الکتروریسی

تصویر یک نمونه از دستگاه الکتروریسی آزمایشگاهی
الکتروریسی فرایندی جهت تولید انواع نانوالیاف و میکروالیاف از محلول‌های مواد پلیمری، سرامیکی یا محلول‌های کامپوزیتی متشکل از پلیمر- نانوذرات و همچنین مذاب‌های مواد مذکور می⁭باشد. این ایده را اولین بار زلنی(zeleny) مطرح، سپس در سال ۱۹۳۴ فرماهالز آن را ثبت و در سال ۱۹۹۰ دکتر رنکر (Reneker) آن را بازسازی کرد. در روش الکتروریسی هم از مذاب و هم از محلول پلیمری می‌توان استفاده کرد. الکتروریسی را ریسندگی الکترواستاتیکی یا برق‌ریسی نیز نامیده⁭اند. این روش برای تولید نانوذرات از طریق فرایند الکترواسپری نیز کاربرد دارد.
در روش الکتروریسی از یک منبع تغذیه ولتاژ بالا جهت تولید بار الکتریکی در جریان محلول یا مذاب پلیمری استفاده می⁭شود. به‌منظور تولید نانوالیاف، یکی از الکترودهای منبع تغذیه ولتاژ بالا به محلول پلیمری و الکترود دیگر به زمین یا به جمع‌کننده رسانا متصل می‌گردد. با عبور محلول از درون لوله موئینه، در اثر میدان الکتریکی حاصل از منبع تغذیه ولتاژ بالا مابین نوک لوله موئینه و جمع‌کننده متصل به زمین، سیال باردار شده و از نوک لوله موئینه به سمت جمع‌کننده کشیده می⁭شود. در اثر حرکت سیال، حلال تبخیر شده و رشته⁭هایی با قطر زیر میکرون بر روی جمع‌کننده تولید می⁭ گردد. در اثر اندرکنش نیروهای الکتریکی، بار سطحی جریان سیال، نیروی ویسکوالاستیک و نیز کشش سطحی، حرکت مارپیچی به سیال باردار القاء شده و بر اثر آن نانوالیاف تولیدی به‌صورت لایه به‌هم پیوسته یا بی⁪بافت تولید می⁭گردند.
یک از روشهای الکتروریسی استفاده از چرخ‌های جمع‌کننده دوار است که یک لبه نوک تیز در محیط آن وجود دارد. شکل جمع‌کننده باعث می‌شود تا یک میدان قوی در نزدیکی لبه چرخ متمرکز شود. این باعث می‌شود که جریان خروجی دقیقا روی لبه‌های جمع‌کننده متمرکز گردد. سرعت خطی در لبه بیرونی چرخ جمع‌کننده m/s 22 است (سرعت خطی در هر نقطه از یک دایره دوار برابر حاصل ضرب سرعت دورانی چرخ در فاصله آن نقطه با مرکز دایره است). نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده با قطر میکرونی با این روش به دست می‌آیند.
در روش دیگر از دو صفحه جمع‌کننده استفاده می‌شود که بین آنها یک شکاف قرار دارد. برهمکنش بین میدان الکتریکی در اطراف جمع‌کننده‌ها و بارالکترواستاتیکی الیاف باعث اعمال کشش به الیاف نانو در بالای شکاف می‌شود. بین دو قسمت جمع‌کننده نیروهای دافعه‌ای وجود دارد که باعث کشیدن شدن نانوالیاف می‌شود و آنها در در یک جهت خاص مرتب می‌کند.
پارامترهای موثر بر ریزساختار نانوالیاف تولیدی در فرایندهای الکتروریسی بسیار متنوع بوده و از این‌رو تولید نانوالیاف به‌وسیله این روش نیازمند آگاهی از فرایند⁭های الکتروهیدرودینامیکی سیالات پلیمری، ریولوژی محلول‌های پلیمری و نیز علوم الیاف می⁭باشد. در این میان پارامترهای موثر بر ریزساختار نانوالیاف تولید شده از طریق فرایندهای الکتروریسی به سه دسته کلی شامل پارامترهای فرایندی، پارامترهای عملیاتی و پارامترهای محیطی تقسیم می‌گردند. نوع میدان الکترواستاتیک، قدرت میدان، نوع پلیمر، نوع حلال یا ترکیب حلال‌های به‌کار رفته، دمای مذاب پلیمری، هدایت الکتریکی محلول، جرم مولکولی و توزیع جرم مولکولی پلیمر، افزودنی⁭ها، ویسکوزیته سیال، کشش سطحی، ویسکوالاستیسیته پلیمر، فاصله الکتروریسی، نوع و جنس جمع‌کننده، نسبت طول به قطر موئینه، اتمسفر محیط و نیز حضور رطوبت از جمله پارامترهای موثر بر تولید نانوالیاف در فرایندهای الکتروریسی می⁭باشند.
در دهه‌های گذشته مشکلات ناشی از ماهیت فرایندهای الکتروریسی سبب شده بود که تجاری‌سازی نانوالیاف و ساخت دستگاه⁭های صنعتی الکتروریسی برای سالیان متمادی غیرممکن گردد. این در حالی است که در چند سال اخیر چندین شرکت آمریکایی و اروپایی موفق شده‌اند با به‌کارگیری تمهیداتی بر این مشکل فائق آیند.
به‌طورکلی نانوالیاف تولید شده از طریق فرایندهای الکتروریسی از کاربردهای بسیار زیادی در صنایع و حوزه‌های مختلف برخوردار می⁭باشند. در این ارتباط می‌توان به برخی از کاربردهای مهم نانوالیاف حاصل از فرایندهای الکتروریسی به ترتیب زیر اشاره نمود:
پزشکی، دارویی و بهداشتی
مهندسی بافت
پوشش‌های زخم
سامانه‌های کنترل‌شده رهش
فیلترهای پزشکی
تجهیزات و ایمپلنت‌های پزشکی
ماسک‌های بهداشتی
ابرجاذب‌ها
تولید و ذخیره‌سازی انرژی
پیل‌های خورشیدی
پیل‌های سوختی
ذخیره‌سازی هیدروژن
باتری‌های پلیمری
ابرخازن‌ها
زیست‌فناوری و محیط زیست
حسگرهای زیستی و شیمیایی
تصفیه آب و پساب
حذف فلزات سنگین
غشاءهای تبادل یونی
فیلتراسیون
جاذب‌های صوت
صنعتی، دفاعی و امنیتی
پوشش‌های محافظ در برابر عوامل شیمیایی، بیولوژیکی و الکترومغناطیسی
کامپوزیت‌های تقویت‌شده با لایه‌های نانوالیاف
نانوالیاف کربن
نسل جدید فیلترها برای مایعات و گازها
وجوه اساسی الکتروریسی
الکتروریسی به عنوان یک روش سریع و ساده برای ساخت الیاف پیوسته از ابعاد میکرون تا نانو در مقایسه با سایر روش‌های متداول نظیر کشیدن، سنتز قالبی، جدایی فازی و خود مونتاژی شناخته شده است. فرآیند کشیدن (Drawing) به یک ماده ویسکوالاستیک نیاز دارد که باید برای تنش‌ها و تغییر شکل‌های زیاد در طول کشیدن تا یک تک رشته از نانو الیاف خیلی بلند مناسب باشد. در سنتز قالبی یک غشاء نانو متخلخل به عنوان یک قالب برای ساخت نانو الیاف به شکل تیوپی (توخالی) یا لیفچه‌ای استفاده می‌شود.
با این حال از این روش نمی‌توان الیاف پیوسته به شکل تک رشته تهیه کرد. جدایی فازی یک دوره زمانی طولانی برای بدست آوردن الیاف نانو متخلخل نیاز دارد. زیرا شامل مراحل زیادی نظیر انحلال، انعقاد، استخراج، جامد شدن و خشک شدن تا کامل شدن فرآیند است. به همین نحو، خود مونتاژی، یک فرآیند که در آن مواد شیمیایی اولیه خودشان را برای رسیدن به الگو و نقش مورد نظر نوآرایی می‌کنند. بنابراین فرآیند تولید نانو الیاف زمان بر است.
یک الکترود در داخل محلول/ مذاب پلیمری قرار داده شده است و یک الکترود دیگر به جمع کننده‌ای که به زمین متصل است وصل می‌شود. چنانکه پیشتر گفته شد ، هنگامی که یک ولتاژ بالا استفاده می‌شود در دافعه بارهای روی سطح سیال که باعث ایجاد نیرویی بر خلاف جهت کشش سطحی خود سیال می‌شود. هنگامی که میدان الکتریکی افزایش یابد سطح کروی سیال در نوک پیپت کشیده می‌شود تا به شکل مخروط درآید که همان مخروط تیلور است.
زمانی که نیروی دافعه الکتروستاتیک در یک مقدار بحرانی از میدان الکتریکی بر کشش سطحی غلبه کند یک جت باردار شده از مایع از راس مخروط تیلور خارج می‌شود. خاصیتی پیچشی از جت پلیمری باردار شده در طول فرآیند ریسندگی مشاهده می‌شود.
تبخیر حلال از الیاف پلیمری باردار شده در مسیر رسیدن به کالکتر انجام می‌پذیرد، که الیاف حصیری بافته نشده را به جا می‌گذارد.
پارامترهای فرآیند الکتروریسی
اگرچه بیشتر الیاف تولید شده از الکتروریسی فیلامنت‌های جامد مدور هستند اما بر حسب اقتضا می‌توان ساختارهای تیوپی، نواری، مارپیچی و منجوقی نیز تولید کرد.
چند عامل وجود دارد که بر تولید الیاف الکترونی شده در فرآیند الکتروریسندگی اثر می‌گذارد:
خواص ذاتی محلول پلیمری نظیر نوع و وزن مولکولی پلیمر، قطبیت حلال، ویسکوزیته، الاستیسیته رسانایی و کشش سطحی محلول.
عوامل فرآیندی، نظیر فاصله گپ بین نوک لوله موئین و جمع کننده(فاصله ریسندگی)، اختلاف پتانسیل اعمالی،سرعت تغذیه محلول و فشار هیدروستاتیک در مخزن محلول.
تاثیرات محیطی نظیر دما، رطوبت و جریان هوا.
میزان تولید
یکی از مشکلات اساسی در تهیه نانوالیاف به روش الکتروریسی، مقدار تولید کم نانوالیاف است.برای غلبه بر این مشکل و افزایش میزان تولید نانوالیاف الکتروریسی شده ، از آرایه چند سوزن سرنگ بعنوان ریسنده استفاده شده است.بدلیل استفاده از تعداد زیاد سوزن سرنگ در این شیوه، و به منظور جلوگیری از اثر تداخل میدانهای الکتریکی بر ساختار نانوالیاف حاصل و تهیه نانوالیاف با ساختار یکنواخت، نیاز به تعیین بسیار دقیق محل ریسنده هاست که انجام این امر با دشواری‌هایی همراه است. بطور مشابه تلاشهای دیگری برای افزایش مقدار تولید نانوالیاف الکتروریسی شده ، انجام شده است که اکثرا بر همین اساس هستند. اما نکته‌ی مهم در این مورد توجه به عدم تغییر در قطر نانوالیاف است.
بطور کلی تغییر در عوامل محلول ریسندگی باعث تغییر در ساختار و قطر نانوالیاف حاصل میشود. بنابراین از این عوامل نمی‌توان برای افزایش مقدار تولید، بدون تغییر در قطر نانوالیاف استفاده کرد.
برای الکتروریسی نانوالیاف با ساختاری مناسب، لازم است که در فرایند الکتروریسی، توازن جرمی در انتهای سوزن سرنگ و منشا جت الکتروریسی حفظ شود.مقدار محلول پلیمری منتقل شده به وسیله جت الکتروریسی، تابعی از نیروهای الکترواستاتیک وارد بر منشا جت الکتروریسی است و با افزایش میدان الکتریکی(ولتاژ)، افزایش می‌یابد.اما، افزایش سرعت خوراک اثری بر آن ندارد و باعث ایجاد آسیب در دسته نانوالیاف جمع آوری شده میشود.بنابراین مقدار خوراک تابعی از عوامل مختلف محلول و فرآیند تعیین شده است، و با افزایش هر چه بیشتر مقدار خوراک بر عکس روشهای متداول تولید الیاف، نمیتوان میزان تولید نانوالیاف را افزایش داد. در این روش ، بنظر میرسد عواملی که نیروهای الکترواستاتیک وارد بر انتهای سوزن سرنگ و منشا جت الکتروریسی را افزایش میدهند، سبب ازدیاد مقدار تولید نانوالیاف میشوند.
مهمترین عوامل موثر بر نیروهای الکترواستاتیک وارد شده بر انتهای سوزن سرنگ و منشا جت الکتروریسی ، ولتاژ اعمالی و طول و قطر سوزن سرنگ میباشند.
با افزایش ولتاژ میدان الکتریکی افزایش یافته و پیرو آن نیروهای الکترواستاتیک افزایش می‌یابند.اما این افزایش در میدان الکتریکی در تمام مسیر جت الکتروریسی بر آن اثر گذاشته که موجب تغییر در قطر و توضیع قطری نانوالیاف نهایی میشود. بدین ترتیب، اگر در کاربرد نهایی، عریض شدن توزیع قطری نانوالیاف مشکلی را ایجاد نکند، می‌توان با افزایش ولتاژ، مقدار تولید را بشدت افزایش داد. البته بنظر میرسد، اگر نیروهای الکتریکی وارد بر جت سیال، فقط در منشا جت الکتروریسی افزایش یابد، مقدار تولید بدون تغییر در قطر نانوالیاف تولیدی، افزایش می‌یابد.
تغییر در برآمدگی نازل (nozzle protrusion) در میدان الکتریکی، وقتی میدان الکتریکی ثابت باشد، سبب تغییر جریان الکتریکی در فرآیند الکتروریسی میشود.این اثر میتواند بدلیل تغییر در نحوه انتقال بارها در نازل باشد. همچنین چنانکه پیشترنیز گفته شد، طول و قطر سوزن سرنگ نیز از جمله عوامل موثر در سرعت تشکیل بارهای الکتریکی و تغییر مقدار نیروهای الکترواستاتیک وارد بر سطح قطره معلق در انتهای سوزن سرنگ میباشند. بنابراین منطقی خواهد بود، اگر بتوان با تغییر ایندو عامل، نیروهای الکترواستاتیک را فقط در محل منشا جت افزایش داد، بطوریکه در هر لحظه بارهای الکتریکی در محل منشا جت سریعتر تشکیل و همراه جت منتقل شوند. بنابراین میتوان بدون تغییر در قطر الیاف نهایی مقدار تولید را در فرآیندالکتروریسی، افزایش داد.
تغییر در قطر سوزن سرنگ اثر معنی داری بر میانگین و توزیع قطری نانوالیاف ندارد. بنابراین با کاهش قطر سوزن و در پی آن تشکیل سریعتر بارهای سطحی در نوک سوزن سرنگ، در یک ولتاژ ثابت، فقط نیروهای الکترواستاتیک وارد بر انتهای سوزن سرنگ و منشا جت الکتروریسی افزایش می‌یابند. بدین ترتیب، بدون تغییر در قطر نانوالیاف حاصل، مقدار محلول پلیمری که با جت الکتروریسی منتقل شده و به نانوالیاف تبدیل میشود، افزایش یافته، نانوالیاف بیشتری تولید میشود. البته کاهش زیاد قطر سوزن سرنگ، باعث سخت شدن فرآیند خوراک دهی محلول پلیمری به درون سوزن سرنگ میشود.
اثر تغییرات در طول سوزن نیز همانند تغییرات در قطر آن در توزیع قطر نانوالیاف حاصل، اندک و قابل چشم پوشی است. ولی با افزایش طول سوزن، نیروهای الکترواستاتیک زیاد شده و تولید افزایش خواهد یافت.البته این افزایش طول محدودیت دارد و پس از آن تغییری در میزان تولید نخواهیم داشت.
بطور کلی با افزایش طول سوزن سرنگ و کاهش قطر آن، همراه با افزایش ولتاژ، میتوان تولید نانوالیاف را بدون تغییر در ابعاد آن، بالا برد.