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 :
این روش برای پلیمرهایی استفاده میشود که بتوان آنها را در یک حلال مناسب حل کرد. چون محلول مستقیماً از طریق نازل اکسترود می شود تا بر روی بستر رسوب کند، این فرآیند را ریسندگی تر می‌نامند. - ریسندگی خشک :
در این روش برای جامد کردن الیاف پلیمری تشکیل شده، محلول پلیمری را بعد از پاشش، تحت اثر جریان گاز بی‌اثر یا هوا قرار می‌دهند تا حلال آن تبخیر شود. برای این کار پاشش محلول پلیمری به یک منطقه گرم شده انجام میشود تا در آن حلال تبخیر شده و از محیط خارج شود. عناصر گرم کننده هیچ تماس یا برخوردی با محلول پلیمری پاشیده شده ندارند و تنها برای اعمال حرارت لازم برای آسان کردن حذف حلال بکار گرفته میشوند. - ریسندگی مذاب :
در این فرآیند پلیمر مورد نظر را تا دمای بالای نقطه ذوب گرم می‌کنند تا به صورت مذاب درآمده و سپس از طریق نازل، اکسترود و پاشیده شود. دراین روش بعد از پاشش الیاف، از سرد کردن برای تبدیل آن به فرم جامد استفاده می‌کنند. در این روش نازل را می‌توان به انواع اشکال هندسی (گرد، مربع، چند ضعلی و …) طراحی کرد. - ریسندگی ژلی :
اگر پلیمر در طول فرایند اکسترود کردن، حالت یک مایع واقعی را به خود نگرفته باشد، از این روش استفاده می‌کنند که در آن زنجیره‌های پلیمری به شکل مایع بلوری از نقاط مختلف زنجیر به هم متصل میشوند. این عمل، تولید یک نیروی زنجیری قوی را باعث میشود که موجب افزایش قابل ملاحظه استحکام کششی آنها میشود.
ریسندگی الکتریکی روشی برای تولید الیاف پلیمری با قطر نانومتری است. این روش سالها شناخته شده بود و برخی از مصارف محدود را در فیلترها داشت، اما اکنون توجه جدیدی را به خود جلب کرده است. در این فناوری مایعات باردار شده به صورت جریانهای کوچکی به درون یک میدان الکتریکی کشیده شده، و سپس به صورت الیاف پلیمریزه میشوند. مواد دیگری مانند نانوذرات یا حتی نانولو‌له‌ها را می‌توان در این الیاف جای داد.
در روش ریسندگی مذاب، پلیمر به شکل مذاب با ویسکوزیته بالا درآمده و داخل محفظه فلزی که رشته‌ساز نامیده میشود قرار میگیرد سپس با اعمال نیرو به سمت سوراخ‌های ریز انتهای محفظه هدایت میشود. سوراخ‌های مذکور به طور معمول دایره‌ای بوده ولی ممکن است اشکال متفاوتی نیز داشته باشند. پلیمر مذاب از این منافذ خارج شده، خنک میشود و بوسیله دستگاه چرخنده بصورت الیاف جمع میگردد.
الیافی که از این روش به وجود می‌آیند قطری در حدود چند صدنانومتر دارند.
الکتروریسی روشی است که الیاف با قطر کمتر از صد تا 1000 نانومتر تولید می کند. اصطلاح الکتروریسی اغلب به ریسندگی با جریان الکترواستاتیک نسبت داده می شود. اولین مطالعه مربوط به روش الکتروریسی به تاریخ 1745 باز می گردد[18]. زمانی که بوز قطرات مایع را با استفاده از پتانسیل الکتریکی بالا به ذرات معلق در هوا تبدیل کرد. در سال 1902 اولین دستگاه پاشش مایعات با شارژ الکتریکی ثبت اختراع شد[19]. از الیاف الکتروریسی شده از اوایل سال 1990 به صورت تجاری در فیلترهای هوا استفاده شد. استفاده از نانوالیاف در سال های اخیر روند چشمگیری داشته است. نانوالیاف مزایایی نسبت به الیاف میکرو دارند. به عنوان مثال مساحت سطح الیاف به ظرافت آنها بستگی دارد و الیاف نانو بیش از 103 برابر مساحت سطح بیشتری نسبت به الیاف میکرو دارند. همچنین خواص مکانیکی نانوالیاف از قبیل استحکام کششی و سفتی بهبود پیدا میکند. همان طور که در شکل ملاحظه میشود.
یک سیستم الکتروریسی شامل چهار بخش اصلی منبع تغذیهی فشار قوی، ریسنده، پمپ و جمع کننده میباشد. منبع تغذیه عموماً مستقیم بوده و برای ایجاد اختلاف پتانسیل و ایجاد شارژ در محلول پلیمری به کار میرود. ریسنده که معمولاً سوزن سرنگ است، به قطب مثبت وصل میشود و جمع کننده که میتواند یک ورقهی آلومینیومی ساکن یا یک استوانهی جمعکنندهی متحرک باشد، به قطب منفی منبع ولتاژ وصل میگردد. محلول پلیمری درون سرنگ ریخته شده و میزان خروجی، توسط پمپ سرنگی کنترل و تنظیم میشود.
هنگامیکه اختلاف پتانسیل الکتریکی به محلول پلیمری اعمال شود، قطرهای از محلول که توسط فشار پمپ در نوک سوزن سرنگ ایجاد میشود، شدیدا شارژ شده و بارهای الکتریکی در سطح قطره ایجاد و پراکنده میشوند. در نتیجه، این قطره تحت تاثیر دو نوع نیروی الکترواستاتیکی قرار میگیرد: دافعه الکتریکی میان بارهای الکتریکی ایجاد شده در سطح قطره و نیروی جاذبه کلمب اعمال شده توسط میدان الکتریکی. توسط اعمال این دو نیرو سطح کروی قطره کشیده شده و تشکیل یک مخروط تیلور در میآید. با افزایش ولتاژ و رسیدن آن به یک حد بحرانی، این نیرو میتواند بر کشش سطحی قطره غلبه کرده و یک جت پایدار از نوک این مخروط خارج شود. جت مایعات با وزن مولکولی پایین یا 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 توزیع قطری باریک و زیر میکرونی به کار رفته است. حالت دوم که میتواند برای محلول ها و یا مذاب پلیمری واقع شود، جت، شکسته نشده، بلکه به سمت فلز جمعکننده سرعت میگیرد. پس از طی مسیر کوتاهی دافعه متقابل شارژهای حمل شده در سطح جت، باعث ایجاد ناپایداریهایی شده که بروز این ناپایداریها جت را خم کرده و جت مسیرخود را به صورت مارپیچ و شلاقی ادامه خواهد داد. بدین ترتیب جت در فاصله کم نوک نازل تا جمع کننده (فاصله ریسندگی)، میتواند مسیر بسیار زیادی را طی کرده، تا نیروهای الکتریکی آن را هزاران بار کشیده و نازک نمایند.
انواع روش‌های الکترواسپینینگ:
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 میباشد . پلیمرهایی که در فرآیند ES برای اکسترود شدن و تولید الیاف بکار می‌روند ابتدا باید به صورت سیال درآیند تا قابلیت اکسترود شدن و پاشش را داشته باشند. این عامل را می‌توان به صورت مذاب (اگر پلیمر مصرفی سنتزی ترموپلاستیک باشد) و یا با حل کردن در حلال مناسب (اگر پلیمر مورد نظر از نوع سلولزی ترموپلاستیک 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 ترموپلاستیک تبدیل کرد. به طور کلی 4 روش متداول برای Electrospinning وجود دارد که در زیر آورده شده است:
1- ریسندگی تر
این روش برای پلیمرهایی استفاده میشود که بتوان آنها را در یک حلال مناسب حل کرد. چون محلول مستقیماً از طریق نازل اکسترود می شود تا بر روی بستر رسوب کند، این فرآیند را ریسندگی تر می‌نامند.
2- ریسندگی خشک
در این روش برای جامد کردن الیاف پلیمری تشکیل شده، محلول پلیمری را بعد از پاشش، تحت اثر جریان گاز بی‌اثر یا هوا قرار می‌دهند تا حلال آن تبخیر شود. برای این کار پاشش محلول پلیمری به یک منطقه گرم شده انجام میشود تا در آن حلال تبخیر شده و از محیط خارج شود. عناصر گرم کننده هیچ تماس یا برخوردی با محلول پلیمری پاشیده شده ندارند و تنها برای اعمال حرارت لازم برای آسان کردن حذف حلال بکار گرفته میشوند.
3- ریسندگی مذاب
در این فرآیند پلیمر مورد نظر را تا دمای بالای نقطه ذوب گرم می‌کنند تا به صورت مذاب درآمده و سپس از طریق نازل، اکسترود و پاشیده شود. دراین روش بعد از پاشش الیاف، از سرد کردن برای تبدیل آن به فرم جامد استفاده می‌کنند. در این روش نازل را می‌توان به انواع اشکال هندسی (گرد، مربع، چند ضعلی و …) طراحی کرد.
4- ریسندگی ژلی
اگر پلیمر در طول فرایند اکسترود کردن، حالت یک مایع واقعی را به خود نگرفته باشد، از این روش استفاده می‌کنند که در آن زنجیره‌های پلیمری به شکل مایع بلوری از نقاط مختلف زنجیر به هم متصل میشوند. این عمل، تولید یک نیروی زنجیری قوی را باعث میشود که موجب افزایش قابل ملاحظه استحکام کششی آنها میشود.
ریسندگی الکتریکی روشی برای تولید الیاف پلیمری با قطر نانومتری است. این روش سالها شناخته شده بود و برخی از مصارف محدود را در فیلترها داشت، اما اکنون توجه جدیدی را به خود جلب کرده است. در این فناوری مایعات باردار شده به صورت جریانهای کوچکی به درون یک میدان الکتریکی کشیده شده، و سپس به صورت الیاف پلیمریزه میشوند. مواد دیگری مانند نانوذرات یا حتی نانولو‌له‌ها را می‌توان در این الیاف جای داد.
در روش ریسندگی مذاب، پلیمر به شکل مذاب با ویسکوزیته بالا درآمده و داخل محفظه فلزی که رشته‌ساز نامیده میشود قرار میگیرد سپس با اعمال نیرو به سمت سوراخ‌های ریز انتهای محفظه هدایت میشود. سوراخ‌های مذکور به طور معمول دایره‌ای بوده ولی ممکن است اشکال متفاوتی نیز داشته باشند. پلیمر مذاب از این منافذ خارج شده، خنک میشود و بوسیله دستگاه چرخنده بصورت الیاف جمع میگردد.
الیافی که از این روش به وجود می‌آیند قطری 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