|
بررسي پارامترهاي مؤثر در الكتروريسندگي
پارامترهايي كه در اثر تبديل محلولهاي پليمري
به نانوفيبرها از طريق الكتروريسندگي مؤثر هستند و مورفولوژي سطح نانوفيبر
و قطر و ساير مشخصات آن را تحت تأثير قرار مي‌دهند را مي‌توان به دو دسته
پارامترهاي مرتبط با محلول پليمري و پارامترهاي فرايندي تقسيم كرد.
پارامترهاي مرتبط با محلول پليمري عبارتنداز: ويسكوزيته، الاستيسيته،
هدايت، كشش سطحي، غلظت، دماي محلول، ثابت دي‌الكتريك، فراريت حلال، دانسيتة
بار خالص، اثر افزايش نمك، وزن مولكولي پليمر و ... . از جمله پارامترهاي
فرايندي مي‌توان به ولتاژ اعمال شده، ميزان رطوبت محيط، سرعت هوا در اتاقك
الكتروريسندگي، پتانسيل الكتريكي در نوك نازل، دماي محيط، فاصلة بين نوك
نازل با صفحة جمع‌كننده، نوع صفحه جمع كننده، سرعت خروج محلول از نازل،
سرعت چرخش جمع‌كننده، سرعت روبش نازل‌ها و... اشاره كرد.
توانائي ليف شدن انواع پليمرها تحت تأثير هر
كدام از پارامترهاي نامبرده قرار مي‌گيرد طوريكه اگر شرايط بهينه ايجاد
نشود هيچ نوع ليفي بدست نمي‌آيد يا الياف بدست آمده از نظر مورفولوژي
نابهنجار خواهند بود. در زير بطور مختصر پارامترهاي مهم در اين فرآيند
بررسي مي‌شوند:
يكي از نتايج مهم در الكتروريسندگي قطر فيبر
است. از آنجائيكه نانوالياف در نتيجة بخار شدن يا جامد شدن جريان شناور
پليمر بدست مي‌آيند بنابراين قطر فيبر در ابتدا وابسته به اندازه‌هاي جت و
مقدار پليمر در آن است. معلوم شده است كه در طول سير يك محلول از نازل به
سمت جمع‌كننده، در ابتدا جت مي‌تواند به جتهاي چندتائي شكافته شود يا
ممكنست اين شكافتدگي ايجاد نشود كه در نتيجة آنها قطر ليف متفاوت مي‌شود.
تا زماني كه هيچ شكافتگي ايجاد نشود يكي از بيشترين پارامترهاي مهم در قطر
ليف ويسكوزيتة محلول است. در نتيجة ويسكوزيتة بالا ليف با قطر بزرگتر بدست
مي‌آيد. پليمرهاي با وزن مولكولي بالا عموماً مشكل ريسندگي دارند كه
احتمالاً به خاطر افزايش سريع ويسكوزيته (پس از اينكه مقدار كمي‌از حلال
تبخير مي‌شود) در طول مسير ريسندگي مي‌باشد. بنابراين در هنگام استفاده از
پليمرهاي با وزن مولكولي بالا، استفاده از محلولهاي با ويسكوزيتة كم توصيه
مي‌شود. با ويسكوزيته‌هاي فوق‌العاده كم نيز ابري از قطرات اسپري خشك تشكيل
مي‌شود.
افزايش غلظت پليمر باعث مي‌شود كه نانوفيبر
با قطر بزرگتر تشكيل شود. در حقيقت Deitzel و همكارانش اشاره‌اي كردند به
اينكه قطر فيبر با افزايش غظت پليمر مطابق با يك قانون افزايش مي‌يابد.
Demir و همكاران دريافتند كه قطر ليف متناسب با توان سوم غلظت پليمر است.
تغيير غلظت همچنين مي‌تواند اثر مهمي‌را روي مورفولوژي سطح فيبر بخصوص در
ايجاد منافذ بر روي سطح و اندازة اين منافذ داشته باشد.
محلول پليمر بايد يك غلظت كافي (متفاوت در
انواع پليمرها) داشته باشد تا باعث آشفتگي پليمر نشود و نبايد زيادتر از
حدي باشد كه ويسكوزيته از حركت محلول بوسيلة ميدان الكتريكي القاء شده
جلوگيري كند. بعنوان يك نتيجه، افزايش غلظت باعث مي‌شود قطر فيبر بزرگتر،
تنوع متوسط اندازة قطر فيبرها بيشتر، ايجاد منافذ دايره‌اي شكل در سطح
فيبر، ايجاد گره‌هاي بيشتر و اندازة گره‌ها از شكل كروي به ميله‌اي تغيير
يابد.
Reneker and Doshi تأكيد كردند كه با كاهش
كشش سطحي يك محلول پليمري، الياف بدست آمده بدون گره و يكنواخت مي‌شوند.
كشش سطحي به حلال وابسته بوده و در نتيجة تغيير حلال توزيع كشش سطحي متفاوت
مي‌شود اما بطور جزئي به غلظت پليمر وابسته است. بايد توجه كرد كه ضرورتاً
كشش سطحي پائين يك حلال هميشه براي الكتروريسندگي مناسب نخواهد بود.
دماي محلول يك پارامتر كليدي است كه روي
مورفولوژي و توانائي ريسندگي اثر مي‌گذارد. افزايش دماي جريان محلول پليمري
ويسكوزيته محلول را كاهش داده و فراريت حلال را افزايش مي‌دهد. در نتيجه
محصول بيشتري بدست مي‌آيد. با توجه به نقطة جوش حلال پليمر در
الكتروريسندگي، دماي محلول پليمري در محدودةC �40 مناسب است در حاليكه نقطة
جوش حلال مي‌تواند در محدودةC �180ـ40 قرار گيرد. روش گرم كردن مي‌تواند از
طريق گرمائي بوسيلة يك Jacket روغني يا يك گرم‌كنندة جريان داغ هوا باشد.
اگر دماي محلول پليمري در طول فرآيند بيشتر از نقطة جوش حلال باشد
ويسكوزيتة محلول سريعاً افزايش مي‌يابد، سرعت جريان محلول پليمري
غيريكنواخت و كار كردن نرمال غيرممكن مي‌شود. زماني كه در دماي زير C �40
حلال با فراريت زياد بكار برده نشود افزايش در سرعت فراريت حلال كاهش
مي‌يابد در نتيجة آن شكل بافتة پليمري بصورت فيلم يا مخلوط قطرات مايع در
مي‌آيد.
حلال‌هايي با ثابت دي‌الكتريك 2 مانند
هيدروکربنها تا 78 مانند آب در فرآيند الكتروريسندگي بكار گرفته مي‌شوند.
عموماً بهترين نتيجه زماني بدست مي‌آيد كه ثابت دي‌الكتريك حلال بين 21ـ5
باشد. كتونهايي مثل استون، اتيل‌متيل‌كتون، ايزوبوتيل كتون با ثابت
دي‌الكتريك در محدودة 21ـ12 منسوجات نابافته اليافي با قطر �3ـ1 را نتيجه
مي‌دهند. استرهاي با ثابت دي‌الكتريك 8ـ6 الياف زبرتر تحت وضعيتهاي مشابه
را مي‌دهند. كلروفرم با ثابت دي‌الكتريك 5ε= الياف زبرتر با قطر �10 را
مي‌دهد. عموماً تولوئن با 3/2ε= الياف رضايت‌بخشي توليد نمي‌كند. حلالهاي
با ثابت دي‌الكتريك بالاي 21 نتايج خوبي را ايجاد نمي‌كنند كه ممكن است
بخاطر رسانائي بالا و فراريت پائين باشد كه در حلالهاي با ثابت دي‌الكتريك
بالا وجود دارد. براي اينكه الياف بهتر بتوانند روي جمع‌كننده قرار گيرند
بهتر آن است كه حلال همراه با پليمر بطور كامل در زمان قرار گرفتن آن بر
روي جمع‌كننده جدا شود. اگرچه مقدار مشخصي از چسبندگي فيبر به فيبر مجاز
است، ترجيح داده مي‌شود كه الياف در حالت سلواته شده بر روي جمع‌كننده قرار
نگيرند؛ به‌عنوان مثال حلال‌هايي مثل DMF (�c153b.p=) و بوتيرولاكتون
(�c206b.p=) اگرچه حلالهاي خوبي براي پليمرها هستند ولي به‌دليل نقطه جوش
بالا، زمانيكه فرآيند در دماي اتاق انجام مي‌گيرد تا اندازه‌اي سلواته شده
را نتيجه مي‌دهند.
بنابراين در فرآيند الكتروريسندگي تعيين نوع
حلال براي پليمر خاص يك روش تجربي بوده و مي‌توان از حلالهاي با فراريت
بالا يا با فراريت پائين يا حتي از مخلوط اين حلال‌ها براي حل كردن پليمر
استفاده كرد و شرايط بهينه براي توليد الياف مطلوب را بدست آورد. لازم به
يادآوري است كه براي جدا كردن حلال از پليمر مي‌توان فضاي كار را به يك
منفذ هوائي براي تهوية هوائي مجهز كرد يا اينكه از تيغه‌هاي هوا يا يك پردة
هوائي اطراف نازل‌ها يا جمع‌كننده استفاده كرد و راه ورود و خروج هوا را
همراه با مقدار زيادي از حلال از منفذ را هموار كرد.
هدايت محلول فاكتور كليدي تعيين جريان
الكتروريسندگي است. افزايش نمك اثر بار اضافي داشته و فرآيند الكتروريسندگي
را راحت مي‌كند. مثالهايي از اين نمكها كه در اين فرآيند بكار گرفته
مي‌شوند عبارتند از: KH2PO4، NaCl،CaCl2�، NaHCO3، MgCl2، KCl،
MgSO4،KIO3 K2HPO4 و مخلوط اين نمکها. افزايش Wt1% نمك به نانوفيبرها آنها
را عاري از گره مي‌كند.
با افزايش بارهاي حمل شده در جت نيروي طويل
شدن بالايي در جت تحت ميدان الكتريكي بوجود مي‌آيد كه در نتيجة آن گره‌ها
كوچكتر و الياف با قطر كمتر تشكيل مي‌شوند؛ بايد توجه شود كه اين امر به
نازکتر شدن نانوفيبرها و ايجاد گرههای کمتر در ميدان الکتريکی بالا
ارتباطی ندارد.
رطوبت بطور مستقيم روي مورفولوژي سطح الياف
الكتروريسيده اثر مي‌گذارد. منظور از رطوبت مقدار رطوبت اتمسفر است كه
بعنوان يك غيرحلال براي پليمر عمل مي‌كند. معمولاً رطوبت نسبي بين صفر تا
40% ترجيح داده مي‌شود. با رطوبت نسبي بيش از 40% معمولاً از شكافته شدن
جريان محلول پليمري (شاخه‌دارشدن) جلوگيري بعمل مي‌آيد در نتيجه قطرات مايع
جريان مي‌يابند.
جهت تهيه الياف يكنواخت، غلظت و ويسكوزيتة
محلول مي‌تواند براي هر وزن ملكولي از يك پليمر متغير باشد.
ميدان الكتريكي بكار برده‌شده براي
الكتروريسندگي (ولتاژ از نوعDC) در محدودة 5 تا 100 مي‌باشد كه ترجيحاً
KV50 -10 را بكار مي‌برند. در اثر اعمال ولتاژ محلول پليمري باردار شده
(بار مشابه) و تمايل به دفع همديگر دارند. در نتيجه در سطح زيادي پراكنده
مي‌شوند و بسوي جمع‌كننده كه بار مخالف محلول را دارد كشيده مي‌شوند و
الياف تشكيل مي‌گردند. مقدار پتانسيل اعمالي بايد مناسب باشد تا كارآئي جمع
شدن الياف در جمع كننده را بهبود دهد. افزايش فوق‌العادة ولتاژ جريان
پليمري را ناپايدار و غيرقابل كنترل مي‌كند. بنابراين ولتاژ مي‌تواند
وابسته به فاصلة بين نوك نازل و هدف جمع‌كننده باشد طوريكه هرچه اين فاصله
بيشتر باشد پتانسيل اعمالي بايد بيشتر شود. افزايش در ولتاژ يا افزايش در
مقدار محلول پليمر آزاد شده از نوك نازل باعث افزايش قطر جريان خارج شده از
قيف مخروطي شده در نتيجه اليافي با قطر بزرگتر تشكيل مي‌گردند. ولتاژ
همچنين مي‌تواند بر روي مورفولوژي سطح نانوفيبرها مؤثر باشد. در آزمايش‌هاي
الكتروريسندگي جريان الكتريكي با ميكروآمپر اندازه‌گيري مي‌شود. در اين
حالت جريان الكتريكي بخاطر هدايت يوني بار در محلول پليمر معمولاً كم است.
بنابراين افزايش در جريان الكتروريسندگي عموماً در سرعت جريان محلول از
نازل به سوي هدف (زماني كه همة متغيرها ثابت نگه داشته شود) منعكس مي‌شود.
فاصله بين نوك نازل تا هدف (وسيله جمع‌كننده)
را فاصلة كاري يا فاصله الكتروريسندگي مي‌گويند كه تنظيم اين فاصله نيز نقش
مهمي را در توليد الياف دارد. تغيير اين فاصله روي مورفولوژي الياف تشكيل
شده مؤثر است.
عموماً زمان لازم براي حركت محلول پليمري
(جت) از نازل به سمت جمع‌كننده و تشكيل الياف جامد كمتر از يك دهم ثانيه
(s01/0ـ1/0) است. طبق بررسي انجام شده بر روي محلولهاي پليمري، تغيير سرعت
پمپ و از اينرو سرعت جريان محلول بر روي اندازة فيبر و مورفولوژي سطح آن
مؤثر است. زماني كه سرعت جريان بيشتر مي‌شود گره مشاهده مي‌شود و اندازة
آنها افزايش يافته و در سطح آن منافذ در مقياس نانو تشكيل مي‌شود. اندازه
اين منافذ با افزايش جريان افزايش مي‌يابد]23[.
شدت جريان جت به عنوان تابعي از ميدان
الكتريكي بكار برده شده و سرعت جريان جت اندازه‌گيري مي‌شوند. جريانهاي جت
اندازه‌گيري شده براي محلول گليسيرول در محدودة نانوآمپر است كه مطابق با
دانسيته‌هاي بار خالص در محدودة cm-316ـ2 مي‌باشد.
كشش سطحي آب خالص dyn/cm73 است كه بنظر
مي‌رسد ناتواني در الكتروريسندگي محلولهاي آبي پلي‌وينيل الكل (PVA) 100%
هيدروليز شده در نتيجة كشش سطحي بالا باشد و اينكه ميدان الكتريكي بحراني
بيش از حد لازم است تا بر كشش سطحي غلبه كند. به هرحال كاهش كششي سطحي و
افزايش هدايت الكتريكي باعث تشكيل الياف بدون گره مي‌شوند و الياف نازكتر و
يكنواخت‌تر تشكيل مي‌شوند.
هدايت محلولهاي مختلف قويا وابسته به pH است
در حاليكه ويسكوزيته و كشش سطحي بطور زيادي تحت تأثير pH قرار نمي‌گيرد.
انتظار مي‌رود كه الياف در pH هاي پاينتر و pH هاي بالاتر با قطر كوچكتر
تشكيل شوند كه اين امر بدليل هدايتهاي بالا در اين نواحي مي‌باشد. بدين
ترتيب با افزايش دانسيتة بار محلول، نيروي قوي‌تري بر جتهاي خروجي تحت
ميدان الكتريكي تأثير مي‌گذارند و در نتيجه آن الياف كوچكتر مي‌شوند.
بهرحال اثر هدايت روي قطر ليف ممكنست به يك مقدار آستانه از هدايت محدود
شود چون متوسط قطر الياف بطور مستقيم در ارتباط با بزرگي مقدار هدايت
نمي‌باشد. لازم به ذكر است كه در برخي موارد در وضعيتهاي اسيدي، الياف
ساختار گره مانند و ريش ريش از خود نشان مي‌دهند كه اين امر بدليل
پروتوناسيون گروههاي هيدروكسي آنها است.
بطور كلي براي
اينكه بتوانيم يك نتيجة مطلوب و دلخواه را از فرآيند الكتروريسندگي بدست
آوريم (نانوالياف يكنواخت) هر كدام از اين پارامترهاي مهم را با در نظر
گرفتن شرايط آزمايش و نوع محلول پليمري بايد بررسي كنيم و با تغيير دادن هر
كدام از اين پارامترها و ساير پارامترهايي كه از اهميت كمتري برخوردار
هستند، بتوانيم شرايط آزمايش را بهينه كنيم. لازم به يادآوري است كه هر
كدام از اين پارامترها براي هر آزمايشي متغير بوده و براي هر آزمايش (محلول
پليمري) بايد مقدار بهينة آنها را بدست آوريم.
|
