تولید نانوالیاف در مقیاس بالا به روش الکتروریسی

تولید نانوالیاف در مقیاس بالا به روش الکتروریسی، یکـی از روش هـای ممکـن در تولیـد نانوالیـاف اسـت. تحقیقـات در زمینـه الکتروریسـی و بررسـی هـر چـه دقیقتـر عوامـل موثـر بـر فراینـد الکتروریسـی، باعـث افزایـش کارایـی در تولیـد نانوالیـاف پلیمـری بـا قطـر و ریخت شناسـی دلخـواه و قابـل کنتـرل می شـود.

همچنیـن ایـن روش منجر به کاربـرد نانوالیـاف در طیـف وسـیعی از حوزه هـاي علوم شـده اسـت. نانوالیـاف الکتروریسـی شـده ویژگی­هـای مطلوبی را به نمایـش می گذارنـد، کـه امـکان اسـتفاده از آنهـا را در بسـیاری از کاربردهـا از جملـه مهندسـی بافـت، سـامانه رهایـش دارو، پوشـش زخـم، غشـاها بـا قابليـت ويـژه، حسـگرها و … فراهم می­‌سـازد.

پیشینه تاریخی روش الکتروریسی

روش الکتروریسی رویکرد متمایز از استفاده از یک میدان الکترواستاتیک برای تولید الیاف بسیار ریز در مدت زمان بسیار کوتاه با حداقل سرمایه گذاری اولیه، آموزش و نظارت است. الکتروریسی به دلیل پتانسیل آن در تولید انواع مختلف الیاف بسیار ریز، توجه جامعه علمی را به خود جلب کرده است. در ابتدا به دلیل بهره وری پایین و عدم یکنواختی الیاف، الکتروریسی مورد توجه زیادی قرار نگرفت. با این حال، با پیشرفت الکتروریسی بدون نازل، الکتروریسی میدان نزدیک، الکتروریسی با رشته های چرخان الکترودها، برخی از مشکلات تکنولوژیکی بهره­وری پایین و عدم یکنواختی الیاف حل شده است.

خط تولید الکتروریسی صنعتی با مقیاس بالا

دستگاه­های الکتروریسی انواع مختلفی دارند و اجزای متفاوتی نسبت به دستگاه آزمایشگاهی دارند. دستگاه­های الکتروریسی صنعتی به طور معمول دارای سیستم پیچ و تاب کردن کامل برای تضمین تولید مداوم و پایدار نانوالیاف، سیستم تامین مایعات، منبع تغذیه ولتاژ بالا، سیستم چرخش، دستگاه گیرنده، سیستم اگزوز، سیستم کنترل PLC، سیستم کنترل دما و رطوبت هستند.

این تجهیزات می­توانند شرایط تولید دسته ای و مستمر نانوالیاف را برآورده کنند، عرض را می توان با توجه به نیاز مشتری افزایش داد و برای اطمینان از تولید ایمن، مجهز به سیستم ایمنی هستند. محصول این روش کاربرد گسترده ای در مواد فیلتر با راندمان بالا، مهندسی بافت، حامل های دارو و منسوجات کاربردی دارد.

فناوری روش الکتروریسی درنوع نازل­دار

روش الکتروریسی یکی از روش‌های اصلی تولید نانوالیاف پلیمری به شمار می‌رود. در میان تکنیک‌های نوع نازل­دار، چند سوزنی به عنوان ساده‌ترین راه‌حل برای افزایش بهره‌وری در نظر گرفته می‌شود، زمانی که آرایش و فاصله دو یا چند سوزن می‌تواند متنوع باشد. چالش اصلی این روش ها اجتناب از برهمکنش میدان های الکترواستاتیکی است که توسط سوزن های حامل بار استاتیکی ایجاد می شود. در نتیجه برهمکنش، نیروهای دافعه ممکن است بین جت های مایع رخ دهد که می تواند منجر به افزایش تنوع کیفیت الیاف شود.

فناوری روش الکتروریسی بدون نازل

در فناوری‌های مرسوم دستگاه‌های الکتروریسی، برای تشکیل جت پلیمر و متعاقب آن تولید نانوالیاف، از نازل یا آرایشی از نازل‌ها استفاده می‌شود. روش فوق متأسفانه برای حجم تولید بالا در مقیاس صنعتی با محدودیت جدی مواجه است. برای مرتفع کردن این محدودیت، فناوری‌های بدون نازل معرفی گشته‌اند.

اسپینرهای الکتریسی نوع نازل

استفاده از اسپینرهای چرخان می تواند احتمال گرفتگی را به دلیل نیروی گریز از مرکز که محلول را از طریق نازل هل می دهد، کاهش دهد. در صورتی که اسپینر به جای سوزن دارای روزنه هایی باشد، احتمال گرفتگی می تواند حتی بیشتر کاهش یابد. علاوه بر این، جت مایع به طور مداوم توسط نیروی گریز از مرکز کشیده و کشیده می شود و بنابراین می توان از اسپینرهای چرخان برای تهیه الیاف استفاده کرد.

کاربردهای فرایند الکتروریسی

برخی از کاربردهای مهم نانوالیاف حاصل از فرآیندهای الکتروریسی است که می توان به ترتیب زیر به آن اشاره نمود:

پزشکی، دارویی و بهداشتی که شامل:

مهندسی بافت

پوشش های زخم

سامانه های کنترل شده

فیلترهای پزشکی

تجهیزات و ایمپلنت های پزشکی

ماسک های بهداشتی

ابر جاذب ها

کاربردهای نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده درمهندسی پزشکی

بافت هـای مهندسـی و بافت هـای ترمیمـی تهیـه شـده از نانوالیـاف پلیمـری قابلیـت ترمیـم بافت هـا را داشـته، بـه رشـد و تکثیـر سـلول­ها نیز کمـک می­‌کنند. چنانچـه بافت­ هـای نانوالیافـی حـاوی سـلول­های کشـت داده شـده، بـه بدن بیمـار پیونـد زده شـوند؛ باعـث ترمیـم بافتهـای آسـیب دیده خواهنـد شـد. در حقیقت غشـاهای بـدن مانند رگ­هـای خون، غضـروف، اسـتخوانبندی، عصب و پوسـت از دیدگاه زیسـتی بـه شـکل نانوالیـاف هسـتند.

ماسک های تنفسی نانوالیاف الکتروریسی شده

بسترهای نانوالیافی بی بافت بدلیل وزن پایین، ضریب تخلخل بالا، سطح مخصوص بالا، افت فشار کمتر در دو طرف لایه فیلتری و اندازه خلل و فرج بسیار پایین، کارایی بسیار بالایی در فیلتر آلودگی های موجود در هوا دارند. میزان نفوذپذیری هوا و فاکتور کارایی در گرفتن گردوغبار دو عامل بسیار مهم برای ارزیابی عملکرد فیلتر های هوا می باشد.

ماسک‌های تنفسی اصولاً برای کمک به کاهش تماس تنفسی کاربر با آلاینده‌های موجود در هوا طراحی شده‌اند. استفاده از یک فیلتر متشکل از نانوالیاف الکتروریسی شده، در بین لایه‌های ماسک تنفسی، به طور فرضی با هدف جلوگیری از عبور ذرات معلق در هوا از پارچه و بهبود ظرفیت فیلتر بدون کاهش راحتی کاربر انجام می‌شود.

در این کار محققان، سفتی خمشی، نفوذپذیری بخار آب و نفوذپذیری هوا ارائه شده توسط درج نانوالیاف الکتروریسی شده (NF) را به عنوان یک لایه فیلتر فعال در ماسک های تنفسی مورد مطالعه قرار داده اند. نتیجه این مطالعه نشان داد که نفوذپذیری هوا در ماسک های تنفسی فیلتر شده و در نتیجه ظرفیت فیلتراسیون هوا افزایش می ­یابد.

ترکیب فیلترهای ساخته شده از نانوالیاف الکتروریسی شده به طور فرضی خواص برتری را نسبت به الیاف ملت­بلون مانند قطر منافذ کوچک ارائه می دهد. سایر عوامل کلیدی در ارزیابی راحتی ماسک، مانند تعیین هدایت  حرارتی، مقاومت تنفسی، و راندمان فیلتراسیون ذرات میکرون و زیر میکرون بود. ما بر این باوریم که توسعه تجهیزات حفاظتی تنفسی برای ایجاد حفاظت ضروری در برابر تهدیدات موجود در هوا، تحت همه‌گیری کنونی رو به افزایش خواهد بود.

محدودیت ­های تولید انبوه نانوالیاف به روش الکتروریسی

شبکه نانوالیاف تولید شده از طریق الکتروریسی تولید انبوه، به دلیل مساحت خاص بزرگ، اندازه منافذ بسیار کوچک و تخلخل بالا، کاربردهای بالقوه زیادی دارد. با وجود چنین پتانسیلی، کاربرد شبکه نانوالیاف به دلیل خواص مکانیکی ضعیف آن محدود شده است. برخلاف مزایای قابل توجه الکتروریسی، این روش با چالش‌های زیادی نیز رو به رو است.

از آنجایی ­که نیروی محرک در الکترویسی میدان الکتریکی است، وجود ولتاژ بالا که منبع خطر است نیز در تجهیزات ضروری است. در مورد الکتروریسی چند نازلی، میدان الکتریکی میان نازل‌های موازی روی یکدیگر تاثیر گذاشته و ادغام را دشوار می‌سازند. علاوه‌براین، الکتروریسی برخلاف مقیاس‌پذیری بالای آن در مقایسه با روش‌های قدیمی تولید، کارآیی تولید الیاف پایینی دارد که بزرگترین محدودیت این روش است. الزامات پایداری دی‌الکتریک حلال‌های مورد استفاده در الکتروریسی، از کاربرد آن در برخی از محلول‌ها با تراکم نمک بالا جلوگیری می‌کند.

منابع:

۱- Moisture Management Properties of Face Masks

۲- الکتروریسی چیست؟

۳- کاربرد الکتروریسی در صنعت دارویی – فرایند افزایش مقیاس