الکتروریسی

وجوه اساسي الکتروريسي

الکتروريسي به عنوان يک روش سريع و ساده براي ساخت الياف پيوسته از ابعاد ميکرون تا نانو در مقايسه با ساير روش هاي متداول نظير کشيدن، سنتز قالبي، جدايي فازي و خود مونتاژي شناخته شده است. فرآيند کشيدن (Drawing) به يک ماده ويسکوالاستيک نياز دارد که بايد براي تنش ها و تغيير شکل هاي زياد در طول کشيدن تا يک تک رشته از نانو الياف خيلي بلند مناسب باشد. در سنتز قالبي يک غشاء نانو متخلخل به عنوان يک قالب براي ساخت نانو الياف به شکل تيوپي (توخالي) يا ليفچه اي استفاده مي شود.
با اين حال از اين روش نمي توان الياف پيوسته به شکل تک رشته تهيه کرد. جدايي فازي يک دوره زماني طولاني براي بدست آوردن الياف نانو متخلخل نياز دارد. زيرا شامل مراحل زيادي نظير انحلال، انعقاد، استخراج، جامد شدن و خشک شدن تا کامل شدن فرآيند است. به همين نحو، خود مونتاژي، يک فرآيند که در آن مواد شيميايي اوليه خودشان را براي رسيدن به الگو و نقش مورد نظر نوآرايي مي کنند. بنابراين فرآيند توليد نانو الياف زمان بر است.
يک الکترود در داخل محلول/ مذاب پليمري قرار داده شده است و يک الکترود ديگر به جمع کننده اي که به زمين متصل است وصل مي شود. چنانكه پيشتر گفته شد ، هنگامي که يک ولتاژ بالا استفاده مي شود در دافعه بارهاي روي سطح سيال که باعث ايجاد نيرويي بر خلاف جهت کشش سطحي خود سيال مي شود. هنگامي که ميدان الکتريکي افزايش يابد سطح کروي سيال در نوک پيپت کشيده مي شود تا به شکل مخروط درآيد که همان مخروط تيلور است.
زماني که نيروي دافعه الکتروستاتيک در يک مقدار بحراني از ميدان الکتريکي بر کشش سطحي غلبه کند يک جت باردار شده از مايع از رأس مخروط تيلور خارج مي‌شود. خاصيتی پيچشي از جت پليمري باردار شده در طول فرآيند ريسندگي مشاهده مي شود.
تبخير حلال از الياف پليمري باردار شده در مسير رسيدن به کالکتر انجام مي پذيرد، که الياف حصيري بافته نشده را به جا مي گذارد.

میزان تولید

يكي از مشكلات اساسي در تهيه نانوالياف به روش الكتروريسي، مقدار توليد كم نانوالياف است.براي غلبه بر اين مشكل و افزايش ميزان توليد نانوالياف الكتروريسي شده ، از آرايه چند سوزن سرنگ بعنوان ريسنده استفاده شده است.بدليل استفاده از تعداد زياد سوزن سرنگ در اين شيوه، و به منظور جلوگيري از اثر تداخل ميدانهاي الكتريكي بر ساختار نانوالياف حاصل و تهيه نانوالياف با ساختار يكنواخت، نياز به تعيين بسيار دقيق محل ريسنده هاست كه انجام اين امر با دشواري هايي همراه است. بطور مشابه تلاشهاي ديگري براي افزايش مقدار توليد نانوالياف الكتروريسي شده ، انجام شده است كه اكثرا بر همين اساس هستند. اما نكته ي مهم در اين مورد توجه به عدم تغيير در قطر نانوالياف است.
بطور كلي تغيير در عوامل محلول ريسندگي باعث تغيير در ساختار و قطر نانوالياف حاصل ميشود. بنابراين از اين عوامل نمي توان براي افزايش مقدار توليد، بدون تغيير در قطر نانوالياف استفاده كرد.
براي الكتروريسي نانوالياف با ساختاري مناسب، لازم است كه در فرايند الكتروريسي، توازن جرمي در انتهاي سوزن سرنگ و منشا جت الكتروريسي حفظ شود.مقدار محلول پليمري منتقل شده به وسيله جت الكتروريسي، تابعي از نيروهاي الكترواستاتيك وارد بر منشا جت الكتروريسي است و با افزايش ميدان الكتريكي(ولتاژ)، افزايش مي يابد.اما، افزايش سرعت خوراك اثري بر آن ندارد و باعث ايجاد آسيب در دسته نانوالياف جمع آوري شده ميشود.بنابراين مقدار خوراك تابعي از عوامل مختلف محلول و فرآيند تعيين شده است، و با افزايش هر چه بيشتر مقدار خوراك بر عكس روشهاي متداول توليد الياف، نميتوان ميزان توليد نانوالياف را افزايش داد. در اين روش ، بنظر ميرسد عواملي كه نيروهاي الكترواستاتيك وارد بر انتهاي سوزن سرنگ و منشا جت الكتروريسي را افزايش ميدهند، سبب ازدياد مقدار توليد نانوالياف ميشوند.
مهمترين عوامل مؤثر بر نيروهاي الكترواستاتيك وارد شده بر انتهاي سوزن سرنگ و منشا جت الكتروريسي ، ولتاژ اعمالي و طول و قطر سوزن سرنگ ميباشند.
با افزايش ولتاژ ميدان الكتريكي افزايش يافته و پيرو آن نيروهاي الكترواستاتيك افزايش مي يابند.اما اين افزايش در ميدان الكتريكي در تمام مسير جت الكتروريسي بر آن اثر گذاشته كه موجب تغيير در قطر و توضيع قطري نانوالياف نهايي ميشود. بدين ترتيب، اگر در كاربرد نهايي، عريض شدن توزيع قطري نانوالياف مشكلي را ايجاد نكند، مي توان با افزايش ولتاژ، مقدار توليد را بشدت افزايش داد. البته بنظر ميرسد، اگر نيروهاي الكتريكي وارد بر جت سيال، فقط در منشا جت الكتروريسي افزايش يابد، مقدار توليد بدون تغيير در قطر نانوالياف توليدي، افزايش مي يابد.
تغيير در برآمدگي نازل (nozzle protrusion) در ميدان الكتريكي، وقتي ميدان الكتريكي ثابت باشد، سبب تغيير جريان الكتريكي در فرآيند الكتروريسي ميشود.اين اثر ميتواند بدليل تغيير در نحوه انتقال بارها در نازل باشد. همچنين چنانكه پيشترنيز گفته شد، طول و قطر سوزن سرنگ نيز از جمله عوامل مؤثر در سرعت تشكيل بارهاي الكتريكي و تغيير مقدار نيروهاي الكترواستاتيك وارد بر سطح قطره معلق در انتهاي سوزن سرنگ ميباشند. بنابراين منطقي خواهد بود، اگر بتوان با تغيير ايندو عامل، نيروهاي الكترواستاتيك را فقط در محل منشا جت افزايش داد، بطوريكه در هر لحظه بارهاي الكتريكي در محل منشا جت سريعتر تشكيل و همراه جت منتقل شوند. بنابراين ميتوان بدون تغيير در قطر الياف نهايي مقدار توليد را در فرآيندالكتروريسي، افزايش داد.
تغيير در قطر سوزن سرنگ اثر معني داري بر ميانگين و توزيع قطري نانوالياف ندارد. بنابراين با كاهش قطر سوزن و در پي آن تشكيل سريعتر بارهاي سطحي در نوك سوزن سرنگ، در يك ولتاژ ثابت، فقط نيروهاي الكترواستاتيك وارد بر انتهاي سوزن سرنگ و منشا جت الكتروريسي افزايش مي يابند. بدين ترتيب، بدون تغيير در قطر نانوالياف حاصل، مقدار محلول پليمري كه با جت الكتروريسي منتقل شده و به نانوالياف تبديل ميشود، افزايش يافته، نانوالياف بيشتري توليد ميشود. البته كاهش زياد قطر سوزن سرنگ، باعث سخت شدن فرآيند خوراك دهي محلول پليمري به درون سوزن سرنگ ميشود.
اثر تغييرات در طول سوزن نيز همانند تغييرات در قطر آن در توزيع قطر نانوالياف حاصل، اندك و قابل چشم پوشي است. ولي با افزايش طول سوزن، نيروهاي الكترواستاتيك زياد شده و توليد افزايش خواهد يافت.البته اين افزايش طول محدوديت دارد و پس از آن تغييري در ميزان توليد نخواهيم داشت.
بطور كلي با افزايش طول سوزن سرنگ و كاهش قطر آن، همراه با افزايش ولتاژ، ميتوان توليد نانوالياف را بدون تغيير در ابعاد آن، بالا برد.