شركت فناوران نانومقياس - مقالات – الكتروريسي

اگر چه عبارت الكتروريسندگي مشتق از ريسندگي الكتروستاتيكي است و در سال 1994 اين عبارت بكار برده شد، اساس آن به سال 1934 برمي‌گردد. زمانيكه Formhalas يك سري از اختراعاتي را از سال 1934 تا 1944 ثبت كرد كه در آن آزمايش تهية رشته‌هاي پليمري با بكار بردن يك نيروي الكتروستاتيكي را توضيح می داد. در روش او يك محلول پليمري مثل استات سلولز به يك ميدان الكتريكي وارد مي‌شد و رشته‌هاي پليمري از محلول بين دو الكترود با بارهاي مخالف، تشكيل مي‌شدند طوريكه يكي از الكترودها در داخل محلول پليمري و الكترود ديگر در سمت جمع‌كننده قرار مي‌گرفت. زمانيكه از يك فلز با سوراخ كوچك، محلول خارج مي‌شود حلال اين محلول باردار تبخير شده و در نتيجه بسمت الكترود مخالف كشيده مي‌شود و بر روي جمع‌كننده قرار مي‌گيرد. مقدار اختلاف پتانسيل به خصوصيات محلول پليمري مثل وزن مولكولي پليمر و ويسكوزيته آن وابسته است. همچنين فاصلة بين دو الكترود هم مهم بوده طوريكه اگراين فاصله از حد لازم كوتاه باشد الياف ريسيده شده تمايل دارند بخاطر ناقص بودن تبخير حلال، روي وسيلة جمع‌كننده بر روي همديگر بچسبند.

در سال 1952، Neubauer and Vonnegut توانستند قطرات هم شكل باردار شده در حدود قطر nm1/0 توليد كنند. آنها يك دستگاه ساده براي اتميزاسيون الكتريكي ابداع كردند. يك لولة شيشه‌اي به قطر انتهايي حدود 1/0 ميليمتر ساخته شد. اين لوله با آب يا هر مايع ديگر پر شد و يك سيم الكتريكي وصل شده به يك منبع ولتاژ بالا (KV 10ـ5) در داخل مايع قرار داده شد.

در سال 1955، Drozine توزيع شدن يك سري از مايعات بصورت قطرات معلق در هوا را تحت پتانسيل‌هاي بالا بررسي كرد. او يك لولة شيشه‌اي با انتهاي موئين شبيه به آنچه كه Vonnegut براي كار خود انتخاب كرده بود را بكار برد و دريافت كه براي مايعات مشخص و تحت وضعيتهاي مناسب، مايع از لولة موئين بصورت قطرات معلق در هوا با اندازه‌هاي نسبتاً هم‌شكل توزيع مي‌شود.

در سال 1966، Simons دستگاهي براي توليد منسوجات نابافته در اندازه‌هاي فوق‌العاده نازك و خيلي سبك با الگوهاي متفاوت از طريق بكارگيري ريسندگي الكتريكي ثبت كرد. اين دستگاه در شكل 2 نشان داده شده است. مطابق شكل يك الكترود معمولاً مثبت در محلول پليمر قرار مي‌گيرد و الكترود ديگر (با بار مخالف) به تسمه‌اي وصل مي‌شود كه الياف بر روي آن جمع‌آوري مي‌شوند. دو سر تسمه دو ميله قرار داده مي‌شود كه قادر به نگهداري پتانسيل‌هاي متفاوت از هم هستند عموماً اين دو ميله از داخل به هم وصل شده و در نتيجه پتانسيل آنها يكسان مي‌شود. ولتاژ وصل شده به دو سر الكترود از نوع DC و حدود KV 20 است. محلول پليمري در داخل يك سيلندر شيشه‌اي قرار مي‌گيرد كه در انتهاي آن يك لولة موئين قرار گرفته است.

تسمة فلزي مي‌تواند به طرحهاي مختلف ساخته شود كه نمونه‌اي از آن در شكل 3 و فيبر حاصل از اين طرح در شكل 4 ديده مي‌شود‌.


شکل 3: تسمه فلزی جمع کننده	شکل 4: نمونه فيبر تهيه شده با تسمه فلزی

او دريافت كه با تغيير ويسكوزيتة محلول نه تنها سرعت جريان، بلكه قطر فيبر نيز تغيير خواهد كرد طوريكه نازكترين الياف از محلولهاي با ويسكوزيتة پائين توليد مي‌شوند.

در سال 1971، Baumgarten دستگاهي براي الياف اكريلي الكتروريسيده به قطر حدود 1/1ـ05/0 ميكرون ابداع كرد. در آزمايش او قطره از طريق يك لولة استيل زنگ نزن موئين خارج مي‌شد و اندازه اين قطره با تنظيم سرعت تغذية يك پمپ ثابت نگهداشته مي‌شدو يك جريان dc با ولتاژ بالا به لوله متصل شده در نتيجه الياف روي يك پردة فلزي جمع‌آوري مي‌شدند.

از سال 1980 خصوصاً در سال‌هاي اخير فرآيند الكتروريسندگي ضرورتاً شبيه به روش Baumgarten بيشتر مورد توجه قرار گرفته است. بدليل اينكه اين روش، الياف بسيار ريز يا ساختارهاي ليف مانند از پليمرهاي مختلف با ابعاد زير ميكرون يا نانومتر را مي‌تواند به آساني توليد كند.

در سال 1987، Alan Bornat ]15[ روشي را ابداع كرد كه در آن الياف بصورت لوله‌اي شكل تشكيل مي‌شوند. اين روش در شكل 5 بوضوح ديده مي‌شود كه شامل جمع‌كنندة باردار (شمارة 8)، محل وارد شدن محلول به ميدان الكتروستاتيكي (شمارة 7) و شبكه‌اي از الكترودهاي كمكي (شمارة 6) مي‌باشد.

شکل 5: الکتروريسندگی همراه با الکترودهای کمکی

اين الكترودهاي كمكي ممكن است يك يا تعداد بيشتر باشد و ممكن است بطور الكتريكي به هم متصل شوند يا از هم جدا باشند. همچنين مي‌توانند شكلهاي فيزيكي متفاوت از هم داشته باشند (بصورت موازي يا در جهت‌هاي ديگر با جمع‌كننده، شبكه‌اي و ...). الكترودهاي كمكي بايد طوري طراحي شوند كه از جريان هوا به سمت فيبر ممانعت نكنند. جنس الكترودهاي كمكي از مواد مناسب مثل فلز انتخاب مي‌شود (ميله‌هاي استيل به قطر mm10ـ1، طول cm50ـ5 و فضاي بين شبكه‌اي cm10ـ1).

در اين روش نوع كنفيگوراسيون الكترود كمكي مي‌تواند به جدا شدن الياف ريسيدة الكتروستاتيكي از همديگر كمك كند. اين امر باعث مي‌شود كه الياف بهم نچسبند. همچنين اين موضوع در بكارگيري محلولهاي غليظ‌تر يك امتياز محسوب مي‌شود. اين كنفيگوراسيون در شكل 6 ديده مي‌شود.

در اين روش الكترودهاي كمكي ممكن است پتانسيل يكسان يا متفاوت داشته باشند كه اين امر بستگي به الگوي قرار گرفتن الياف روي جمع‌كننده دارد. با استفاده از ترتيب قرارگيري الكترودها مي‌توان قطرهاي كوچكتر از الياف را با كشيده شدن آنها بدست آورد. محل دقيق و بار روي الكترودها مي‌تواند متنوع باشد همانطوريكه از شكل بالا مشاهده مي‌شود محل الكترود مي‌تواند طوري باشد كه الياف منحرف شوند و در تماس با الكترودها قرار گيرند. سپس به سمت هدف (جمع‌كننده) جذب شوند. زمانيكه بار روي الكترودهاي كناري كمتراز جمع‌كننده باشد يا الكترودهاي كناري نزديك منبع فيبر باشند در اين صورت محلول ريسيده شده ممكن است به الكترودهاي كمكي بچسبد و الياف از روي اين الكترودها به سمت جمع‌كننده كشيده شوند.

در اين تكنيك الياف هم به شكل طولي و هم به شكل دايره‌اي پيرامون لوله قرار مي‌گيرند. از آنجائيكه مدولهاي الاستيكي يا كششي با طرز قرار گرفتن الياف روي لوله تحت تأثير قرار مي‌گيرد بنابراين با كنترل طرز قرار گرفتن الياف روي لوله مي‌توان خاصيت الاستيكي و كششي محصول را كنترل كرد. بعنوان مثال جائيكه محصول بايد كشش طولي بالا داشته باشد بيشتر الياف ترجيحاً بايد بصورت طولي قرار گيرند و جائيكه محصول بايد يك كشش ناگهاني بالايي را تحمل كند بايد الياف بصورت دايره‌اي قرار گيرد.از اين الياف لوله‌اي شكل بدست آمده مي‌توان در اندامهاي مصنوعي عروقي مخصوصاً سنتز رگ خوني استفاده كرد. كاربردهاي ديگر شامل آوندهاي مختلف مثل ادراري و صفراوي همچنين در اجزاء لوله‌اي ديگر مثل قلب و لوازم پزشكي است.

در سال 1991، John P. Berry ]16[ تكنيك تقريباً مشابه با تكنيك قبلي ابداع كرد. در اين روش ريسندگي الكتروستاتيكي، از يك ميلة چرخان باردار شدة الكتروستاتيكي و يك جفت شبكة باردار الكتروستاتيكي استفاده شده است. يكي از اين شبكه‌ها مي‌تواند به ميله نزديك و ديگري دورتر از آن باشد. انتخاب پتانسيل‌هاي الكتروستاتيكي مطلوب براي ميله و شبكه‌ها و وارد شدن مواد قابل فيبر شدن به ميدان الكتروستاتيكي، فيبرهاي با قطر متفاوت و جهت‌يابي متفاوت توليد مي‌كند. تنوع ولتاژهاي ميله و شبكه باعث تنوع قطر و جهت‌يابي فيبر مي‌شود. مثلاً ميله‌اي به قطر mm4 ولتاژ KV12 و شبكه با ولتاژ KV6 الياف به قطر اوليه توليد مي‌كند در حاليكه KV7 براي ميله و KV2/9 براي شبكه باعث مي‌شود قطر الياف بزرگتر شود. اندازة ميله، فضاي شبكه و محل شبكه اثر اساسي بر روي ارتباط ولتاژ بين ميله و شبكه دارد و در نتيجه الياف متفاوت روي ميله، توليد مي‌شود. شكل‌هاي 8، 8 و 9 اين تكنيك را نشان مي‌دهند.


شکل 7: نحوه آرايش ميله و شبکه های باردار درتکنيک John	شکل 8: نحوه آرايش ميله و شبکه های باردار درتکنيک John


شکل 9: نحوه آرايش ميله و شبکه های باردار درتکنيک John

همانطوريكه از شكل 8 مشاهده مي‌شود ميدان الكتروستاتيكي متقارن نيست. صفحه 17 نزديك ميله و صفحه 18 دورتر از آن قرار گرفته است. صفحات 17 و 18 ولتاژهاي خيلي بالا دارند و ولتاژ ميله پائين است. اين امر باعث مي‌شود كه الياف به آساني بسوي صفحة بالايي (17) جذب شوند. در اين شكل ولتاژ براي صفحات KV2/9 و براي ميله KV7 در نظر گرفته شده است. اگر ولتاژهاي شبكه‌ها كمتر از ميله باشند، حالت شكل 7 را خواهيم داشت (ولتاژ صفحات KV6 و ميله KV12).

بنابراين در شكل 9 محلول از نوك سوزن بصورت هليس بسمت صفحة بالايي حركت مي‌كند و سريعاً بصورت عمودي جذب ميله مي‌شوند. اگر فاصلة سوزن و ميله كوتاه باشد قطر الياف كوچكتر و عموماً جهت‌دهي تصادفي است، با مسير طولاني‌تر الياف با قطر بزرگتر بدست مي‌آيند.

مدول يانگ براي الياف بدست آمده از دستگاه شكل 7، اندازه‌گيري شده و در جدول 2 آمده است كه با روشهاي قبلي مقايسه شده است.

جدول 2: مدول های Yang برای الياف بدست آمده از الکترودهای کمکی

مقايسه با ساختار قبلي، مدولهاي حلقوي ساختار بدست آمده در اين تكنيك با فاكتور چهار افزايش مي‌يابد و مدولهاي اكسيال با همان فاكتور 4 كاهش مي‌يابند. اين امر نشان مي‌دهد كه مقايسة تغييرات نسبت مدولهاي حلقوي به اكسيال باعث بهتر شدن خصوصيات خمشي مي‌شود.

در سال 1994، Reneker روشي را براي تهية الياف كولار (پلي -P فنيلن ترفتالاميد PPTA كه اولين بار توسط كمپاني Dupont تحت نام تجاري كولار تجاري شد) بطريقة الكتروريسندگي ابداع كرد. اساس اين روش در شكل (1ـ10) مشاهده مي‌شود.

در اين فرآيند يك ميدان الكتريكي بالا براي آويزان كردن قطرة محلول پليمري (اسيدسولفوريك غليظ) در يك لولة موئين بكار گرفته مي‌شود. زمانيكه ميدان الكتريكي بر كشش سطحي غلبه مي‌كند يك جت باردار شدة محلول خارج مي‌شود. الياف با جابجا شدن حلال ازطريق انعقاد در يك حمام غيرحلال (آب) تشكيل مي‌شوند (در اين تكنيك وسيلة جمع‌كننده همان آب است). ويژگي مهم اين فرآيند آن است كه الياف كولار (پلي -P فنيلن ترفتالاميد PPTA) با قطر در محدودة nm40 تا چندين صد نانومتر به آساني تشكيل مي‌شوند. تعدادي از كاربردهاي چنين اليافي با قطر كوچكتر در فيلتراسيون ذرات زير ميكرون، در نانوكامپوزيت‌ها، در بخيه زخم و در حشره‌كشها مي با‌شد. قطر الياف بدست آمده با استفاده از تكنيكهاي TEM ميدان تاريك و روشن، SEM، ديفراكسيون الكتروني و AFM بررسي شده است.

روشهاي معمول ديگري براي تهية نانوفيبرهاي پليمري بكار گرفته شده است كه تقريباً اساس كار يكسان دارند شماي يك نمونه از اين دستگاه را كه براي تهية آلياژهای پلي‌اتيلن‌اكسيد PEO و پلي‌آنيلين استفاده شده در شكل 11 نشان ‌داده شده است.

نمونه‌اي از الياف بدست آمده ازاين تكنيك در شكل 12 آورده شده است.


شکل 12: ميکروگراف SEM محلول 2 درصد وزنی PAn.HCSA و 2 درصد PEO در کلروفرم در 25 کيلوولت (a) بزرگنمايی 192 و (b) بزرگنمايی 2440