عنوان: پارامترهای تأثیرگذار بر الکتروریسی نانوالیاف نویسندگان : 1- سیده معصومه قاسمی نژاد 2- محسن افسری ولایتی 3- محمدهادی مقیم

مقدمه فرایند الکتروریسی شامل اعمال میدان الکتریکی به منظور کشیده شدن محلول بطور پیوسته از سوزن سرنگ به صفحه جمع کننده است. در این فرآیند با استفاده از ولتاژ بالایی که به سیال پلیمری اعمال می شود، بارهایی در آنها تولید خواهد شد. هنگامی که بارها در سیال به مقدار بحرانی می رسد، جت سیال در نوک سوزن تشکیل می شود و جت الکتروریسی شده به سمت صفحه جمع کننده حرکت می-کند. مورفولوژی لیف مانند قطر آن و یکنواختی الیاف پلیمری الکتروریسی شده به سه گروه پارامتر شامل: پارامتر محلول پلیمری، پارامتر دستگاهی و پارامتر محیطی بستگی دارد.

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 و بر قطر الیاف الکتروریسی شده اثر خواهد گذاشت.

پارامترهای محلول پلیمری 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. وزن مولکولی پلیمر متناسب با طول زنجیره پلیمری است و معیاری از میزان گره خوردگی مولکولهای پلیمری در حلال می باشد. گره خوردگی زنجیره پلیمری از شکست جت در طول کشیده شدن محلول پلیمری جلوگیری کرده و منجر به حفظ پیوستگی جت محلول می شود.

پارامترهای محلول پلیمری مشاهدات تجربی در الکتروریسی تأیید می کند که برای تشکیل الیاف یک مقدار مینیمم از غلظت پلیمر مورد نیاز است. پایینتر از مقدار بحرانی، اعمال ولتاژ به علت ناپایداری منجر به تشکیل دانه می-شود. در غلظتهای 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. در غلظت خیلی زیاد، الیاف یکنواخت طولانی تر به علت افزایش ویسکوزیته محلول، تولید نخواهد شد.

پارامترهای محلول پلیمری اثر دیگر افزایش ویسکوزیته، افزایش قطر الیاف است. در طول الکتروریسی، جتهای ثانویه ای ممکن است از جت اصلی تولید شود که در یک غلظت معین برای تولید الیاف با قطر کوچکتر پایدار می باشند. این پدیده می تواند علت مشاهده الیاف با توزیع قطرهای متفاوت در بعضی از موارد باشد. وقتی که ویسکوزیته به اندازه کافی زیاد شود، تشکیل جتهای ثانویه از شکست جت اصلی کاهش می یابد که منجر به تولید الیافی با قطر بزرگتر می شود.

پارامترهای محلول پلیمری از سایر اثرات افزایش غلظت می توان به مساحت کوچکتر رسوب دهی اشاره کرد. در غلظتهای زیاد، ویسکوزیته محلول در حرکت جت به فاصله های دور از سوزن محدودیت ایجاد می کند. کاهش مسیر جت به معنی کشش کمتر محلول می باشد که در نهایت منجر تولید الیاف با قطر بزرگتر می شود.

پارامترهای محلول پلیمری کشش سطحی کشش سطحی به تشکیل دانه کمک می کند. کاهش کشش سطحی برای تشکیل الیاف بدون دانه مفید خواهد بود. ضریب کشش سطحی به حلال و پلیمر بستگی دارد و با تغییر نسبت آنها، تغییر خواهد کرد. با افزودن پایدار کننده به محلول 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.

پارامترهای محلول پلیمری اثر ترکیب حلال روی کشش سطحی محلولهای PVC در غلظت ثابت پلیمر

پارامترهای محلول پلیمری هدایت محلول فرایند الکتروریسی اساساً نیازمند انتقال بار الکتریکی از الکترود به قطره ریسندگی در انتهای روزنه می باشد. حداقل رسانایی الکتریکی در محلول برای الکتروریسی ضروری است و محلولهای فاقد رسانایی نمی توانند الکتروریسی شوند. حلالهایی که عمدتاً در الکتروریسی استفاده می شوند رسانایی به مراتب کمتر از آب مقطر دارند. هدایت محلول با افزودن یونها افزایش خواهد یافت.

پارامترهای محلول پلیمری 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. افزایش مسیر جت منجر به کاهش قطر الیاف تولید شده می شود. اندازه یونها در مرفولوژی الیاف تأثیرگذار است. یونها 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.

پارامترهای محلول پلیمری 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. با افزایش ثابت دی الکتریک، قطر کاهش می یابد.

پارامترهای محلول پلیمری رابطه بین دی الکتریک حلال و میانگین قطر الیاف PEO

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.

شرایط فرایند 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، جتهای 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.

شرایط فرایند زمانیکه محلول با ویسکوزیته کمتر مورد استفاده قرار می گیرد، ولتاژ بالا برای تشکیل جتهای ثانویه به منظور کاهش قطر الیاف در طول الکتروریسی مطلوب می-شود. در یک ولتاژ پایین، با کاهش یافتن شتاب جت و ضعیفتر شدن میدان الکتریکی، زمان پرواز جت الکتروریسی شده افزایش می یابد که برای تشکیل الیاف کوچکتر مطلوب است. ولتاژ نزدیک به ولتاژ بحرانی می تواند برای دستیابی به الیاف نازکتر مناسب باشد.

شرایط فرایند نرخ تغذیه نرخ تغذیه، سرعت ورود مخلوط پلیمری به درون پمپ به منظور تشکیل مخروط تیلور است. نرخ تغذیه باید با سرعت برداشت محلول از نوک سوزن مطابقت داشته باشد، تا بتوان نانوالیاف طولانی با قطر یکنواخت تولید نمود. زمانیکه نرخ تغذیه افزایش می یابد، قطر الیاف یا اندازه دانه ها نیز متناظر با آن، زیاد خواهد شد. نرخ تغذیه کمتر به علت صرف زمان بیشتر برای تبخیر مطلوبتر است.

شرایط فرایند دما دمای محلول بر افزایش نرخ تبخیر و کاهش ویسکوزیته محلول پلیمر تأثیر گذار است. افزایش قابلیت تحرک مولکول پلیمر با افزایش دما منجر به کشش بیشتر محلول می شود.

شرایط فرایند الیاف (E-CE)C (ethyl–cyanoethyl cellulose) در دمای 22 درجه سانتیگراد کمترین قطر را خواهد داشت. در دمای کمتر، سرعت تبخیر حلال کم بوده و نمی تواند به صورت کامل در هنگام انتقال جت محلول پایدار به صفحه جمع کننده، تبخیر شود. 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 حلالهای سطحی دارد. در نهایت قطر الیاف بیشتر و توزیع آن گسترده تر خواهد شد.

شرایط فرایند اثر جمع کننده در بیشتر سیستمهای 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.

شرایط فرایند 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. جمع کننده چرخشی برای تولید الیاف منظم مفید می باشد. این جمع کننده به فرایند خشک کردن الیاف کمک می کند.

شرایط فرایند 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.

شرایط فرایند 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 که این امر شتاب جت به سمت جمع کننده را 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.

شرایط فرایند توری الیافی با اتصالات درونی، باعث استحکام زیادی برای داربستها 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. در نمونه دیگر تحقیقات، افزایش فاصله منجر به کاهش قطر الیاف شده است. دلیل این پدیده، افزایش زمان تبخیر حلال درون جت با افزایش فاصله می باشد.

شرایط فرایند نایلون 6،6 در فاصله رسوب دهی الف) 2 سانتی متر و ب) 0/5 سانتی متر 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

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.

پارامترهای محیطی رطوبت رطوبت مستقیماً بر مرفولوژی الیاف الکتروریسی شده تأثیر می گذارد. هنگامیکه پلی استیرن (PS)، پلی کربنات (PC) و پلی متیل متااکریلیک (PMMA) در حلالهای فرار حل شده و در حضور رطوبت الکتروریسی می شود، الیافی با مشخصه سطحی زیر میکرومتر تولید خواهد شد. در یک نمونه تحقیقاتی، 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 شکلهایی با یکنواختی کمتر تولید خواهد کرد. حضور رطوبت بر شکل الیاف یا قطر آن تأثیرگذار نخواهد بود.

پارامترهای محیطی نوع جو ترکیب هوا در محیط بر فرایند الکتروریسی تأثیرگذار است. گازهای مختلف، رفتارهای متفاوتی تحت میدان الکتریکی بالا دارند. میدان الکتریکی زیاد منجر به شکست گاز هلیوم شده و در نتیجه الکتروریسی امکان پذیر نخواهد بود. 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.

پارامترهای محیطی 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.

بحث و نتیجه گیری الیاف الکتروریسی با تغییر پارامترهای محلول، دستگاهی و محیطی با قطر و یکنواختی مختلفی تولید خواهند شد. 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.

بحث و نتیجه گیری 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.