fr.chemi3t
08-10-2012, 10:28 PM
ريسندگي
روش ريسندگي به دو زير شاخه ريسندگي مذاب و ريسندگي الکتريکي تقسيم مي‌شود. در روش ريسندگي مذاب از عامل مکانيکي و در روش ريسندگي الکتريکي از عوامل الکتريکي و مکانيکي استفاده مي‌کنند.
ريسندگي الکتريکي
چكيده
الكتروريسندگي (ES) روشي براي توليد نانوالياف از طريق اعمال ميدان الكتريكي بر يك جت سيال پاشيده شده است. امروزه نانوالياف پليمري به دليل كاربردهاي فراوان بسيار مورد توجه قرار گرفته‌اند. اين مواد داراي خواص مكانيكي، الكتريكي و بيولوژيكي بهبود يافته مي‌باشند كه مي‌توان آن را متأثر از مساحت سطحي بالا و بهبود ساختار الياف دانست. از جمله كاربردهاي مختلف نانوالياف مي‌توان به كاربرد آنها در زمينه‌هاي فيلترهاي غشائي، لباس‌هاي محافظ، تجهيزات الكترونيكي و نوري، كاربردهاي بيوپزشكي و كامپوزيت‌هاي تقويت شده اشاره كرد.
مقدمه
نانوالياف پليمري به دليل كاربردهاي فراوان و ويژگي‌هاي خاصي كه در اين ابعاد پيدا مي‌كنند مورد توجه صنايع مختلف قرار گرتفه‌اند. از جمله اين كاربردها مي‌توان كاربردهاي پزشكي وتصفيه را نام برد. از اين رو توليد نانوالياف پليمري با استفاده از يك روش نسبتاً ساده اما كارآمد، بسيار مفيد خواهد بود.
تشكيل نانوالياف پليمري از جت يك سيال در يك ميدان الكتريكي را فرآيند ES مي‌نامند. اين فرآيند اولين بار در سال 1930 ميلادي براي توليد نانوالياف پليمري بكار گرفته شد. الياف توليد شده در آن زمان به دليل مقدار كم توليد، جهت‌گيري ناموزون، خواص مكانيكي پايين و توزيع متفاوت قطر الياف به دست آمده، مورد توجه زيادي قرار نگرفت. همان طور كه در شكل (1) ملاحظه مي‌شود
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
محلول يا مذاب پليمري پاشيده شده از يك جت با قطر در محدوده ميلي‌متر در اثر ولتاژ بالاي اعمال شده حاوي بار سطحي مي‌گردد. سپس اين سيال باردار، در اثر عبور از ميدان الكتريكي در حدود 1-3KV/cm تحت تأثير قرار گرفته و تجمع بار بر روي سطح جت باعث مي‌شود كه نيروهاي دافعه الكترواستاتيكي بر نيروهاي كشش سطحي غلبه كند. اثر اين نيرو، بسته به شرايط سيستم باعث تخريب، خمش، چرخش و كشيدگي الياف شده و اجتماع اين پديده‌ها يا تك‌تك آنها باعث تبديل يك جت سيال با قطر ميلي‌متري به يك يا چندين جت سيال با قطر در محدوده نانومتري مي‌شود. كنترل خواص الياف نيازمند شناخت دقيق فرآيند خروج سيال از يك منفذ ميلي‌متري و تبديل آن به رشته‌هاي پليمري است كه قطر آنها در حد نانومتري مي‌باشند. ساختار جت خروجي از نازل نيز به شكل مخروط معروف تيلور مي‌باشد.
كاربردهاي روش ES
يكي از كاربردهاي اين روش كه مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است دست‌يابي به حفاظت آئروسلي منسوجات است كه براي انجام اين كار از روكش دادن اين منسوجات توسط الياف بسيار نازك (در حد نانو) با فرآيند ES استفاده مي‌گردد. از اين فرآيند در فيلتراسيون آئروسلي نيز استفاده شده كه ضخامت نانوالياف كشيده شده بر روي سطح خلل و فرج فيلترهاي معمولي يا پارچه‌ها تأثير قابل ملاحظه‌اي بر كيفيت عمل فيلتراسيون دارد. در اين روش افزايش مساحت سطحي به همراه انعطاف‌پذيري و مقاومت جهت‌دار بسيار بالا، باعث توسعه كاربرد اين نانوالياف در محدوده وسيعي از صنايع از البسه گرفته تا تقويت‌كننده‌ها در ساختارهاي هوافضايي را شامل مي‌شود. همچنين از اين نانوالياف براي توليد كامپوزيت‌ها استفاده شده و موجب شده است كه آنها داراي استحكام بالايي باشند. از اين مواد در توليد حسگرها نيز استفاده شده است. كاربرد ديگر نانوالياف در مهندسي نساجي براي توليد پليمرهاي زيست سازگار مي‌باشد . Ortiz و همكارانش يك روش ساده براي توليد الكترودهاي فلزي با فاصله ميكروني را بيان كردند كه در اين روش در عرض چند دقيقه، با استفاده از يك دستگاه مولد ولتاژ بالا و يك تبخير كننده حرارتي، اين الكترودها توليد مي‌شوند. در يك تحقيق انجام گرفته توسط ماتسوموتو و همكارانش از فرآيند ES براي توليد الياف مبادله كننده يوني استفاده شد. اين فرآيند كاربردهاي ديگري در زمينه سيستم‌هاي رهايش دارو جهت ايجاد شرايط لازم براي رسانش دارو به هدف در زمان مناسب، به مقدار لازم و به صورت رهايش كنترل شده در محل مورد نظر را داشته است. در يك كار تحقيقاتي انجام گرفته در دانشگاه Yale توسط Gomez و همكارانش از اين فرآيند براي توليد نانوذرات پروتئين استفاده كردند. حلال بكار گرفته شده در اين سيستم محلول اتانول- آب بود و ذرات توليدي در حد نانومتر بودند. از ديگر كاربردهاي اين فرآيند پوشش دادن ساختارهاي نانو- ميكروي هيبريدي آلي- معدني بر روي هدف عايق شده مي‌باشد كه توسط Matsumoto و همكارانش انجام گرفت و اليافي با قطر تقريبي 600nm به دست آمد. Radriguez و همكارانش نيز يك كاربرد ديگر از فرآيند ES را براي توليد الياف نانو و ميكرو با استفاده از مخلوط پليمر و ذرات گرافيت ارائه كردند. همچنين در يك روش ارائه شده توسط Gupta و همكارانش از الكتروريسندگي همزمان دو محلول پليمري براي توليد نانوالياف دو جزئي استفاده شده است.
انواع روش‌هاي ES
فرآيند اكسترود كردن نيازمند راندن يك مايع با ويسكوزيته مناسب، از ميان نازلي با قطر كم براي تشكيل يك پليمر نيمه جامد به صورت پيوسته مي‌باشد . پليمرهايي كه در فرآيند ES براي اكسترود شدن و توليد الياف بكار مي‌روند ابتدا بايد به صورت سيال درآيند تا قابليت اكسترود شدن و پاشش را داشته باشند. اين عامل را مي‌توان به صورت مذاب (اگر پليمر مصرفي سنتزي ترموپلاستيك باشد) و يا با حل كردن در حلال مناسب (اگر پليمر مورد نظر از نوع سلولزي ترموپلاستيك باشد) بكار برد. در صورتي كه نتوان از هيچ يك از اين دو روش استفاده كرد بايد با يكسري اعمال شيميايي آنها را به فرم محلول يا مشتقات ترموپلاستيك تبديل كرد. به طور كلي 4 روش متداول براي ES وجود دارد كه در زير آورده شده است:
1- ريسندگي تر
اين روش براي پليمرهايي استفاده مي‌شود كه بتوان آنها را در يك حلال مناسب حل كرد. چون محلول مستقيماً از طريق نازل اكسترود مي شود تا بر روي بستر رسوب كند، اين فرآيند را ريسندگي تر مي‌نامند.
2- ريسندگي خشك
در اين روش براي جامد كردن الياف پليمري تشكيل شده، محلول پليمري را بعد از پاشش، تحت اثر جريان گاز بي‌اثر يا هوا قرار مي‌دهند تا حلال آن تبخير شود. براي اين كار پاشش محلول پليمري به يك منطقه گرم شده انجام مي‌شود تا در آن حلال تبخير شده و از محيط خارج شود. عناصر گرم كننده هيچ تماس يا برخوردي با محلول پليمري پاشيده شده ندارند و تنها براي اعمال حرارت لازم براي آسان كردن حذف حلال بكار گرفته مي‌شوند.
3- ريسندگي مذاب
در اين فرآيند پليمر مورد نظر را تا دماي بالاي نقطه ذوب گرم مي‌كنند تا به صورت مذاب درآمده و سپس از طريق نازل، اكسترود و پاشيده شود. دراين روش بعد از پاشش الياف، از سرد كردن براي تبديل آن به فرم جامد استفاده مي‌كنند. در اين روش نازل را مي‌توان به انواع اشكال هندسي (گرد، مربع، چند ضعلي و ...) طراحي كرد.
4- ريسندگي ژلي
اگر پليمر در طول فرايند اكسترود كردن، حالت يك مايع واقعي را به خود نگرفته باشد، از اين روش استفاده مي‌كنند كه در آن زنجيره‌هاي پليمري به شكل مايع بلوري از نقاط مختلف زنجير به هم متصل مي‌شوند. اين عمل، توليد يك نيروي زنجيري قوي را باعث مي‌شود كه موجب افزايش قابل ملاحظه استحكام كششي آنها مي‌شود.
ريسندگي الکتريکي روشي براي توليد الياف پليمري با قطر نانومتري است. اين روش سالها شناخته شده بود و برخي از مصارف محدود را در فيلترها داشت، اما اکنون توجه جديدي را به خود جلب کرده است. در اين فناوري مايعات باردار شده به صورت جريانهاي کوچکي به درون يک ميدان الکتريکي کشيده شده، و سپس به صورت الياف پليمريزه مي‌شوند. مواد ديگري مانند نانوذرات يا حتي نانولو‌له‌ها را مي‌توان در اين الياف جاي داد.
ريسندگي مذاب
در روش ريسندگي مذاب، پليمر به شکل مذاب با ويسکوزيته بالا درآمده و داخل محفظه فلزي که رشته‌ساز ناميده مي‌شود قرار مي‌گيرد سپس با اعمال نيرو به سمت سوراخ‌هاي ريز انتهاي محفظه هدايت مي‌شود. سوراخ‌هاي مذکور به طور معمول دايره‌اي بوده ولي ممکن است اشکال متفاوتي نيز داشته باشند. پليمر مذاب از اين منافذ خارج شده، خنک مي‌شود و بوسيله دستگاه چرخنده بصورت الياف جمع مي‌گردد.
اليافي که از اين روش به وجود مي‌آيند قطري در حدود چند صدنانومتر دارند.
روش ريسندگي به دو زير شاخه ريسندگي مذاب و ريسندگي الکتريکي تقسيم مي‌شود. در روش ريسندگي مذاب از عامل مکانيکي و در روش ريسندگي الکتريکي از عوامل الکتريکي و مکانيکي استفاده مي‌کنند.
ريسندگي الکتريکي
چكيده
الكتروريسندگي (ES) روشي براي توليد نانوالياف از طريق اعمال ميدان الكتريكي بر يك جت سيال پاشيده شده است. امروزه نانوالياف پليمري به دليل كاربردهاي فراوان بسيار مورد توجه قرار گرفته‌اند. اين مواد داراي خواص مكانيكي، الكتريكي و بيولوژيكي بهبود يافته مي‌باشند كه مي‌توان آن را متأثر از مساحت سطحي بالا و بهبود ساختار الياف دانست. از جمله كاربردهاي مختلف نانوالياف مي‌توان به كاربرد آنها در زمينه‌هاي فيلترهاي غشائي، لباس‌هاي محافظ، تجهيزات الكترونيكي و نوري، كاربردهاي بيوپزشكي و كامپوزيت‌هاي تقويت شده اشاره كرد.
مقدمه
نانوالياف پليمري به دليل كاربردهاي فراوان و ويژگي‌هاي خاصي كه در اين ابعاد پيدا مي‌كنند مورد توجه صنايع مختلف قرار گرتفه‌اند. از جمله اين كاربردها مي‌توان كاربردهاي پزشكي وتصفيه را نام برد. از اين رو توليد نانوالياف پليمري با استفاده از يك روش نسبتاً ساده اما كارآمد، بسيار مفيد خواهد بود.
تشكيل نانوالياف پليمري از جت يك سيال در يك ميدان الكتريكي را فرآيند ES مي‌نامند. اين فرآيند اولين بار در سال 1930 ميلادي براي توليد نانوالياف پليمري بكار گرفته شد. الياف توليد شده در آن زمان به دليل مقدار كم توليد، جهت‌گيري ناموزون، خواص مكانيكي پايين و توزيع متفاوت قطر الياف به دست آمده، مورد توجه زيادي قرار نگرفت. همان طور كه در شكل (1) ملاحظه مي‌شود
http://pnu-club.com/imported/mising.jpg
محلول يا مذاب پليمري پاشيده شده از يك جت با قطر در محدوده ميلي‌متر در اثر ولتاژ بالاي اعمال شده حاوي بار سطحي مي‌گردد. سپس اين سيال باردار، در اثر عبور از ميدان الكتريكي در حدود 1-3KV/cm تحت تأثير قرار گرفته و تجمع بار بر روي سطح جت باعث مي‌شود كه نيروهاي دافعه الكترواستاتيكي بر نيروهاي كشش سطحي غلبه كند. اثر اين نيرو، بسته به شرايط سيستم باعث تخريب، خمش، چرخش و كشيدگي الياف شده و اجتماع اين پديده‌ها يا تك‌تك آنها باعث تبديل يك جت سيال با قطر ميلي‌متري به يك يا چندين جت سيال با قطر در محدوده نانومتري مي‌شود. كنترل خواص الياف نيازمند شناخت دقيق فرآيند خروج سيال از يك منفذ ميلي‌متري و تبديل آن به رشته‌هاي پليمري است كه قطر آنها در حد نانومتري مي‌باشند. ساختار جت خروجي از نازل نيز به شكل مخروط معروف تيلور مي‌باشد.
كاربردهاي روش ES
يكي از كاربردهاي اين روش كه مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است دست‌يابي به حفاظت آئروسلي منسوجات است كه براي انجام اين كار از روكش دادن اين منسوجات توسط الياف بسيار نازك (در حد نانو) با فرآيند ES استفاده مي‌گردد. از اين فرآيند در فيلتراسيون آئروسلي نيز استفاده شده كه ضخامت نانوالياف كشيده شده بر روي سطح خلل و فرج فيلترهاي معمولي يا پارچه‌ها تأثير قابل ملاحظه‌اي بر كيفيت عمل فيلتراسيون دارد. در اين روش افزايش مساحت سطحي به همراه انعطاف‌پذيري و مقاومت جهت‌دار بسيار بالا، باعث توسعه كاربرد اين نانوالياف در محدوده وسيعي از صنايع از البسه گرفته تا تقويت‌كننده‌ها در ساختارهاي هوافضايي را شامل مي‌شود. همچنين از اين نانوالياف براي توليد كامپوزيت‌ها استفاده شده و موجب شده است كه آنها داراي استحكام بالايي باشند. از اين مواد در توليد حسگرها نيز استفاده شده است. كاربرد ديگر نانوالياف در مهندسي نساجي براي توليد پليمرهاي زيست سازگار مي‌باشد . Ortiz و همكارانش يك روش ساده براي توليد الكترودهاي فلزي با فاصله ميكروني را بيان كردند كه در اين روش در عرض چند دقيقه، با استفاده از يك دستگاه مولد ولتاژ بالا و يك تبخير كننده حرارتي، اين الكترودها توليد مي‌شوند. در يك تحقيق انجام گرفته توسط ماتسوموتو و همكارانش از فرآيند ES براي توليد الياف مبادله كننده يوني استفاده شد. اين فرآيند كاربردهاي ديگري در زمينه سيستم‌هاي رهايش دارو جهت ايجاد شرايط لازم براي رسانش دارو به هدف در زمان مناسب، به مقدار لازم و به صورت رهايش كنترل شده در محل مورد نظر را داشته است. در يك كار تحقيقاتي انجام گرفته در دانشگاه Yale توسط Gomez و همكارانش از اين فرآيند براي توليد نانوذرات پروتئين استفاده كردند. حلال بكار گرفته شده در اين سيستم محلول اتانول- آب بود و ذرات توليدي در حد نانومتر بودند. از ديگر كاربردهاي اين فرآيند پوشش دادن ساختارهاي نانو- ميكروي هيبريدي آلي- معدني بر روي هدف عايق شده مي‌باشد كه توسط Matsumoto و همكارانش انجام گرفت و اليافي با قطر تقريبي 600nm به دست آمد. Radriguez و همكارانش نيز يك كاربرد ديگر از فرآيند ES را براي توليد الياف نانو و ميكرو با استفاده از مخلوط پليمر و ذرات گرافيت ارائه كردند. همچنين در يك روش ارائه شده توسط Gupta و همكارانش از الكتروريسندگي همزمان دو محلول پليمري براي توليد نانوالياف دو جزئي استفاده شده است.
انواع روش‌هاي ES
فرآيند اكسترود كردن نيازمند راندن يك مايع با ويسكوزيته مناسب، از ميان نازلي با قطر كم براي تشكيل يك پليمر نيمه جامد به صورت پيوسته مي‌باشد . پليمرهايي كه در فرآيند ES براي اكسترود شدن و توليد الياف بكار مي‌روند ابتدا بايد به صورت سيال درآيند تا قابليت اكسترود شدن و پاشش را داشته باشند. اين عامل را مي‌توان به صورت مذاب (اگر پليمر مصرفي سنتزي ترموپلاستيك باشد) و يا با حل كردن در حلال مناسب (اگر پليمر مورد نظر از نوع سلولزي ترموپلاستيك باشد) بكار برد. در صورتي كه نتوان از هيچ يك از اين دو روش استفاده كرد بايد با يكسري اعمال شيميايي آنها را به فرم محلول يا مشتقات ترموپلاستيك تبديل كرد. به طور كلي 4 روش متداول براي ES وجود دارد كه در زير آورده شده است:
1- ريسندگي تر
اين روش براي پليمرهايي استفاده مي‌شود كه بتوان آنها را در يك حلال مناسب حل كرد. چون محلول مستقيماً از طريق نازل اكسترود مي شود تا بر روي بستر رسوب كند، اين فرآيند را ريسندگي تر مي‌نامند.
2- ريسندگي خشك
در اين روش براي جامد كردن الياف پليمري تشكيل شده، محلول پليمري را بعد از پاشش، تحت اثر جريان گاز بي‌اثر يا هوا قرار مي‌دهند تا حلال آن تبخير شود. براي اين كار پاشش محلول پليمري به يك منطقه گرم شده انجام مي‌شود تا در آن حلال تبخير شده و از محيط خارج شود. عناصر گرم كننده هيچ تماس يا برخوردي با محلول پليمري پاشيده شده ندارند و تنها براي اعمال حرارت لازم براي آسان كردن حذف حلال بكار گرفته مي‌شوند.
3- ريسندگي مذاب
در اين فرآيند پليمر مورد نظر را تا دماي بالاي نقطه ذوب گرم مي‌كنند تا به صورت مذاب درآمده و سپس از طريق نازل، اكسترود و پاشيده شود. دراين روش بعد از پاشش الياف، از سرد كردن براي تبديل آن به فرم جامد استفاده مي‌كنند. در اين روش نازل را مي‌توان به انواع اشكال هندسي (گرد، مربع، چند ضعلي و ...) طراحي كرد.
4- ريسندگي ژلي
اگر پليمر در طول فرايند اكسترود كردن، حالت يك مايع واقعي را به خود نگرفته باشد، از اين روش استفاده مي‌كنند كه در آن زنجيره‌هاي پليمري به شكل مايع بلوري از نقاط مختلف زنجير به هم متصل مي‌شوند. اين عمل، توليد يك نيروي زنجيري قوي را باعث مي‌شود كه موجب افزايش قابل ملاحظه استحكام كششي آنها مي‌شود.
ريسندگي الکتريکي روشي براي توليد الياف پليمري با قطر نانومتري است. اين روش سالها شناخته شده بود و برخي از مصارف محدود را در فيلترها داشت، اما اکنون توجه جديدي را به خود جلب کرده است. در اين فناوري مايعات باردار شده به صورت جريانهاي کوچکي به درون يک ميدان الکتريکي کشيده شده، و سپس به صورت الياف پليمريزه مي‌شوند. مواد ديگري مانند نانوذرات يا حتي نانولو‌له‌ها را مي‌توان در اين الياف جاي داد.
ريسندگي مذاب
در روش ريسندگي مذاب، پليمر به شکل مذاب با ويسکوزيته بالا درآمده و داخل محفظه فلزي که رشته‌ساز ناميده مي‌شود قرار مي‌گيرد سپس با اعمال نيرو به سمت سوراخ‌هاي ريز انتهاي محفظه هدايت مي‌شود. سوراخ‌هاي مذکور به طور معمول دايره‌اي بوده ولي ممکن است اشکال متفاوتي نيز داشته باشند. پليمر مذاب از اين منافذ خارج شده، خنک مي‌شود و بوسيله دستگاه چرخنده بصورت الياف جمع مي‌گردد.
اليافي که از اين روش به وجود مي‌آيند قطري در حدود چند صدنانومتر دارند.