انواع الکتروریسی

در این مقاله قرار است که به معرفی روش انواع الکتروریسی و سایر روش های تولید نانوالیاف بپردازیم

الکتروریسی مبتنی بر سوزن

الکتروریسی مبتنی بر سوزن به صورت ذیل صورت می گیرد. در حال حاضر، دو تنظیم استاندارد الکتروریسی، عمودی و افقی وجود دارد. تنظیم معمولی شامل سه بخش است:

الف) یک سوزن سرنگ (مرتبط با یک سرنگ و یک پمپ سرنگ) با قطره ای از محلول پلیمری آویزان در نوک

ب) یک الکترود زمین که به عنوان جمع کننده الیاف استفاده می شود

 ج) یک عدد بالا منبع ولتاژی که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین سوزن سرنگ و کلکتور ایجاد می کند.

یک محلول پلیمری با سرعت ثابت از طریق سرنگ پمپ می شود و یک قطره در انتهای سوزن تشکیل می دهد. ولتاژ بالا (معمولاً از 5 تا 30 کیلو ولت) بین محلول پلیمری و الکترود جمع کننده اعمال می شود. میدان الکتریکی در معرض انتهای یک لوله مویین قرار می گیرد که حاوی سیال پلیمری است که توسط کشش سطحی آن نگه داشته شده است.

این باعث ایجاد بار روی سطح مایع می شود. دفع بار متقابل باعث ایجاد نیرویی مستقیماً مخالف کشش سطحی می شود. با افزایش شدت میدان الکتریکی، سطح نیمکره ای محلول در نوک لوله مویین کشیده شده و شکل مخروطی شکلی به نام مخروط تیلور ایجاد می کند. هنگامی که میدان الکتریکی به یک مقدار بحرانی می رسد که در آن نیروی الکتریکی دافعه بر نیروی کشش سطحی غلبه می کند، یک جت باردار از محلول از نوک مخروط خارج می شود.

جت سیال توسط نیروی کولمبی اعمال شده به میدان الکتریکی خارجی شتاب می‌گیرد و کشیده می‌شود و در حین حرکت به سمت کلکتور به شدت نازک می‌شود که منجر به تشکیل یک فیبر جامد پیوسته با تبخیر حلال می‌شود. با کاهش قطر جت، چگالی بار سطحی افزایش می‌یابد و نیروهای دافعه بالا جت را به چندین جت کوچکتر تقسیم می‌کنند.

جت به طور جدی توسط فرآیندهای خمش و شلاق ناشی از دافعه الکترواستاتیکی که در خم‌های کوچک فیبر آغاز می‌شود، طولانی می‌شود تا در نهایت روی کلکتور رسوب کند. دو نوع کلکتور ممکن است استفاده شود، کلکتور ثابت یا چرخشی.

الکتروریسی چند محوری​

تلاش‌های اخیر در الکتروریسی بر روی تغییر الیاف با ویژگی‌های ساختاری مانند الیاف هسته-غلاف، توخالی، متخلخل و سه کاناله برای استفاده در کاربردهای مختلف متمرکز شده است .

الکتروریسی کواکسیال

الیاف غلاف هسته با الکتروریسی کواکسیال تشکیل می شوند که معمولاً از یک اسپینر هم محور متشکل از یک سوزن بیرونی و داخلی استفاده می شود. الکتروریسی کواکسیال می تواند الیاف را از جفت های محلول مختلف، هسته-غلاف، الیاف توخالی و کاربردی که ممکن است حاوی ذرات باشد تولید کند.

فیبر توخالی با استفاده از الکتروریسی کواکسیال معمولاً با یک ماده موقت به عنوان هسته و ماده واقعی به عنوان پوسته ساخته می شود. بسته به فرآیند پس از ریسندگی، روغن اغلب به عنوان ماده موقت استفاده می شود، زیرا حذف آنها نسبت به سایر مواد با وزن مولکولی بالاتر نسبتا آسان تر است.

بر اساس تنظیمات اولیه الکتروریسی (نشان داده شده در شکل 2)، دو سرنگ جدا شده و کواکسیال “سیال داخلی” و “سیال بیرونی” را به اسپینر تغذیه می کنند. تحت ولتاژ بالا، مایع الکتروریسی از اسپینر بیرون کشیده می شود و یک “مخروط تیلور مرکب” با ساختار هسته-پوسته تشکیل می دهد. پس از “جت کواکسیال”، ساختار هسته-پوسته ساخته شده و از طریق جامد چرخشی در الیاف نگهداری می شود و روی “کلکتور” جمع آوری می شود.

الکتروریسی سه محوری

در الکتروریسی سه محوره، سه محلول پلیمری از طریق یک اسپینر به مخروط تیلور مرکب وارد می شود (شکل-2b). الیاف سه محوری می توانند با آبگریزی و استحکام مکانیکی متفاوت تشکیل شوند.

الکتروریسی دو جزیی

شماتیک الکتروریسی دو جزیی کنار هم در شکل 3 نشان داده شده است، جایی که دو سرنگ پلاستیکی هر کدام حاوی محلول پلیمری به صورت کنار هم قرار گرفته اند. یک پمپ سرنگ معمولی سرعت جریان دو محلول پلیمری را کنترل می کرد.

الکترودهای پلاتین غوطه ور در هر یک از این محلول ها به موازات منبع تغذیه ولتاژ بالا DC متصل شدند. انتهای آزاد سوزن های تفلون متصل به سرنگ ها به هم چسبیده بودند. مزیت فیبر دو جزئی ساید بای ساید این است که فیبر منفرد می تواند ویژگی های هر یک از اجزای فیبر را بیان کند.

• الکتروریسی چند سوزنی

ساده ترین روش برای افزایش بهره وری، افزایش تعداد سوزن ها است که از آن به عنوان الکتروریسی چند سوزنی یاد می شود.

در اینجا محلول پلیمری از طریق چندین سوزن متصل به منبع ولتاژ بالا وارد می شود. یک پمپ سرنگ برای پمپ کردن محلول در حال چرخش به مجموعه اسپینر استفاده می شود. محلول های مختلف ریسندگی را می توان به طور مستقل به دو مجموعه مختلف در یک مجموعه چندگانه اسپینر پمپ کرد.

با توجه به جرم زیاد محلول چرخان تحویل داده شده، ولتاژ بالایی برای الکتروریسی مداوم مورد نیاز است. اشکالات این روش شامل ساعت در نوک سوزن ها و تمیز کردن چندین سوزن، قدرت میدان الکتریکی ناپایدار و تغییر در توزیع اندازه فیبر است. اگرچه سرعت جریان بالا (1-18 میلی لیتر در ساعت) را می توان در سیستم های چند سوزنی به دست آورد، دفع جت های مجاور در چند سوزن هنوز یک مسئله است.

• الکترو دمش/به کمک گاز/الکتروریسی با جت گاز

الکتروریسی به کمک گاز تکنیکی است که تولید نانوالیاف الکترواستاتیک (الکترو ریسی) را با جریان هوا در اطراف اسپینر ترکیب می‌کند. نیروهای مماسی جریان هوا که بر روی قطره ای از مخلوط اثر می کنند به تشکیل مخروط تیلور و ایجاد نانوالیاف کمک می کند. با نیروی کشش اضافی ارائه شده توسط جت گاز، الیاف با قطر کوچک تولید شده است.

ترکیب نیروهای میدان الکتریکی اعمال شده و جریان هوا باعث افزایش راندمان فرآیند الکتروریسی و جریان هوا تبخیر حلال از محلول را تسریع می کند. این تنها راهی است که می توان اسید هیالورونیک را به شکل اصلی خود چرخاند.

• الکتروریسی به کمک میدان مغناطیسی

Juan A. Gonzalez Sanchez و همکارانش به تشکیل نانوالیاف پلیمری حاوی نانوذرات مغناطیسی با استفاده از الکتروریسی به کمک میدان مغناطیسی پرداختند. یک میدان مغناطیسی در محل در طول فرآیند الکتروریسی اعمال شد. برای این منظور از یک جفت کویل هلمهولتز که هرکدام دارای 200 پیچ بوده و دارای جریانی از 1 آمپر تا 3 آمپر می باشد استفاده شد.

سیم پیچ ها با فاصله ای معادل شعاع حلقه های دایره ای (10.5 سانتی متر) از هم جدا شدند. یک موتور پله ای برای چرخاندن نگهدارنده نمونه در طول رسوب استفاده شد. با مشاهده فرآیند الکتروریسی، می توان دریافت که با اعمال میدان الکترومغناطیسی در طی رسوب الیاف، جریان پلیمر بیشتر به سمت هدف جهت گیری می کند. نانوالیاف با قطر 100 نانومتر تا 700 نانومتر به دست آمد.

• الکتروریسی مزدوج

سیستم مورد استفاده در الکتروریسی مزدوج در شکل 7 نشان داده شده است. این سیستم از دو یا سه منبع تغذیه ولتاژ بالا با قطبیت مخالف، دو یا سه اسپینر و یک درام گیرنده تشکیل شده است. دو یا سه پمپ قابل برنامه ریزی برای کنترل میزان تحویل محلول ها استفاده می شود. منابع تغذیه به ترتیب با اسپینرها متصل می شوند.

اسپینرها در موقعیت های مخالف در یک خط افقی قرار گرفته اند. محلول به طور جداگانه توسط سرنگ به دو یا سه اسپینر تحویل داده می شود. گیرنده یک درام چرخان است که توسط یک موتور پله ای کنترل می شود. الیاف دو یا سه نخ ریسی الکتروریسی با بار مخالف جمع آوری و توسط گیرنده درام با سرعت ثابت کشیده شدند. نخ های نانوالیافی که می توان با این روش تولید کرد، در دمای اتاق تحت خلاء خشک می شوند .

• الکتروریسی گریز از مرکز

در الکتروریسی گریز از مرکز، نیرویی که به کشش قطره محلول به الیاف کمک می کند، ترکیبی از نیروی گریز از مرکز و نیروی الکترواستاتیک است. بدون اعمال ولتاژ بالا، چرخش گریز از مرکز خالص الیاف نیاز به چرخش اسپینر با هزاران دور در دقیقه دارد. با این حال، در الکتروریسی گریز از مرکز، سرعت چرخش را می توان تا 50٪ کاهش داد.

میدان الکتریکی به کشش جت ها به ابعاد بسیار کوچک تحت تبخیر همزمان حلال کمک می کند و یک پوشش نانوالیافی خشک بر روی بستر باقی می گذارد. با وارد شدن نیروی گریز از مرکز، ولتاژ کمتری برای غلبه بر کشش سطحی محلول برای شروع الکتروریسی مورد نیاز است. ترکیب چرخش مکانیکی و ولتاژ کاهش یافته، این روش را به روشی بسیار موثر برای ساخت نانوالیاف تراز شده تبدیل کرده است. ممکن است چندین نازل حول محور چرخش قرار گیرد تا سرعت تولید الکتروریسی گریز از مرکز را افزایش دهد.

در این مقاله سعی کردیم که تمام روش ها و انواع الکتروریسی را بیان کنیم. امیدواریم برایتان مفید و کافی باشد.