الکتروریسی یا ریسندگی با جریان الکترو استاتیک
الکتروریسی روشی است که الیاف با قطر کمتر از 100 تا 1000 نانومتر تولید می‌کند. اصطلاح الکتروریسی اغلب به ریسندگی با جریان الکترواستاتیک نسبت داده می‌شود.
تاریخچه الکتروریسی یا ریسندگی با جریان الکترو استاتیک :
اولین مطالعه مربوط به روش الکتروریسی به تاریخ 1745 باز می‌گردد. زمانی که بوز قطرات مایع را با استفاده از پتانسیل الکتریکی بالا به ذرات معلق هوا تبدیل کرد.
در سال 1902 اولین دستگاه پاشش مایعات با شارژ الکتریکی ثبت اختراع شد. سپس از الیاف الکتروریسی شده در اوایل سال 1990 به صورت تجاری در فیلتر های هوا استفاده شد.استفاده از نانو الیاف در سال های اخیر رشد چشم گیری داشته است . نانو الیاف مزایای بسیاری نسبت به میکرو الیاف ها دارند . به عنوان مثال مساحت سطح الیاف به ظرافت آن ها بستگی دارد و الیاف نانو بیش از 103 برابر مساحت سطح بیشتری نسبت به الیاف میکرو دارند .همچنین خواص مکانیکی در نانو الیاف از قبیل استحکام کششی و سفتی بهبود پیدا می کند. همان طور که در شکل ملاحظه می شود .
بخش‌های تشکیل دهنده سیستم الکتروریسی
یک سیستم الکتروریسی شامل چهار بخش اصلی منبع تغذیه فشار قوی، ریسنده، پمپ و جمعکننده است.
منبع تغذیه عموما مستقیم بوده و برای ایجاد اختلاف پتانسیل و ایجاد شارژ در محلول پلیمری به کار می رود . ریسنده که معمولا سوزن سرنگ است ، به قطب مثبت وصل می شود و جمع کننده که می تواند یک ورق آلومینیومی ساکن یا یک استوانه جمع کننده متحرک باشد ، به قطب منفی منبع ولتاژ وصل می گردد. محلول پلیمری درون سرنگ ریخته شده و میزان خروجی ، توسط پمپ سرنگی کنترل و تنظیم می شود .
هنگامی که اختلااف پتانسیل الکتریکی به محلول پلیمری اعمال شود ، قطره ای از محلول که توسط فشار پمپ در نوک سوزن سرنگ ایجاد می شود ، شدیدا شارژ شده و بار های الکتریکی در سطح قطره قرار می گیرد: دافعه الکتریکی میان بارهای الکتریکی ایجاد شده در سطح قطره و نیروی جاذبه کلمب آعمال شده توسط میدان الکتریکی موجب می شوند که سطح کروی قطره کشیده شده و تشکیل یک مخروط تیلور می دهد. با افزایش ولتاژ و رسیدن آن به حد بحرانی ، این نیرو می تواند بر کشش سطحی قطره غلبه کرده و یک جت پایدار از نوک این مخروط خارج شود .جت مایعات با وزم مولکولی پایین دارای گرانروی کم ، توسط کشش سطحی به قطرات ریز شکسته خواهد شد. این عملیات بعنوان اسپری شناخته شده و در بسیاری از صنایع برای تهیه قطراتی با توزیه قطری باریک و زیر میکرونی به کار رفته است . حالت دوم که می تواند برای محلول ها و مذاب پلیمری واقه شود ، جت ، شکسته نشده ، بلکه به سمت فلز جمع کننده سرعت می گیرد. پس از طی مسیر کوتاهی دافعه متقابل شارژ های حمل شده در سطح جت ، باعث ایجاد ناپایداری هایی شده که بروز این ناپایداری ها جت را خم کرده و جهت مسیر خود را به صورت مارپیچ و شلاقی ادامه خواهد داد . بدین ترتیب جت در فاصله کم نوک نازل تا جمع کننده (فاصله ریسندگی) می تواند مسیر بسیار زیادی طی کرده ، تا نیروهای الکتریکی آن هزاران بار کشیده و نازک شود.
انواع روش‌های الکتروریسی (Electrospinning)
فرآیند اکسترود کردن نیازمند راندن یک مایع با ویسکوزیته مناسب ، از میان نازلی با قطر کم برای تشکیل یک پلیمر نیمه جامد به صورت پیوسته می باشد. پلیمر هایی که در فرآیند الکترو ریسی برای اکسترود شدن و تولید الیاف بکار می روند ابتدا باید به صورت سیال در آیند تا قابلیت اکسترود شدن و پاشش را داشته باشند. این عامل را می توان به صورت مذاب (اگر پلیمر مصرفی سنتزی ترموپلاستیک باشد ) و یا با حل کردن در حلال مناسب (اگر پلیمر مورد نظر از نوع سلولزی ترمو پلاستیک باشد ) بکار برد.در صورتی که نتوان از هیچ یک از این دو روش استفاده کرد باید با یکسری اعمال شیمیایی آنها را به فرم محلول یا مشتقات ترمو پلاستیک تبدیل کرد . به طور کلی 4 روش متداول برای الکتروریسی وجود دارد که در زیر آورده شده است :
- ریسندگی تر :
اين روش براي پليمرهايي استفاده ميشود كه بتوان آنها را در يك حلال مناسب حل كرد. چون محلول مستقيماً از طريق نازل اكسترود مي شود تا بر روي بستر رسوب كند، اين فرآيند را ريسندگي تر مي‌نامند. - ریسندگی خشک :
در اين روش براي جامد كردن الياف پليمري تشكيل شده، محلول پليمري را بعد از پاشش، تحت اثر جريان گاز بي‌اثر يا هوا قرار مي‌دهند تا حلال آن تبخير شود. براي اين كار پاشش محلول پليمري به يك منطقه گرم شده انجام ميشود تا در آن حلال تبخير شده و از محيط خارج شود. عناصر گرم كننده هيچ تماس يا برخوردي با محلول پليمري پاشيده شده ندارند و تنها براي اعمال حرارت لازم براي آسان كردن حذف حلال بكار گرفته ميشوند. - ریسندگی مذاب :
در اين فرآيند پليمر مورد نظر را تا دماي بالاي نقطه ذوب گرم مي‌كنند تا به صورت مذاب درآمده و سپس از طريق نازل، اكسترود و پاشيده شود. دراين روش بعد از پاشش الياف، از سرد كردن براي تبديل آن به فرم جامد استفاده مي‌كنند. در اين روش نازل را مي‌توان به انواع اشكال هندسي (گرد، مربع، چند ضعلي و …) طراحي كرد. - ریسندگی ژلی :
اگر پليمر در طول فرايند اكسترود كردن، حالت يك مايع واقعي را به خود نگرفته باشد، از اين روش استفاده مي‌كنند كه در آن زنجيره‌هاي پليمري به شكل مايع بلوري از نقاط مختلف زنجير به هم متصل ميشوند. اين عمل، توليد يك نيروي زنجيري قوي را باعث ميشود كه موجب افزايش قابل ملاحظه استحكام كششي آنها ميشود.
ريسندگي الکتريکي روشي براي توليد الياف پليمري با قطر نانومتري است. اين روش سالها شناخته شده بود و برخي از مصارف محدود را در فيلترها داشت، اما اکنون توجه جديدي را به خود جلب کرده است. در اين فناوري مايعات باردار شده به صورت جريانهاي کوچکي به درون يک ميدان الکتريکي کشيده شده، و سپس به صورت الياف پليمريزه ميشوند. مواد ديگري مانند نانوذرات يا حتي نانولو‌له‌ها را مي‌توان در اين الياف جاي داد.
در روش ريسندگي مذاب، پليمر به شکل مذاب با ويسکوزيته بالا درآمده و داخل محفظه فلزي که رشته‌ساز ناميده ميشود قرار ميگيرد سپس با اعمال نيرو به سمت سوراخ‌هاي ريز انتهاي محفظه هدايت ميشود. سوراخ‌هاي مذکور به طور معمول دايره‌اي بوده ولي ممکن است اشکال متفاوتي نيز داشته باشند. پليمر مذاب از اين منافذ خارج شده، خنک ميشود و بوسيله دستگاه چرخنده بصورت الياف جمع ميگردد.
اليافي که از اين روش به وجود مي‌آيند قطري در حدود چند صدنانومتر دارند.
الکتروريسي روشي است که الياف با قطر کمتر از صد تا 1000 نانومتر توليد مي کند. اصطلاح الکتروريسي اغلب به ريسندگي با جريان الکترواستاتيک نسبت داده مي شود. اولين مطالعه مربوط به روش الکتروريسي به تاريخ 1745 باز مي گردد[18]. زماني که بوز قطرات مايع را با استفاده از پتانسيل الکتريکي بالا به ذرات معلق در هوا تبديل کرد. در سال 1902 اولين دستگاه پاشش مايعات با شارژ الکتريکي ثبت اختراع شد[19]. از الياف الکتروريسي شده از اوايل سال 1990 به صورت تجاري در فيلترهاي هوا استفاده شد. استفاده از نانوالياف در سال هاي اخير روند چشمگيري داشته است. نانوالياف مزايايي نسبت به الياف ميکرو دارند. به عنوان مثال مساحت سطح الياف به ظرافت آنها بستگي دارد و الياف نانو بيش از 103 برابر مساحت سطح بيشتري نسبت به الياف ميکرو دارند. همچنين خواص مکانيکي نانوالياف از قبيل استحکام کششي و سفتي بهبود پيدا ميکند. همان طور كه در شكل ملاحظه ميشود.
يک سيستم الکتروريسي شامل چهار بخش اصلي منبع تغذيهي فشار قوي، ريسنده، پمپ و جمع كننده ميباشد. منبع تغذيه عموماً مستقيم بوده و براي ايجاد اختلاف پتانسيل و ايجاد شارژ در محلول پليمري به كار ميرود. ريسنده كه معمولاً سوزن سرنگ است، به قطب مثبت وصل ميشود و جمع كننده كه ميتواند يك ورقهي آلومينيومي ساكن يا يك استوانهي جمعكنندهي متحرك باشد، به قطب منفي منبع ولتاژ وصل ميگردد. محلول پليمري درون سرنگ ريخته شده و ميزان خروجي، توسط پمپ سرنگي كنترل و تنظيم ميشود.
هنگاميکه اختلاف پتانسيل الکتريکي به محلول پليمري اعمال شود، قطرهاي از محلول که توسط فشار پمپ در نوک سوزن سرنگ ايجاد ميشود، شديدا شارژ شده و بارهاي الکتريکي در سطح قطره ايجاد و پراکنده ميشوند. در نتيجه، اين قطره تحت تاثير دو نوع نيروي الکترواستاتيکي قرار ميگيرد: دافعه الکتريکي ميان بارهاي الکتريکي ايجاد شده در سطح قطره و نيروي جاذبه کلمب اعمال شده توسط ميدان الکتريکي. توسط اعمال اين دو نيرو سطح کروي قطره کشيده شده و تشکيل يک مخروط تيلور در ميآيد. با افزايش ولتاژ و رسيدن آن به يک حد بحراني، اين نيرو ميتواند بر کشش سطحي قطره غلبه کرده و يک جت پايدار از نوک اين مخروط خارج شود. جت مايعات با وزن مولکولي پايين يا داراي گرانروي کم، توسط کشش سطحي به قطرات ريز شکسته خواهد شد. اين عمليات بعنوان اسپري شناخته شده و در بسياري از صنايع براي تهيه قطراتي با توزيع قطري باريک و زير ميکروني به کار رفته است. حالت دوم که ميتواند براي محلول ها و يا مذاب پليمري واقع شود، جت، شکسته نشده، بلکه به سمت فلز جمعکننده سرعت ميگيرد. پس از طي مسير کوتاهي دافعه متقابل شارژهاي حمل شده در سطح جت، باعث ايجاد ناپايداريهايي شده که بروز اين ناپايداريها جت را خم کرده و جت مسيرخود را به صورت مارپيچ و شلاقي ادامه خواهد داد. بدين ترتيب جت در فاصله کم نوک نازل تا جمع کننده (فاصله ريسندگي)، ميتواند مسير بسيار زيادي را طي کرده، تا نيروهاي الکتريکي آن را هزاران بار کشيده و نازک نمايند.
انواع روش‌هاي الکترواسپینینگ:
فرآيند اكسترود كردن نيازمند راندن يك مايع با ويسكوزيته مناسب، از ميان نازلي با قطر كم براي تشكيل يك پليمر نيمه جامد به صورت پيوسته ميباشد . پليمرهايي كه در فرآيند ES براي اكسترود شدن و توليد الياف بكار مي‌روند ابتدا بايد به صورت سيال درآيند تا قابليت اكسترود شدن و پاشش را داشته باشند. اين عامل را مي‌توان به صورت مذاب (اگر پليمر مصرفي سنتزي ترموپلاستيك باشد) و يا با حل كردن در حلال مناسب (اگر پليمر مورد نظر از نوع سلولزي ترموپلاستيك باشد) بكار برد. در صورتي كه نتوان از هيچ يك از اين دو روش استفاده كرد بايد با يكسري اعمال شيميايي آنها را به فرم محلول يا مشتقات ترموپلاستيك تبديل كرد. به طور كلي 4 روش متداول براي Electrospinning وجود دارد كه در زير آورده شده است:
1- ريسندگي تر
اين روش براي پليمرهايي استفاده ميشود كه بتوان آنها را در يك حلال مناسب حل كرد. چون محلول مستقيماً از طريق نازل اكسترود مي شود تا بر روي بستر رسوب كند، اين فرآيند را ريسندگي تر مي‌نامند.
2- ريسندگي خشك
در اين روش براي جامد كردن الياف پليمري تشكيل شده، محلول پليمري را بعد از پاشش، تحت اثر جريان گاز بي‌اثر يا هوا قرار مي‌دهند تا حلال آن تبخير شود. براي اين كار پاشش محلول پليمري به يك منطقه گرم شده انجام ميشود تا در آن حلال تبخير شده و از محيط خارج شود. عناصر گرم كننده هيچ تماس يا برخوردي با محلول پليمري پاشيده شده ندارند و تنها براي اعمال حرارت لازم براي آسان كردن حذف حلال بكار گرفته ميشوند.
3- ريسندگي مذاب
در اين فرآيند پليمر مورد نظر را تا دماي بالاي نقطه ذوب گرم مي‌كنند تا به صورت مذاب درآمده و سپس از طريق نازل، اكسترود و پاشيده شود. دراين روش بعد از پاشش الياف، از سرد كردن براي تبديل آن به فرم جامد استفاده مي‌كنند. در اين روش نازل را مي‌توان به انواع اشكال هندسي (گرد، مربع، چند ضعلي و …) طراحي كرد.
4- ريسندگي ژلي
اگر پليمر در طول فرايند اكسترود كردن، حالت يك مايع واقعي را به خود نگرفته باشد، از اين روش استفاده مي‌كنند كه در آن زنجيره‌هاي پليمري به شكل مايع بلوري از نقاط مختلف زنجير به هم متصل ميشوند. اين عمل، توليد يك نيروي زنجيري قوي را باعث ميشود كه موجب افزايش قابل ملاحظه استحكام كششي آنها ميشود.
ريسندگي الکتريکي روشي براي توليد الياف پليمري با قطر نانومتري است. اين روش سالها شناخته شده بود و برخي از مصارف محدود را در فيلترها داشت، اما اکنون توجه جديدي را به خود جلب کرده است. در اين فناوري مايعات باردار شده به صورت جريانهاي کوچکي به درون يک ميدان الکتريکي کشيده شده، و سپس به صورت الياف پليمريزه ميشوند. مواد ديگري مانند نانوذرات يا حتي نانولو‌له‌ها را مي‌توان در اين الياف جاي داد.
در روش ريسندگي مذاب، پليمر به شکل مذاب با ويسکوزيته بالا درآمده و داخل محفظه فلزي که رشته‌ساز ناميده ميشود قرار ميگيرد سپس با اعمال نيرو به سمت سوراخ‌هاي ريز انتهاي محفظه هدايت ميشود. سوراخ‌هاي مذکور به طور معمول دايره‌اي بوده ولي ممکن است اشکال متفاوتي نيز داشته باشند. پليمر مذاب از اين منافذ خارج شده، خنک ميشود و بوسيله دستگاه چرخنده بصورت الياف جمع ميگردد.
اليافي که از اين روش به وجود مي‌آيند قطري در حدود چند صدنانومتر دارند.
کاربردهای فرایند الکتروریسی:
برخی از کاربردهای مهم نانوالیاف حاصل از فرآیندهای الکتروریسی به ترتیب زیر اشاره نمود:
پزشکی، دارویی و بهداشتی
مهندسی بافت
پوشش های زخم
سامانه های کنترل شده
فیلترهای پزشکی
تجهیزات و ایمپلنت های پزشکی
ماسک های بهداشتی
ابر جاذب ها
تولید و ذخیره‌سازی انرژی
پیل های خورشیدی
پیل های سوختی
ذخیره سازی هیدروژن
باطری های پلیمری
ابر خازن ها
زیست‌فناوری و محیط زیست
حسگرهای زیستی و شیمیایی
تصفیه آب و پساب
حذف فلزات سنگین
غشاهای تبادل یونی
فیلتراسیون
جاذب های صوت
صنعتی، دفاعی و امنیتی
پوشش های محافظ در برابر عوامل شیمیایی، بیولوژیکی و الکترومغناطیسی
کامپوزیت های تقویت شده با لایه های نانو الیاف
نانوالیاف کربن
نسل جدید فیلترها برای مایعات و گازها