Elektroketrus

Elektroketrus on meetod polümeerkiu tootmiseks, kasutades kõrgepingevälja.
See seisneb lähteaine elektrilises laadimises lahuses ja selle kollektori poole suunamises, mille järel tõmbab vastaslaenguga kollektor polümeerimolekuli enda pinnale, solvent aurub ning tekib ühtlane kiud üksikdiameetriga nanomeeter kuni mõni mikromeetrit.
Elektroketrus on 21. sajandi algusest saanud palju tähelepanu ja kogunud populaarsust nii teaduses kui ka tööstuses. Meetod on mitmekülgne ning sobib eri polümeeride töötlemiseks, samuti hea korratavuse ja ühtlase produktiväljastusega. Kuna elektroketruseks sobivaid süsteeme saab koostada väga erinevate polümeeride ja solventidega, on saadused kasutatavad ka paljudes rakendustes, nagu filtrid, rakukasvatuskeskkonnad, haavakatted, energeetika.
Aparatuur.
Klassikaline elektroketruse aparatuur koosneb kolmest põhikomponendist, milleks on kõrgepingevälja toiteallikas, lähteainemahuti ja kollektor, mida võib kasutada nii vertikaal- kui ka horisontaalasendis. Lähteaine hoiustamiseks ja kollektori poole suunamiseks kasutatakse üldjuhul süstalt, mille ühtlaseks manustamiseks kasutatakse elektroonilist pumpa, tagamaks kontrollitud ja ühtlase ainevoolu. Mahuti ja väljutava nõela suurust, kuju ja ka nõelte arvu saab vastavalt tootmismahule ja vajadusele varieerida. Kõrgepingeallika kontaktid ühendatakse mahuti ja kollektori külge – kuna mõlemad komponendid peavad olema elektrijuhid, ongi sobivad variandid näiteks süstlanõel ja kollektorina fooliumpaber. Kollektori kuju, suurust ja struktuuri saab kasutusalale kohandamiseks muuta: on võimalik kasutada nii planaarseid, silindrilisi kui ka võrkkollektoreid. Ohutuse tagamiseks elektroketruse süsteem tavaliselt isoleeritakse, vältimaks kõrgepingest tulenevat ohtu. Elektroketruse aparatuure on täislahendusena kommertsiaalselt saadaval nii teadustöö kui ka tootmise otstarbeks, kuid kõrge hinna ja väikse tootevarieeruvuse tõttu komplekteerib enamik kasutajaid oma süsteemi ise.
Tootmisprotsess.
Protsessi käivitamiseks initsieeritakse kõrgepinge ja käivitatakse polümeerilahust kollektori sihis suunav süsteem. Läbi nõela voolav lähtelahus laetakse elektriliselt kontakti abil ning väljudes tekib ajutiselt sfääriline tilk, mida hoiab koos pindpinevus. Kui vastaslaengutega nõela ja kollektori vahel mõjuv elektrostaatiline jõud ületab lahuse pindpinevuse, tõmmatakse näiliselt peenikese niidina lahusevoogu kollektori suunas. Voo lendumisel kogumisaluseni aurustub solvent, mille tagajärjel jääb pinnale vaid kiudstruktuur.
Mõjutavad parameetrid.
Elektroketruse protsess on väga tundlik paljudele parameetritele, mida klassifitseeritakse lahuse-, protsessi- ja keskkonnaparameetriteks. Kombineerides eri süsteeme, mõjuvad eri aspektid varieeruval määral ja nende mittesobivuse korral ei formeeru tulemusena kiudstruktuuri. Seega on sobivad tingimused aluseks elektroketruse toimimisele ning lisaks saab sobivate parameetrite omavahelisel kombineerimisel mõjutada saaduse olemust.
Lahuseparameetrid.
Elektroketruse lahus peab olema elektrit juhtiv, solvent peab lähteaine suutma täielikult lahustada ning see peab olema piisavalt kergesti lenduv ühtlase kiurstruktuuri tekkimiseks. Sobivuse korral võib kasutada ka süsteeme eri polümeeridest ja lahustitest. Lahuse optimaalne viskoossus on tähtis, tagamaks ühtlast süsteemi laadimist voogu. Viskoossuse kasvades suureneb pindpinevusjõud, mis muudab voo stabiilsuse säilitamise raskemaks kuni selle ummistumise ja protsessi peatumiseni. Optimaalse viskoossuse saavutamisega on omakorda seotud lahuse kontsentratsioon ja polümeeri molekulmass. Suure molekulmassi ehk pika polümeerahelaga ainete lahustuvus on halvem kui väiksematel polümeeridel ning nendega moodustuvad viskoossemad lahused: vajalik on väiksema kontsentratsiooniga lahuste moodustamine. Kiudu iseloomustavaid parameetreid mõjutavad samuti polümeeri molekulmass ja lahuse kontsentratsioon. Koostades sama kontsentratsiooniga lahused ja viies nendega läbi elektroketruse protsessi, on tuvastatud, et suurema molekulmassiga ahelatest moodustuvad suurema diameetriga kiud. Samuti muutub kiu diameeter, suurenedes lineaarselt lahuse kontsentratsiooni tõstes. Kiu struktuuri muudab ka juhtivus: suurema lahuse juhtivuse korral väheneb moodustuva kiu diameeter.
Protsessiparameetrid.
Protsessi toimivus ja iseloom sõltuvad suuresti aparatuurist ja sellega seotud parameetrite sobivast kasutusest. Kiu sobivaks moodustumiseks peab kaugus mahuti ja kollektori vahel olema selline, et elektrostaatiline jõud suudaks lahuse lähtepunktist kogumispinnale tõmmata ning solvent jõuaks läbitud teekonna jooksul täielikult aurustuda. Olukorras, kus kaugus on liiga suur, ei pruugi kõrgepinge polümeeri pinnale tõmmata, kuid vähese kauguse korral jäävad kiudu lahustitilgad, mis häirivad struktuuri ühtlust ja edasist kasutust. Kontaktide vahele suurema kõrgepinge rakendamisel tekib tugevam elektriväli, misjuhul võib vahekaugus olla vastavalt pikem. Eeltoodud muutujatega on seotud ka lahuse pealelaskmise kiirus. Mida rohkem lahust suudab süsteem ajaühikus töödelda, seda kiirem on kiu massi suurenemine, kuid liigse kiiruse korral hakkab elektrostaatika kollektorile tõmbama sarnaselt liiga väikese kauguse olukorraga solvenditilku, mis jällegi struktuuri häirivad. Ühtlase ja praktilise kiu tootmise eeliseks on kõikide protsessiparameetrite sobiv kombineerimine. Üldtuntumatel juhtudel on mahuti ja kollektori vahekaugus mõnekümne sentimeetri suurune, rakendatud elektriväli 10–25 kilovolti ja lahuse pealekandmise kiirus 1–10 milliliitrit tunnis.
Keskkonnaparameetrid.
Elektroketrust mõjutab suuresti ümbritseva keskkonna olemus. Peamiselt mõjutavad protsessi õhuniiskus ja temperatuur. Suur õhuniiskus raskendab solvendi aurustumise protsessi, mille tagajärjel võib kiudu sattuda palju soovimatuid tilku. Temperatuur mõjutab enamasti lahuse olemust: temperatuuri kasvades tõuseb polümeeri lahustuvus, lahusti lenduvus ning alaneb lahuse viskoossus.