کد مطلب : 27670 تاریخ مطلب : 1397/04/29

مقدمه اي بر نانوالياف و روش هاي توليد آن

به طور کلي لفظ نانوالياف به آن دسته اليافي اطلاق مي شود که داراي قطري به اندازه 100نانومتر يا کمتر هستند.نانو الياف به موجب برخورداري از ويژگي هاي منحصر به فردي همچون نسبت سطح به حجم بالا ، وجود منافذ بسيار ريز و همچنين خواص مکانيکي بسيار عالي ، شديدا مورد توجه هستند و بر همين اساس ، گستره وسيعي از کاربردهاي متفاوت را پوشش مي دهند.

به طور کلي لفظ نانوالياف به آن دسته اليافي اطلاق مي شود که داراي قطري به اندازه 100نانومتر يا کمتر هستند.نانو الياف به موجب برخورداري از ويژگي هاي منحصر به فردي همچون نسبت سطح به حجم بالا ، وجود منافذ بسيار ريز و همچنين خواص مکانيکي بسيار عالي ، شديدا مورد توجه هستند و بر همين اساس ، گستره وسيعي از کاربردهاي متفاوت را پوشش مي دهند.
نانو الياف موادجامد خطي انعطاف پذير با نسبت طول به قطر Aspect Ratio بزرگتر از 1000 به 1 هستند. مطابق تعريف National Science Foundation نانومواد ، موادي اند که قطر کمتر يا برابر 100نانومتر داشته باشند. طبق اين تعريف ، نانو الياف ، اليافي با قطر کمتر و يا برابر 100نانومترند. تعابير ديگري نيز در مورد نانو الياف وجود دارد ، مثلا در برخي مقالات نانو الياف با قطر کمتر از 1 ميکرومتر معرفي ميشوند. هنگامي که قطر الياف پليمري از مقياس ميکرومتر به زير ميکرون يا نانومتر کاهش مي يابد ، خواص جالبي از قبيل سطح مخصوص فوق العاده بزرگ ، انعطاف پذيري و کارايي مکانيکي بسيار بالا در مقايسه بسياري از مواد شناخته شده حاصل مي شود .
در ميان روش هاي متفاوتي که تاکنون جهت توليد الياف فوق ظريف مورد استفاده قرار گرفته است ( مانند تکنيک هاي کشش Drawing، توليد الياف توسط قالب Template، تفکيک فاز Phase-Separation، خودآرايي ، ملت بلاون و..)روش الکتروريسي به دليل سهولت فرآيند و همچنين امکان کاربرد براي اکثر پليمرها ،سراميک ها و فلزات ، بيش از ساير تکنيک هاي مذکور مورد توجه و استفاده بوده است. در اکثر روش هاي مذکور ،الياف به صورت يک لايه ايي بي بافت جمع آوري مي شوندکه اصطلاحا نانو لايه Nanoweb ناميده مي شود.در ادامه به روش هاي مختلف توليد اشاره مي شود:
توليد نانو الياف به روش ملت بلاون
تکنيک ملت بلاون روشي ساده ، متنوع و تک مرحله ايي براي توليد الياف زير ميکرو و بسيار ظريف محسوب مي شود . در اين روش مذاب پليمري خارج شده از روزنه اسپينرت ، در معرض دمش هواي داغ قرار گرفته و اعمال کشش بر الياف توسط دمش هوا صورت مي پذيرد، سپس الياف به شکل يک لايه بر روي جمع کننده مدور، جمع آوري مي شود.به عبارت ديگر دمش هواي داغ مانند تيغه عمل کرده و پليمر مذاب را به شکل رشته هاي ظريفي برش مي دهد.بطور کلي قطر متوسط الياف حاصله به عواملي همچون سرعت توليد ، ويسکوزيته مذاب ، دماي ذوب ، دما و سرعت هوا وابسته است. ويسکوزيته بسيار بالاي مذاب پليمري و عدم توانايي توليد روزنه هاي بسيار ريز ، عمده ترين مشکلات توليد نانو الياف به روش ملت بلاون است . بر همين اساس توليد نانو الياف با تکنيک ملت بلاون ، در گروه طراحي و ساخت روزنه هاي کوچک ، کاهش ويسکوزيته مذاب پليمري و بهينه سازي عملکرد دستگاه ملت بلاون است.
سرد شدن آني الياف خارج شده از روزنه ، مانعي براي شکل گيري و توليد اياف است . به همين سبب در تکنيک ملت بلاون از دمش هواي داغ استفاده مي شود . به واسطه افزايش دماي هوا مي توان ويسکوزيته مذاب را کاهش داد ، ولي اين امر مي تواند سبب تخريب پليمر در دماهاي بالا شود. بر همين اساس در تکنيک ملت بلاون ، کنترل دماي هواي دميده شده و ساير پارامترهاي فرآيند ، بسيار حائز اهميت است .
توليد نانو الياف به روش کشش
جهت توليد نانو الياف به روش کشش ، يک ميکرو پيپت Micro-Pipette با قطري در حدود چند ميکرون توسط يک ميکرو بازوي مکانيکي به صورت شيبدار و در نزديکي خط تماس ، وارد قطره ايي از محلول پليمري مي شود . سپس ميکرو پيت با سرعتي در حدود 10*1 به توان منفي چهار m/s از محلول خارج شده و به موجب آن ، يک نانو ليف توليد مي شود. بيرون کشيدن نانو ليف از قطره ، ناشي از گرفته شدن آن توسط انتهاي ميکرو پيپت است . عمليات گرفتن و به بيرون کشيدن نانو ليف بر روي هر قطره ، چندين مرتبه تکرار مي شود. تبخير حلال ، سبب افزايش ويسکوزيته در لبه هاي قطره مي شود.
روش کشش براي توليد نانو الياف از پليمر هاي ويسکوالاستيک Viscoelastic که قادر به تحمل تغيير شکل هاي زياد هستند و چسبندگي خود را تحت اثر تنش هاي شديد اعمال شده طي فرآيند کشش حفظ مي کنند، بسيار مناسب است . نانو الياف سيترات سديم توسط اين تکنيک توليد شده است.
توليد نانو الياف با استفاده از قالب
در اين روش همانگونه که از نام آن مشخص است نانو الياف پليمري توسط يک قالب تهيه مي شوند. قالب مورد استفاده در اين روش ، عبارت است از يک غشاي اکسيد فلزي که درون آن روزنه هايي ايجاد شده و قطر اين روزنه ها در ابعاد نانو است . شايان ذکر است که ابعاد روزنه هاي غشا ، قطر نانو الياف توليد شده را تعيين مي کند.
در فرآيند توليد نانو الياف با استفاده از قالب ، به موجب اعمال فشار توسط آب و همچنين وجود روزنه ها به عنوان تنها راه خروج پليمر ، فرآيند اکستروژن صورت مي پذيرد و بدنبال آن با ورود پليمر به يک محلول منعقد کننده ، نانو الياف توليد مي شود.در همين راستا تکنيک ديگري نيز تحت عنوان اکستروژن قالبي مذاب طراحي شده که جهت توليد نانو الياف از پليمرهاي ترموپلاستيک مورد استفاده قرار مي گيرد.در اين روش مذاب پليمري تحت اعمال فشار ، از روزنه هاي غشايي از جنس اکسيد آلومينيوم عبور کرده و سپس تا دماي محيط خنک مي شوند. به منظور تحمل فشار وارده ، از يک لايه فولادي جهت نگهداري غشا استفاده مي شود. مذاب پليمري با قرار دادن محفظه حاوي پليمر بروي يک صفحه داغ تهيه مي شود.