حسگر تامین می کند. به خصوص نانوالیاف توخالی با سطح مقطع دایره ای، کانال ایده آلی برای ساخت دستگاه های نانوسیال هستند. آنها همچنین به عنوان الگو برای تولید نانوساختارهای یک بعدی استفاده می شوند.