Elektroformeerimine

Elektroformeerimine on efektiivne meetod nanokiudpolümeeride valmistamiseks elektrivälja abil. Nanokiudpolümeerid saadakse polümeerilahuse või sulatatud polümeeri abil. Erinevalt teistest meetoditest, millega saab valmistada 1D-nanostruktuure (struktuurid, mille läbimõõt on vahemikus 1–100 nm), põhineb elektroformeerimine ühesuunalisel polümeeri joa venitusel. Elektroformeerimise seadmestik koosneb põhiliselt kolmest osast: kõrgepingeallikas, väikse diameetriga nõel ning kogumisekraan. Üks elektrood on asetatud polümeerilahusesse ja teine on kinnitatud kogumisekraanile, mis on omakorda maandatud. Süstal on ühendatud pumbaga, millega saab kontrollida polümeerilahuse etteandmiskiirust. Kõrgepinge (1–30 kV) rakendamisel saab süstla otsas olev polümeeritilk laengu, mis jaotub ühtlaselt kogu tilga ulatuses. Süstla otsa tekib polümeerilahusest elektrivälja mõjul Taylori koonus. Pingete erinevus polümeerilahuse ja kogumisekraani vahel põhjustab joa väljumise kapillaarist ja liikumise kogumisekraani suunas. Väljuv polümeerilahuse juga läbib venitamise protsessi, mistõttu juga pikeneb ja peeneneb. Enne kogumisekraanini jõudmist solvent aurustub ning järele jääb polümeeri kiud, mis moodustab kogumisekraanil kiudude võrgustiku. Kiudude orientatsiooni saab mõjutada kasutades eri kujuga kogumisekraane. Suure kiirusega pöörlev silinder – on välja pakutud, et koos silindrilise kogumisekraani kasutamisega, mis pöörleb väga suurel kiirusel (kuni tuhandeid pöördeid minutis), võiks elektroformeerimisel saadud kiud olla orienteeritud vastavalt trumli pöörlemise suunale. Abielektrood elektriväljas – meetod, kuidas fabritseerida torujaid tooteid veresoonte ning kuse- ja sapijuhade proteeside tarbeks. Selle leiutise eripära on see, et sadestunud kiud on orienteerunud ringikujuliselt tänu abielektrivälja kasutamisele. Terava äärega õhuke ratas – pöörlev ketas põhiliselt koondab elektrivälja oma äärele ning sellele hakkavad kogunema pidevad kiud, mis on orienteeritud ühesuunaliselt. Raamkogumisekraan – nelinurkne raam asetatakse elektroformeerimise joa alla. On täheldatud, et eri materjalist raamid mõjutavad kiudude orientatsiooni erinevalt. Nanokiudude moodustumist elektroformeerimisemeetodil võivad mõjutada mitmesugused parameetrid. Nendeks võivad olla: 1. Lahuse omadused Kontsentratsioon – elektroformeerimise käigus kiu tekkimiseks peab polümeerlahusel olema teatud minimaalne kontsentratsioon. Kui polümeerlahuse kontsentratsioon on väike, siis tekivad kiududel sõlmed/tilgad, kui lahuse kontsentratsiooni suurendada, siis sõlmede hulk väheneb. Elektroformeerimisel peaks polümeerlahusel olema optimaalne kontsentratsioon, sest liiga madala kontsentratsiooni korral ei saa kiude ja liiga suure kontsentratsiooni korral ei saa ühtlasi kiude, sest lahus on liiga viskoosne ja juga katkendlik. Molekulmass – molekulmass on väga oluline parameeter, mis mõjutab tekkiva membraani struktuuri. Tavaliselt kasutatakse suure molekulmassiga polümeerlahuseid, sest nendega saavutatakse soovitud kõrgem lahuse viskoossus. Liiga madala molekulmassiga polümeerilahused kipuvad tekitama membraani palju sõlmpunkte ja tilkasid samas kui suure molekulmassiga lahus annab ilusaid suhteliselt suure diameetriga kiude. Viskoossus – viskoossus mängib suurt rolli kiu suuruse ja struktuuri juures. Väga madala viskoossuse korral tekib katkendlik kiud ja liiga suure viskoossuse korral tekib probleeme polümeerlahuse süstlast välja pumpamisega. Seega tuleb leida optimaalne viskoossus. Viskoossuse suurendamisel saadakse jämedam kiud. Viskoossus sõltub suuresti lahuse kontsentratsioonist ja molekulmassist. 2. Elektroformeerimise parameetrid Pinge – pinge rakendamine polümeerijoale on üks olulisemaid parameetreid. Kui pinget ei rakendata siis kiude ei teki. Kõrge pinge tekitab vajaliku laengu polümeerlahuses ja koos tekkiva elektriväljaga algatab elektroformeerimise protsessi, kui elektrostaatiline jõud polümeerlahuses kasvab suuremaks kui polümeerlahuse pindpinevus. Suuremalt jaolt, mida suurem on pinge seda peenemad on tekkivad kiud, sest suurema pingega venitatakse polümeerilahuse juga tugevamini. Polümeerilahuse etteandmiskiirus – polümeerlahuse etteandmiskiirus mõjutab polümeerlahuse joa liikumiskiirust ja solveni aurustumist. Väiksematel etteandmiskiirustel on solvendil rohkem aega, et aurustuda. Mida suurem on etteandmiskiirus, seda suurem on tekkiva kiu diameeter. Samas liiga suurtel etteandmiskiirustel tekivad meile osaliselt kokkusulanud kiud, sest kogu solvent ei jõua välja aurustuda enne kogumisekraanile jõudmist. Vahemaa nõela ja kogumisekraani vahel – muutes nõela ja kogumisekraani vahekaugust muutub nii polümeerlahuse joa liikumisaega nõelast kogumisekraanini kui ka elektrivälja tugevus. Selleks, et kiud tekiks peab solvendil olema aega, et välja aurustuda enne kui polümeerlahuse juga kogumisekraanile jõuab. Seega kui nõela ja kogumisekraani vaheline kaugus on liiga väike siis ei jõua kogu solvent välja aurustuda ja kogumisekraanile jõudnud kiud sulavad kokku ja veelgi enam sulavad omavahel kokku sisemised ja pealmised kiudude kihid. Suurendades nõela ja kogumisekraani vahekaugust väheneb tekkiva kiu diameeter, sest polümeerijoal on rohkem aega venida enne kui see kogumisekraanini jõuab. Samas ei tohi nõela ja kogumisekraani vahekaugus olla liiga suur, sest siis ei jõua kiud kogumisekraanile, sest tekkiv elektriväli on liiga nõrk. Nõela diameeter – nõela diameetri vähendamisel väheneb ka tekkiva kiu diameeter. 3. Ümbritsevale keskkonnale iseloomulikud parameetrid Temperatuur – temperatuur mõjutab solvendi väljaaurustumist polümeerlahusest ja polümeerlahuse viskoossust. Kõrgematel temperatuuridel on tekkivatel kiududel väiksem diameeter, kuna kõrgemal temperatuuril on polümeerlahuse viskoossus väiksem ja seega venib polümeerlahus kergemini. Õhuniiskus – kõrge õhuniiskus võib põhjustada pooride tekkimist kiudude pinnale. Poorid võivad tekkida,sest veetilk jääb polümeerilahuse joasse ja kui solvent ja vesi ära aurustuvad siis tekib poor. Väga väikese õhuniiskuse korral võib solvent aurustuda liiga kiiresti. Kui solvendi aurustumine on suurem kui polümeerilahuse eemaldumine nõelast siis võib elektroformeerimine toimida vaid mõned minutid enne kui nõel ära ummistub. Elektroformeerimine on üpris kerge meetod, millega toota õhukesi nanokiudmaterjale. Just tema lihtsus, suur eripind, mis kasvab tänu kiudude diameetri väiksusele, suur poorsus ja sobivus erinevate materjalide valmistamiseks on omadused, miks elektroformeerimisemeetodil valmistatud materjalid on leidnud palju kasutusalasid. Elektroformeeritud nanopoorsed materjalid on laialt kasutuses meditsiinis: koe ehituses, haavade paranduses, filtreerimises jne. Haavade parandamise juures on väga olulisteks parameetriteks kaitse mustuse eest, vedelike läbilaskvus, sobiv veeauru läbilaskvus, piisav gaaside läbilaskvus. On proovitud erinevaid viise, kuidas selliste omadustega materjali saada, kuid praegu on elektroformeerimismeetodil valmistatud materjal näidanud kõige paremat sobivust. Elektroformeerimismeetodil saadud materjale kasutatakse näiteks ka riide valmistamisel, separaatorites, elektroonikatarvetes ja komposiitmaterjalides. Garg K.; Bowlin G. L. ``Electrospinning jets and nanofibrous structures.`` Biomicrofluidics 2011,5. By Dan Ly; Younan Xia. ``Electrospinning of Nanofibers: Reinventing the Wheel?`` Advanced Matrials 2004, 16, 14, 1151–1170. Z.M.; Zhang Y.Z.; Kotaki M.; Ramakrishna S. ``A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications on nanocomposites.`` Composites Science and Technology 2003, 63, 2223–2253. Bhardwaj N.; Kundu S. C. ``Electrospinning: A fascinating fiber fabrication technique.`` Biotechnology Advances 2010, 28, 325–347.