تبلیغات
پانیذ کیمیا کاوشگر (پانیکا) - خواص و کاربرد انواع ساختار نانوالیاف الکتروریسی شده

خواص و کاربرد انواع ساختار نانوالیاف الکتروریسی شده

الکتروریسیالکتروریسی، روش ساده ای برای تولید الیاف نازک از مواد متنوع شامل پلیمر، کامپوزیت و سرامیک است. در این مقاله، خواص و کاربرد نانوالیاف تولید شده با روش الکتروریسی مورد بررسی قرار می گیرد. نانوالیاف در طیف وسیعی از حوزه ها مانند حوزه آرایشی و بهداشتی، دفاعی، مهندسی کردن بافت، فیلتراسیون، سنسور و ... کاربرد دارند. امروزه الکتروریسی برای ساخت نانو الیاف با ساختار ثانویه (ساختار توخالی، هسته-پوسته و متخلخل) گسترش پیدا کرده است. این ساختارها به علت نسبت سطح به حجم و نسبت طول به قطر زیاد در مقایسه با نانوالیاف معمولی بیشتر مورد توجه هستند و در حوزه های وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند.
1- مقدمه
نانوالیاف دارای خواص و مشخصه هایی هستند که آنها را از سایر ساختارهای یک بعدی (مانند نانوسیم و نانومیله) متمایز می سازد. نانوالیاف می توانند از مواد اولیه مختلف مانند کامپوزیت ها، سرامیک ها و پلیمرها ساخته می شوند. وقتی قطر مواد لیفی پلیمری از میکرومتر (یعنی 10-100 میکرومتر) به نانومتر(یعنی0.001-0.1 میکرومتر) کاهش می یابد، خواص شگفت انگیزی مانند نسبت سطح به حجم زیاد (این نسبت برای یک نانوالیاف در مقایسه با میکرولیف هزار برابر افزایش می یابد.)، قابلیت انعطاف پذیری در ویژگی های سطحی و عملکرد مکانیکی فوق العاده (مانند سختی و استحکام کششی) در این مواد ظاهر می شود [1و2].


2- تولید نانوالیاف با روش الکتروریسی
همانطور که در مقالات قبل اشاره شد، در سال های اخیر روش های زیادی مانند طراحی، سنتز با الگو، جداسازی فاز، خودآرایی ، الکتروریسی و ... برای تولید نانوالیاف پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. در میان این روش ها، الکتروریسی ساده ترین روش برای تولید نانوالیاف با انواع ساختارها مانند ساختار توخالی و یا هسته-پوسته با طول زیاد، قطر یکنواخت و با انواع ترکیبات می باشد[2]. 
این روش به جز در مورد دافعه الکترواستاتیکی بین بارهای سطحی (به جای نیروی برشی یا مکانیکی) برای کاهش پیوسته قطر جت ویسکوالاستیک، مشابه روش تجاری طراحی کردن میکرو الیاف است. در مقایسه با طراحی کردن مکانیکی، ریسندگی الکترواستاتیکی منجر به تولید الیاف با قطر کوچکتر می شود. الکتروریسی مانند طراحی کردن مکانیکی فرایند پیوسته ای است و می تواند برای تولید محصولات در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرد. الکتروریسی مانند فرایند پاشندگی الکترواستاتیکی (یا پاشش الکتریکی) نیز است. در هر دو روش از ولتاژ بالا برای القاء جت مایع استفاده می شود. در پاشش الکتریکی، با درهم شکستن انبساط جت های الکتریکی که اغلب در محلول ها با ویسکوزیته پایین وجود دارد، قطرات کوچک یا ذراتی شکل می گیرد. در ریسندگی الکتریکی، لیف جامد به عنوان جت الکتریکی تولید می شود (ترکیبی از محلول های پلیمری با ویسکوزیته بالا) که به علت دافعه الکترواستاتیکی بین بارهای سطحی و تبخیر حلال به طور پیوسته منبسط خواهد شد[3].
همانطور که از بررسی روش های فوق مشاهده کردیم، نانوالیاف تولید شده می توانند دارای ساختار ثانویه مانند ساختار توخالی و هسته-پوسته باشند. فرایندهای پیشرفته زیادی مانند سنتز با الگو، خودآرایی و الکتروریسی برای ساخت الیاف و لوله های متخلخل، هسته-پوسته و توخالی از پلیمرهای مصنوعی و طبیعی وجود دارد. به طور کلی نانوساختارهای یک بعدی با ساختار توخالی (مانند نانولوله ها) اهمیت زیادی در حوزه هایی مانند نانوسیال ها و ذخیره انرژی، میکروکپسول ها برای رهایش کنترل شده دارو، کاتالیست، سنسور و دستگاه های الکتریکی دارد[4]. 
تلاش های اخیر نشان داد که الکتروریسی می تواند مستقیما برای تولید نانوالیاف توخالی مورد استفاده قرار گیرد. در فرایند تولید نانوالیاف توخالی با روش الکتروریسی، دو مایع ویسکوز ولی غیر قابل اختلاط، برای مثال روغن معدنی و محلول اتانول محتوی PVP و تیتانیوم ایزوپرکسید (Ti(OiPr)4)، به عنوان ماده اولیه برای هسته و پوسته مورد استفاده قرار می گیرند و به طور همزمان از لوله های مویین داخلی و خارجی برای تشکیل جت ترکیبی پایدار استفاده می شوند. با استفاده از این فرایند ریسندگی، نانوالیاف هسته-پوسته ساخته شده از TiO2/PVP و روغن معدنی به عنوان محصول نهایی تولید می شود. حذف انتخابی فاز روغن به وسیله ی حلال معین، منجر به تشکیل الیافی توخالی حاوی دیوارهای TiO2/PVP می شود. نانوالیاف توخالی سرامیکی می-توانند با حذف هر دو ماده روغن و PVP از طریق کلسیناسیون الیاف ریسندگی شده در دمای تنظیم شده در هوا بدست آید (شکل1). ضخامت پوسته و قطر داخلی نانوالیاف با کنترل شرایط ریسندگی (مانند قدرت میدان الکتریکی، غلظت مایع پوسته و نرخ ورود هر دو مایع) در محدوده ای از ده نانومتر تا چند صد نانومتر تغییر می کند. مشکل ناپایداری نانوساختارهای توخالی پلیمری با تزریق پیش ماده سل-ژل غیر آلی برای محلول ریسندگی، حل می شود. قدرت و پایداری نانوساختارهای لوله  نهایی می تواند با تشکیل شبکه ژل در پوسته پلیمری در طول فرایند ریسندگی بهبود پیدا می کند. اخیرا نشان داده شده است که نانوذرات یا انواع مولکول ها می توانند به وسیله انحلال این مواد در مایع هسته، در درون ساختار توخالی بکار روند. با استفاده از این مشاهدات می توان نتیجه گرفت که الکتروریسی، تکنولوژی ساده و همه جانبه ای است که قادر به ساخت نانوساختار هایی با کاربرد پیچیده و ساختار منظم است. ساخت نانوالیاف توخالی چند دیواره با بکارگیری بیش از دو لوله مویین هم محور امکان پذیر می گردد[3]. تاکنون نانو الیاف توخالی SnO2، CuO و ZnO با روش الکتروریسی هم محور ساخته شده است[5].

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل1- الف) نمایی از سیستم الکتروریسی برای تولید نانوالیاف توخالی. این دستگاه از سرنگ با دو لوله مویینه هم محور ساخته شده است. روغن معدنی و محلول اتانول حاوی PVP و تیتانیوم ایزوپروپ اکسید به طور همزمان برای تشکیل جت ترکیبی به سرنگ تزریق می شوند. ب) تصویر TEM نانوالیاف توخالی که دیوار آن از کامپوزیت PVP و دی اکسید تیتانیوم تشکیل شده است. ج)تصویر TEM نانوالیاف توخالی آناتاز[3].

در روش دیگری از الیاف پلیمری الکتروریسی شده، به عنوان قالب برای تولید نانو الیاف توخالی استفاده می شود. ابتدا این قالب های پلیمری با استفاده از الکتروریسی تولید می شود. سپس لایه نازکی از ماده مورد نظر بر روی این الیاف قرار می گیرد. در ادامه برای تولید نانوالیاف توخالی از مواد خاصی برای حذف الیاف پلیمری درونی استفاده می شود. به طور کلی این روش شامل سه مرحله زیر می باشد: 1- ساخت الیاف پلیمری با استفاده از الکتروریسی به عنوان قالب 2- پوشش دهی الیاف با هدف جامد 3- حذف قالب با فرایندهای گرمایی، برای تولید نانو الیاف توخالی[6].

3- خواص نانوالیاف توخالی
همانطور که قبلا ذکر شد، نانوالیاف پلیمری کاربردهای متنوعی شامل کپسوله کردن دارو، سنسورهای زیستی، فیلتراسیون و الکترونیک دارند. اخیرا با تولید ساختارهای توخالی و هسته- پوسته، نانوالیاف بیشتر مورد توجه قرار گرفتند. این ساختارهای اصلاح شده ، خواص مواد را برای کاربردهای ذکر شده افزایش می دهد. در این قسمت خواص نانوالیاف مورد بررسی قرار خواهد گرفت[4].

3-1- طول فوق العاده زیاد 
در مقایسه با نانوساختارهای یک بعدی ساخته شده با سایر روش های فیزیکی و شیمیایی، نانوالیاف الکتروریسی شده به شدت طویل هستند. چون الکتروریسی یک فرایند پیوسته است طول الیاف می تواند تا چندین کیلومتر ادامه پیدا کند. در فرایند الکتروریسی، این الیاف طویل می توانند در سه بعد تجمع پیدا کرده و پارچه ها یا غشاء های غیربافتی را تشکیل دهند. این پارچه های متخلخل در حوزه های مختلفی کاربرد دارند. به عنوان مثال پوسته سبک بال میکرو دستگاه های هوایی از نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده روی یک قالب بال تشکیل می شود[3]. 

3-2- مساحت سطح زیاد و ساختار متخلخل پیچیده
الیاف تولید شده با فرایند ریسندگی در مقایسه با اکستروژن مکانیکی مرسوم، قطر کوچکتری داشته و از نسبت سطح به حجم بیشتری برخوردار هستند. قابل ذکر است که نانوالیاف توخالی نسبت به نانوالیاف معمولی، نسبت سطح به حجم بیشتری دارند. این خاصیت در واکنش های شیمیایی (مانند استفاده در کاتالیست) به علت مساحت سطح زیاد، بسیار مفید است[3].

3-3- نظم در سطح مولکولی
الکتروریسی با کشش سریع جت به وسیله میدان الکتریکی و تبخیر حلال همراه است. زنجیره پلیمری نیروی برشی زیادی را در طول فرایند الکتروریسی تجربه می کند. این نیروی برشی و انجماد سریع، از برگشت زنجیره پلیمری به ساختار تعادلی جلوگیری می کند. در نهایت محصولات منظمی با این روش تولید می شود[3]. 

4- کاربرد نانوالیاف الکتروریسی شده
دو سوم از کاربردهای الکتروریسی در زمینه پزشکی می باشد. مابقی این کاربردها مربوط به فیلتراسیون و دیگر حوزه ها است. در اینجا برخی از کاربردهای نانوالیاف توخالی در حوزه آرایشی و بهداشتی، دفاعی، مهندسی کردن بافت، فیلتراسیون، سنسور و ... به اختصار توضیح داده خواهد شد[7].

4-1- غشاء های ساخته شده از نانوالیاف و لباس های هوشمند
غشاها معمولاً مواد پلیمری هستند که برای جداسازی محلول‌ها و یا مخلوط گازها مورد استفاده قرار می گیرد. در نمونه ای از تحقیقات، خواص غشاء متخلخل ساخته شده از الیاف الکتروریسی شده مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان دادند که غشاء های متشکل از الیاف الکتروریسی مقاومت زیادی به هدایت جریان هوا در مقایسه با غشاء های معمولی دارند، در حالی که مقاومت به انتقال بخار آب در آنها نسبت به لایه های غشاء تجاری بسیار کمتر است. به طور کلی غشاء الکتروریسی شده قابلیت زیادی را برای بدام انداختن ذرات آئروسل (انتشار و پراکندگی ذرات بسیار کوچک جامد یا مایع در یک فاز گازی و یا در هوا آئروسل نامیده می شود.) نشان می دهد. اگرچه لایه های بسیار نازکی از الیاف مورد استفاده قرار می گیرد، ولی بازدهی فیلتراسیون زیاد می باشد. پارچه های حفره دار و سبک متشکل از نانوالیاف الکتروریسی شده، مورد مناسبی برای ساخت لباس های محافظ است. در حقیقت سال های زیادی است که بازدهی بالا فیلتراسیون غشاء غیربافتی الکتروریسی شده در صنایع جداسازی و فیلتراسیون شناخته شده است. محصولات فیلتر تجاری بر پایه الیاف الکتروریسی شده از بیست سال پیش مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین از تجمع گونه ها و ترکیبات فعال در نانوالیاف الکتروریسی شده می توان برای ساخت لباس هوشمند استفاده کرد. این لباس ها به هر نوع تغییرات محیطی عکس العمل نشان می دهند[3].



4-2- کاربرد زیست پزشکی 
نانوالیاف الکتروریسی شده به واسطه ساختار منحصر به فردشان در مهندسی بافت بسیار مورد توجه هستند.

شبکه های سه بعدی نانوالیاف حاوی پروتئین در داربست های طبیعی برای رشد بافت مورد استفاده قرار می گیرند. مهندسی بافت به داربست های مصنوعی با ترکیب، مرفولوژی و گروه های عاملی سطحی مشابه با همتای طبیعیش نیاز دارد. اتصالات درونی، ساختارهای متخلخل سه بعدی و مساحت سطح نسبتا زیاد پارچه غیر بافتی متشکل از نانوالیاف الکتروریسی شده به خوبی شناخته شده است. آنها گروهی از مواد ایده آل را برای تقلید ماتریکس خارج سلولی که در مهندسی کردن بافت مورد نیاز است، تامین می کنند. با گسترش تحقیقات سایر کاربردهای نانوالیاف الکتروریسی شده در زیست پزشکی کشف شد. برای مثال، الیاف الکتروریسی شده به عنوان پوشش دهنده زخم استفاده می شود. در واقع پوشش های متخلخل متشکل از ساختارهای لیفی، زخم را از نفوذ باکتری با مکانیسم بدام انداختن ذرات آئروسل محافظت کرده در حالی که الگوی مناسبی را برای انتقال بخار تامین می کند. علاوه بر عملکرد حفاظتی، پوشش های غیربافتی الکتروریسی شده به واسطه مساحت سطح زیاد کاربرد بالقوه ای به عنوان محافظ یا حامل برای رسانش دارو دارند[3]. 

4-3- محافظ ها بر پایه نانوالیاف برای آنزیم و کاتالیست
نانوالیاف (پلیمری و سرامیکی) به واسطه اندازه کوچک و مساحت سطح زیاد ، محافظ های جامد مورد توجهی برای کاتالیست های مرسوم و آنزیم ها هستند. برخلاف آنزیم های محافظت شده با نانوذرات، الیاف حامل آنزیم می تواند براحتی از سیستم های واکنش بازیابی شوند. همچنین در برخی از موارد واکنش پذیری آنزیم و کاتالیست موجود در لیف الکتروریسی شده نسبت به این مواد در نانو ذرات چند برابر افزایش یافت[3].

4-4- سنسورها بر پایه نانوالیاف
برخی از دانشمندان، نانوالیاف الکتروریسی شده حاوی فلئورسانس را به عنوان سنسورهای فلئورسانسی مورد استفاده قرار دادند[3]. سنسورهای گازی بر پایه نانوالیاف نیز به دلیل نسبت طول به قطر و سطح به حجم زیاد که منجر به افزایش حساسیت می شود، امروزه بسیار مورد توجه است. نانوالیاف توخالی در مقایسه با نانوالیاف جامد، فعالیت سطحی بیشتری مانند واکنش های سطحی زیاد و نفوذ سریع به علت قابلیت نفوذ سطحی زیاد و تراکم کم دارند که مسیرهایی را برای نفوذ ایجاد می کنند و به گاز اجازه نفوذ به لایه های سنسور را می دهند[5].

4-5- الکترود بر پایه نانوالیاف
نانوالیاف متخلخل ، ماتریکس های خوبی برای حفظ الکترولیت های پلیمری هستند و به شدت در ساخت باتری های لیتیومی با عملکرد عالی مورد استفاده قرار می گیرند. غشاء متخلخل زمانیکه با محلول الکترولیتی مرطوب می شود، هدایت یونی افزایش یافته ای را نشان می دهد. این پدیده به علت ساختار متخلخل غشاء های حاوی نانوالیاف الکتروریسی شده است. ساختار متخلخل این غشاء ها انتقال یون ها را تسهیل می سازد[3].

4-6- نانوالیاف به عنوان الگوهای مصنوعی
مشابه سایر نانوساختارهای یک بعدی، نانوالیاف الکتروریسی شده به عنوان الگو مصنوعی برای تولید نانوساختار یک بعدی توخالی بکار می رود. گروهی از فلزات، پلیمرها و سرامیک ها می توانند به نانولوله ها تبدیل  شوند. برای این کار ابتدا نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده پوشش داده می شوند. سپس حذف انتخابی الگو اتفاق می افتد. اخیرا از نانوالیاف الکتروریسی شده به عنوان الگو برای تولید کانال های نانوسیال استفاده می شود. در این مورد، نانوالیاف متشکل از پلی کربنات های تجزیه شونده گرمایی روی زیرلایه قرار می گیرد، در ادامه با شیشه پوشش داده می شود. در نهایت پس از اینکه نانوالیاف به صورت انتخابی با گرما حذف شد، کانال های نانوسیال ایجاد می گردد. برخلاف کانال های ساخته شده با روش لیتوگرافی مرسوم، سطح مقطع بیضی شکل و گوشه های تیز در کانال های تولید شده با قالب لیف الکتروریسی حذف می-شود[3].

4-7- دستگاه های نوری و الکترونی بر پایه نانوالیاف
در سال های اخیر، نانوالیاف الکتروریسی شده با فعالیت های الکتریکی و الکتریکی-نوری مشابه نانوسیم-های فلزی یا نیمه¬هادی سنتز شده با سایر روش ها، به واسطه قابلیت بالقوه آنها در ساخت نانو دستگاه های الکترونیکی و الکترونوری، توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. محققین با بررسی خواص الکتریکی نانوالیاف پلی آنیلین/PEO با قطر کمتر از 100 نانومتر، متوجه شدند که این خاصیت به قطر نانوالیاف بستگی دارد.

5- نتیجه گیری
امروزه الکتروریسی توانایی تولید انواع الیاف پلیمری آلی، سرامیکی و ساخت مواد کامپوزیتی با قطر قابل کنترل را، دارد. به علاوه الکتروریسی برای تولید مستقیم نانوالیاف با ساختار هسته-پوسته یا توخالی گسترش پیدا کرده است. بررسی ارتباط بین ساختار ثانویه نانوالیاف الکتروریسی شده و پارامترهای فرایند الزامی است. کنترل نوع نانوالیاف (مانند متخلخل، توخالی و هسته-پوسته) برای قابلیت بالقوه آنها در ساخت دستگاه ها و علم مواد نیز دارای اهمیت می باشد. به طور کلی تحقیقات در زمینه الکتروریسی منجر به کاربرد نانوالیاف در طیف وسیعی از حوزه ها شده است. تحقیقات در زمینه تولید ساختارهای ثانویه (متخلخل، هسته-پوسته و توخالی) نانوالیاف الکتروریسی شده، شیوه های جدیدی را برای طراحی الکترودهای پیشرفته، منبع کاتالیست و دستگاه های حسگر تامین می کند. به خصوص نانوالیاف توخالی با سطح مقطع دایره ای، کانال ایده آلی برای ساخت دستگاه های نانوسیال هستند. آنها همچنین به عنوان الگو برای تولید نانوساختارهای یک بعدی استفاده می شوند.

منابـــع و مراجــــع

1. McCann, J. T., Li, D., Xia, Y. " Electrospinning of nanofibers with core-sheath, hollow, or porous structures", Journal of Materials Chemistry, Vol. 15, PP. 735–738, (2005).

2. Huang, Z.M., Zhang, Y. Z., Kotaki, M., Ramakrishna, S. " A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites", Composites Science and Technology, Vol. 63, PP. 2223–2253, (2003).

3. Li, D., Xia, Y. "Electrospining of nanofibers: reinventing the wheel", Advanced materials, Vol. 16, PP. 1151-1171, (2004).

4. Srivastava, Y., Loscertales, I., Marquez M., Thorsen, T. " Electrospinning of hollow and core/sheath nanofibers using a microfluidic manifold", Microfluid Nanofluid, DOI 10.1007/s10404-007-0177-0, (2007).

5. Yao, P.J., Wang, J., Du, H.y., Zhao L. " Direct fabrication of La0.7Sr0.3FeO3 hollow nanofibers by electrospinning and their gas sensing properties", The 14th International Meeting on Chemical Sensors, DOI 10.5162/IMCS2012/P1.7.8, (2012).

6. http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/prost/proceedings/aiche-2008/data/papers/P129909.pdf

7. Burger C., Hsiao B. S., Chu B. " NANOFIBROUS MATERIALS AND THEIR APPLICATIONS", Annual Review of Materials Research, Vol. 36, PP. 333–368, (2006).

نظرات

درباره سایت

شرکت پانیذ کیمیا کاوشگر با مسئولیت محدود. ارائه کننده خدمات فناوری نانو با تجهیزات پیشرفته.نهاد ترویجی فناوری نانو. آموزش فناوری نانو به دانش آموزان، دانشجویان و... . انجام پروژه های دانش بنیان

نظرسنجی

آیا از خدمات ما راضی هستید؟



امکانات سایت



برای نمایش تصاویر گالری کلیک کنید


logo-samandehi