|
روشهای مختلف ساخت نانوفیبرهای پلیمری
نانوفیبرهای پلیمری با توجه به جنس، شكل و
اندازه نهايي می‌توانند توسط چندین روش از قبیل روش طراحی (کشیدن)، سنتز
قالب، جدایی فاز، خودآرایی و الکتروریسندگی تهیه گردد. در این بخش ابتدا
هر کدام از روش‌ها به طور مختصر توضیح داده شده و سپس مزایا و معایب هر روش
با همدیگر مقایسه خواهد گردید.
اين روش يك فرآيند شبيه به ريسندگي خشك در
صنعت الياف است كه مي‌تواند نانوفيبرهاي منفرد خيلي طويل بسازد. در اين روش
فقط مواد ويسكوالاستيك مي‌توانند تحت تغيير شكل قوي قرار بگیرند و با قدرت
چسبندگي بالا، متحمل فشار در طول كشش شده در نتيجه به نانوفيبر تبديل شوند.
در این روش یک میکروپیپت با ابعاد چند
میکرومتر از کنار محل اتصال با استفاده از یک وسیله جابجایی میکرومتری وارد
قطره شده و سپس از مایع بیرون آورده شده و با سرعت حدود 4-10
متر بر ثانیه کشیده می‌شود. نتیجه یک رشته نانوفیبر خواهد بود. این عمل
برای هر قطره چندین بار تکرار می‌شود. شکل زير به طور شماتیک این روش را
نشان می‌دهد.
نمای کلی روش ساخت نانوفیبرهای پلیمری به روش
طراحی
با گذشت زمان به دلیل تبخیر حلال ویسکوزیته
محلول به خصوص در لبه‌های قطره افزایش خواهد یافت. در شروع تبخیر که همان
قسمت X در منحنی شکل می‌باشد، فیبر کشیده شده به دلیل ناپایداری Rayleigh
پاره خواهد شد. در طی مرحله دوم تبخیر که مربوط به قسمت Y در منحنی
می‌باشد، نانوفیبرها با موفقیت کشیده خواهند شد. در مرحله نهایی تبخیر که
همان قسمت Z است، محلول غلیظ شده و نانوفیبرها به علت چسبندگی زیاد پاره
خواهند شد. بنابراین روش طراحی جهت ساخت نانوفیبرهای پلیمری مستلزم مواد
ویسکوالاستیکی می‌باشد که تحت تغییر شکل شدید قرار بگیرند و در عین حال
چسبندگی لازم را جهت مقاومت در برابر پاره شدگی داشته باشند.
منحنی شماتیک طول نانوفیبرهای بدست آمده از
روش طراحی با توجه به ویسکوزیته نمونه
در اين روش از يك غشاء نانویی بعنوان قالب
براي تهيه نانوفيبرهاي جامد به شکل يك فيبريل يا لوله استفاده مي‌شود.
بيشترين اهميت اين روش توانمندی ساخت لوله‌هاي نانومتري و فيبريل‌هاي مواد
خام متنوعی از قبیل پليمرهاي هادي جريان الكتريسيته، فلزها، نيمه‌هاديها و
كربن‌ها می‌باشد. لازم به يادآوري است كه اين روش نمي‌توان نانو الياف
پيوستة يك به يك ساخت. نمای کلی این روش در شکل نمایش داده شده است.
ساخت نانوفیبرها به وسیله روش سنتز قالب
در این روش محلول پلیمری از یک غشاء دارای
حفرات نانومتری عبور داده می‌شود. غشاء استفاده شده بیشتر از جنس اکسیدهای
فلزی می‌باشد. فشار آب در پشت باعث عبور محلول پلیمری شده و با ورود آن به
بخش ضدحلال نانوفیبرها بسته به ابعاد حفرات تشکیل می‌گردند.
به طور خلاصه اين روش شامل انحلال، ژله‌اي
شدن، استخراج از طريق بكار بردن يك حلال متفاوت، منجمد كردن و خشك كردن
مي‌باشد كه در نتيجة آن فوم با منافذ در مقياس نانومتر بدست مي‌آيد. در اين
فرآيند براي تبديل پليمر جامد به فوم با منافذ در مقياس نانومتر مدت زمان
زيادي لازم است. نمای کلی این روش در شکل نشان داده شده است.
نمای شماتیک روش جدایی فاز جهت تولید
نانوفیبرها
مکانیسم اصلی در این فرایند همانطور که از
نام آن پیداست، جدایی فازها به دلیل غیرامتزاج پذیری فیزیکی است. یکی از
فازها که همان حلال است، در مرحله بعد استخراج شده و از فازهای دیگر جدا
می‌شود. جزئیات فرایند برای تولید نانوفیبرهای پلی لاکتیک اسید که در سال
1999 توسط Ma and Zhang توصیف شده است، شامل مراحل زیر است: (1) حل شدن
پلیمر، (2) ژل شدن، (3) استخراج حلال، (4) انجماد و (5) فریزدرایینگ به‌شرح
زير مي‌باشد: ]9-8[.
(1) حلال به پلیمر اضافه می‌شود تا محلول
با غلظت مورد نظر به دست آید. محلول تا به دست آمدن سیستم یکنواخت هم زده
می‌شود.
(2) دو میلی‌لیتر از محلول داخل ظرف
تفلونی ریخته شده و سپس در یخچال در دمای ژل شدن قرار داده می‌شود تا ژل
تشکیل گردد.
(3) ژل داخل آب مقطر قرار می‌گیرد تا جای
حلال آن را بگیرد. این مرحله سه بار در روز و برای 2 روز تکرار می‌شود.
(4) ژل از آب برداشته شده و با فیلتر
کاغذی خشک شده و به فریزر با دمای �C 18- به مدت 2 ساعت منتقل می‌شود.
(5) سرانجام ژل منجمد در دستگاه
فریزدرایر که دمای آن �C 55- و خلاء آن 5/0 میلی‌متر جیوه می‌باشد به مدت
یک هفته قرار می‌گیرد.
يك فرآيند منحصر به فردی است كه در آن ذرات
خود به الگوهاي از پيش تعيين شده در مي‌آيند. مثل تكنيك جدائي فاز، اين
تكنيك نيز براي تهيه نانوفيبرهاي پليمري پيوسته مدت زمان زيادي را لازم
دارد، به طور کلی این روش به ساختن فیبرهای نانوساختار با استفاده از
مولکول‌های پايه مربوط می‌شود که خود به شکل الگوهای از پیش تعیین شده در
می‌آیند.. شکل زير، یک نمای ساده از ساخت نانوفیبر به این روش می‌باشد که
در سال 2001 گزارش شده است. مولکول‌های کوچک (شکل، بالا) در ساختار از پیش
تعیین شده کنار هم چیده می‌شوند و با همدیگر شکل مشخصی را تشکیل می‌دهند
(شکل، وسط) که در نهایت در یک محور به شکل نانوفیبر در می‌آیند (شکل،
پایین). مکانیسم اصلی برای خودآرایی معمولی نیروهای بین مولکولی است که
باعث می‌شود واحدهای کوچکتر به هم متصل شوند. شکل واحدهای کوچکتر تعیین
کننده واحدهای بزرگتر خواهد بود.
مثالی از تهیه نانوفیبرها با استفاده از روش
خودآرایی
بنظر مي‌رسد بدليل معايبي كه تكنيكهاي قبلي داشتند
الكتروريسندگي تنها روشي است كه مي‌تواند براي تهيه نانوفيبرهاي پيوستة جدا
از هم، از پليمرهاي متعدد بكار برده شود كه بعداً بطور مفصل در مورد انواع،
ويژگيها و خصوصيات نانوالياف پليمري حاصل از اين تكينيك بحث خواهد شد.
مقايسه فرآيندهاي نانو الياف
پيرو مقايسه
روشهاي مختلف تهيه نانوفيبرهاي پليمري طبق جدول 3 و بررسي مزايا و معايب
هر كدام از روشهاي فوق جدول 4 و با توجه به جدول 5 كه در مورد مواد اوليه،
حلال و ابعاد نهايي فيبرها مي‌باشد، مي‌توان به راحتي نتيجه گرفت كه روش
الكتروريسندگي بهترين گزينه براي ساخت بسياري از نانوفيبرهاي پليمري
مي‌باشد كه امكان افزايش مقياس توليد به سمت توليد صنعتي در اين روش نسبت
به ديگر روش‌ها بسيار راحت‌تر است.
جدول 3: مقایسه روشهای مختلف
تهیه نانوفیبرهای پلیمری
|
فرایند |
مقیاس |
توان افزایش مقیاس |
تکرارپذیری |
راحتی فرایند |
کنترل بر ابعاد نانوفیبر |
|
طراحی |
آزمایشگاهی |
� |
� |
� |
� |
|
سنتز قالب |
آزمایشگاهی |
� |
� |
� |
� |
|
جدایی فاز |
آزمایشگاهی |
� |
� |
� |
� |
|
خودآرایی |
آزمایشگاهی |
� |
� |
� |
� |
|
الکتروریسندگی |
آزمایشگاهی (با
قابلیت تولید در مقیاس صنعتی) |
� |
� |
� |
� |
جدول 4: مزایا و معایب روشهای
مختلف تهیه نانوفیبرهای پلیمری
|
فرایند |
مزایا |
معایب |
|
طراحی |
حداقل ابزار مورد نیاز است |
فرایند غیر پیوسته، سرعت فرایند کم، عدم توان افزایش مقیاس |
|
سنتز قالب |
با
استفاده از قالب‌های مختلف، به راحتی می‌تواند فیبرهای با
ابعاد مختلف تهیه شود |
عدم توان افزایش مقیاس |
|
جدایی فاز |
حداقل ابزار مورد نیاز، فرایند به طور مستقیم یک ماتریس
نانوفیبری را تولید می‌نماید. خواص مکانیکی ماتریس به وسیله
غلظت پلیمر مورد نظر می‌تواند طراحی شود. |
محدود به برخی از پلیمرها، عدم‌کنترل بر ابعاد فیبر، عدم توان
افزایش مقیاس |
|
خودآرایی |
مناسب جهت تولید نانوفیبرهای با ضخامت بسیار کم |
پیچیدگی فرایند |
|
الکتروریسندگی |
هزینه کم تولید. نانوفیبرهای پیوسته و بلند می‌توانند تولید
شوند، توان افزایش مقیاس، تنوع پلیمرها |
عدم پایداری جت |
جدول 5: تاثیر روشهای ساخت بر
مواد، حلال و ابعاد نانوفیبرها
بنظر مي‌رسد بدليل معايبي كه تكنيكهاي قبلي
داشتند الكتروريسندگي تنها روشي است كه مي‌تواند براي تهيه نانوفيبرهاي
پيوستة جدا از هم، از پليمرهاي متنوع و در مقیاس صنعتی بكار برده شود كه در
ادامه بطور مفصل در مورد انواع، ويژگيها و خصويات نانوالياف پليمري حاصل از
اين تكينيك بحث خواهد شد. |
