۱-۱-مقدمه
در سال ۱۹۳۴ Formals فرایندی را ثبت کرد که یک دستگاه آزمایشگاهی برای تولید نانو الیاف پلیمری با بهره گرفتن از نیروی الکترواستاتیک طراحی شده بود. وقتی از این روش برای ریسیدن الیاف استفاده شود، به آن اصطلاحاً الکتروریسی گفته می‌شود. به عبارت دیگر الکتروریسی عملیاتی است که نانو الیاف را به واسطه بار الکتریکی روی جریان شتابدار از محلول پلیمر یا مذاب تولید می‌کنند. با این روش الیاف پلیمری با قطر نانومتر یا زیر میکرون (معمولاً بین ۵ تا ۱۰۰ نانومتر) تولید می‌شود [۱].

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

الکتروریسی موفقیت­های زیادی در تکنولوژی شکل­ گیری نانوالیاف از محلول­های پلیمری با گرانروی زیاد، داشته است. روش­های مختلفی برای تولید نانوالیاف وجود دارد. اما هنگامی­که به امکانات تجاری، تنوع پلیمرها و کاربردهای تجاری آن­ها، سادگی فرایند تولید و کاربرد آن در تکنولوژی­های مختلف تولید توجه شود، الکتروریسی به عنوان کارآمدترین روش برای تولید نانوالیاف شناخته می­ شود [۲]. از عوامل دیگری که این روش را مورد توجه قرار می­دهد کنترل قطر، تولید نانوالیاف با مورفولوژی‌های مختلف، داشتن تنوع در مواد اولیه (پلیمرهای طبیعی، مصنوعی، پلیمرهایی که در روش‌های معمولی نمی­ توان برای تولید الیاف استفاده کرد) می­باشد [۳].
۱-۲-الکتروریسی
الکتروریسی در منابع مختلف به عنوان روشی که در آن نانوالیاف از مایعات پلیمری با بهره گرفتن از میدان الکتریکی تهیه می­شوند، تعریف شده است. شایان ذکر است که هم محلول­های پلیمری و هم پلیمرهای مذاب می­توانند الکتروریسی شوند. نانو الیاف به علت ظرافت و سطح ویژه زیاد کاربردهای متعددی دارند که به عنوان مثال می‌توان به استفاده از این الیاف در کامپوزیت‌ها [۴]، ساخت صافی‌ها [۵]، الیاف رسانا [۷،۶]، حسگرها [۹،۸]، الیاف سرامیکی [۱۰]، داربست بافت [۱۱]، حمل دارو [۱۲]، زخم پوشش‌ها [۱۳] اشاره کرد [۱۴]. یکی از معایب این روش ناپایداری خمشی جریان شتاب­دار مایع در آن است، بنابراین لازم است که حرکت جت (جریان شتاب­دار مایع) در الکتروریسی به نحوی کنترل گردد [۱۵].
در فرایند الکتروریسی معمولی، میدان الکترواستاتیکی قوی بین نازل ظرف حاوی محلول پلیمری متصل به یک پمپ تزریق دقیق و صفحه‌ی جمع کننده اعمال می‌شود. هنگامی‌که نیروی الکتریکی بر کشش سطحی قطره پلیمری در نوک نازل غلبه کند، جت الکتروریسی تشکیل می‌شود. جت ایجاد شده یک سری ناپایداری‌های خمشی را در حین گذر تا صفحه‌ی جمع کننده (فاصله الکتروریسی) تحمل می‌کند که این عامل باعث کشش فوق‌العاده‌ی لیف تشکیل شده در جت می‌شود. این کشش به همراه تبخیر سریع مولکول‌های حلال در فاصله‌ی الکتروریسی منجر به کاهش قطر الیاف شده و الیاف مداوم نسبتاً خشک بر روی صفحه جمع کننده به طور تصادفی تشکیل می‌شوند. جت پلیمری در میدان الکتریکی به موجب اینکه نیروهای متضاد روی آن اثر می‌کند، ناپایدار است. کشش سطحی متمایل است که سطح جت را کوچک نماید و دافعه‌ی بارهای الکتریکی همنام موجود در سطح جت آن را نامتعادل می‌کند و سطح آن را افزایش می‌دهد. بنابراین یکی از ناپایداری‌هایی که در طول الکتروریسی اتفاق می‌افتد ناپایداری‌های خمشی است که با چگالی شار الکتریکی سطحی بالا افزایش می‌یابد [۱۶].
اجزاء متداول دستگاه الکتروریسی اساساً شامل یک سرنگ پر از محلول یا مذاب پلیمری، یک صفحه جمع کننده وب نانوالیاف و یک منبع تغذیه ولتاژ بالا برای تأمین نیروی الکتریکی مورد نیاز برای کشیدن جت مایع، می­باشد. در شکل ۱-۱ نمای شماتیکی از الکتروریسی نشان داده شده است.
شکل ۱-۱-نمای شماتیکی از دستگاه الکتروریسی [۱۷]
۱-۳- فرایند شکل گیری جت پلیمر در عملیات الکتروریسی
در فرایند الکتروریسی یک میدان الکترواستاتیکی بین یک نازل و یک جمع کننده ایجاد می­گردد، در حقیقت ولتاژ بالایی به یک پلیمر سیال اعمال می­ شود تا توسط آن سیال باردار گردد. در اثر نیروی الکتریکی، محلول پلیمری از نازل به سمت جمع کننده خارج می­ شود بدین ترتیب که وقتی بارهای الکتریکی در سیال به مقداری بحرانی برسد، یک جریان شتاب­دار محلول که «جت» نامیده می­ شود از قطره نوک سوزن در اثر شکل­ گیری مخروط تیلور با شتاب خارج می­ شود. جت الکتروریسی به سمت منطقه با پتانسیل کمتر، که در بیشتر موارد صفحه جمع کننده‌ای است که به زمین متصل شده، حرکت می­ کند سپس حلّال از میان جت پلیمر تبخیر می­ شود، علاوه بر این جت، ناپایداری­هایی را تحمل می­ کند که عمدتاً به وجود آورنده اندازه نانویی قطر لیف هستند و بر مورفولوژی الیاف تولید شده نیز اثر می­ گذارد [۱۹،۱۸]. با توجه به شکل ۱-۲ پلیمر در مسیر خود به منظور ریسیده شدن سه مرحله را طی می‌کند که عبارتند از :

1. 1. تشکیل مخروط تیلور و خارج شدن جت از آن

1. 1. نازک شدن جت خارج شده از مخروط و حرکت آن به سمت جمع کننده (مسیر مستقیم)

۳٫ایجاد ناپایداری‌های خمشی در جت پلیمر
شکل۱-۲- مسیر جت پلیمر در حین الکتروریسی
به این ترتیب قطره پلیمری نوک سوزن باردار شده و با افزایش چگالی بار الکتریکی، شکل کروی قطره را به مخروط تبدیل می‌کند (مخروط تیلور) و نهایتاً به صورت جت شتابدار در می‌آید.
کروی بودن شکل قطره به دلیل نیروهای کشش سطحی است که محلول را به سمت شکلی با کمترین نسبت سطح به حجم متمایل می‌کند [۱۹].
به طور کلی نیروهای وارد بر محلول پلیمری عبارتند از :
نیروی کشش سطحی: در ابتدای کار از ایجاد جت جلوگیری نموده و باعث کاهش سطح و جمع شدن محلول می‌شود.
نیروی ویسکوزیته: از کشیده شدن محلول بین نوک سوزن و جمع کننده جلوگیری می‌کند.
نیروی کلمبیک: نیروی دافعه بین بارهای همنام روی سطح پلیمر می‌باشد که سبب کشیده شدن محلول پلیمری می‌شود.
نیروی الکترواستاتیک: نیرویی که میدان الکتریکی بر جت وارد می‌کند و سبب شتاب دار شدن محلول پلیمری می‌گردد.
مخروطی شدن قطره به دلیل نیروهای دافعه کولمبیک و نیروهای الکترواستاتیک است که وقتی که این نیروها بر نیروی کشش سطحی غلبه کرد جت تشکیل می‌گردد [۱۹].
۱-۳-۱-مخروط تیلور
بین سال‌های ۱۹۶۴ تا ۱۹۶۹، تیلور ^[۱]در یک مجموع از کارهای پیوسته برای بهبود و توسعه کارهای زنلی^[۲] به بررسی رفتار یک قطره در دو حالت زیر پرداخت:
۱ - حالتی که یک قطره بار دار به طور مداوم در پتانسیل معلوم نسبت به زمین قرار داشته باشد.
۲- حالتی که یک قطره در میدان الکتریکی یکنواخت قرار داشته باشد.
در حالت اول تیلور نشان داد که افزایش پتانسیل منجر به کشیدگی بیشتر قطره خواهد شد. برای حالت دوم قطره‌ای را درون خازن در نظر گرفت و نشان داد که با افزایش شدت میدان الکتریکی قطره بیشتر و بیشتر کشیده می‌شود و در میدان الکتریکی بیشتر از یک مقدار بحرانی، قطره شکل پایدار خود را از دست خواهد داد و ناگهان به شکل یک مخروط در خواهد آمد [۲۰].
تیلور با بهره گرفتن از یک مخروط نامحدود که توسط یک سیال پیوسته شکل گرفته است به محاسبه نیم زاویه رأس مخروط پرداخت.
او دلایل تجربی مفیدی در مورد مخروط تیلور جمع آوری نمود و شکل مخروط ایجاد شده در نتیجه جت خارج شده از سطح یک مایع را محاسبه نمود. وی همچنین اولین محققی است که تلاش نمود نرخ باز شدگی و آشفتگی را برای یک جت مایع ایجاد شده توسط میدان الکتریکی را با یک تقریب خطی برای حالتی که آشفتگی کوچک است محاسبه نماید و محاسبات خود را برای مایع لزج انجام داد [۲۰].
در سال‌های اخیر رنکر و همکارانش [۲۰] تحقیقات قابل توجهی را به صورت تجربی و تئوری در زمینه رفتار قطره بار دار در میدان الکتریکی و فرایند الکتروریسی انجام داده‌اند. آنها با بررسی داده‌های آزمایشگاهی نشان دادند که قطره مورد بحث مستقل از شکل اولیه‌اش شکل ثابتی به خود خواهد گرفت و این شکل تا زمانی که شدت میدان الکتریکی از مقدار بحرانی فراتر نرود پایدار خواهد ماند. با فراتر رفتن شدت میدان الکتریکی از مقدار بحرانی شکل قطره به شکل مخروطی با نوک گرد شبیه می‌شود. شعاع انحنای نوک مخروط می‌تواند آنقدر کوچک باشد که با سیستم‌های معمولی تصویر برداری قابل تشخیص نباشد ولی باید توجه داشت که حتماً گرد است زیرا در غیر این صورت اندازه شدت میدان الکتریکی در نوک آن بینهایت خواهد شد [۲۰].
جزییات مربوط به شکل حقیقی نوک مخروط، یک مسئله انتگرال و دیفرانسیل گیری غیر خطی است. همچنین رنکر نشان داد که شکل قطره در نوک سوزن قبل از آن که جت از آن خارج شود هذلولی گون بسیار شبیه به مخروطی با نوک گرد می‌باشد [۲۰].
رنکر و همکارانش با نوشتن معادلات و حل آنها مقدار نیم زاویه مخلوط تیلور را ۳۳٫۵ درجه به دست آوردند. آنها برای مقایسه نتایج تئوری و عملی، دو نوع آزمایش طراحی و در هر یک از حالات، از مخروط تیلور تصاویری تهیه نمودند. در حالت اول قطره چسبیده است و در حالت دوم یک قطره آویزان می‌باشد. در واقع هدف از طرح این دو آزمایش، مشخص نمودن اثر جاذبه بر نیم زاویه مخروط می‌باشد. شکل ۱-۳ حالت قطره آویزان و شکل۱-۴ حالت قطره چسبیده را نشان می‌دهد.
شکل ۱-۳- حالت قطره آویزان [۲۰]
شکل ۱-۴-حالت قطره چسبیده [۲۰]
برای آزمایشات عملی از محلول پلی اتیلن اکساید با وزن ملکولی ۴۰۰۰۰۰ در آب با غلظت ۶% استفاده نمودند و اختلاف پتانسیل را مرحله به مرحله و در هر مرحله ۲۰۰ ولت افزایش داده‌اند تا مرحله‌ای که یک جت از نوک مخروط خارج گردد و در هر مرحله از شکل قطره پس از به تعادل رسیدن، تصویر تهیه نمودند [۲۰].
با توجه به شکل۱-۵ (الف) بدست آمده برای قطره چسبیده می‌باشد و خط سفید، محور تقارن قطره است. در این تصویر نیم زاویه رأس پیش بینی شده توسط رنکر با خط پر و نیم زاویه رأس پیش بینی شده توسط تیلور با خط چین نشان داده شده است. آنها تاکید نمودند که این تصویر بهبود داده شده یا بریده شده نیست و کاملاً واقعی می‌باشد. شکل۱-۵ (ب) توسط نرم افزار Find Edges از aبدست آمده و لبه‌های تصویر توسط این نرم افزار مشخص شده است، و اندازه نیم زاویه را در سه ناحیه مشخص نموده‌اند، در ناحیه A داده مناسبی از نرم افزار استخراج نشده است. برای ناحیه B خطوط مماس نیم زاویه ۳۷٫۵ درجه ایجاد می‌کند و خطوط مماس در ناحیه C نیم زاویه ۳۰٫۵ درجه ایجاد می‌کنند. شکل۱-۵ (ج) و (و) به طور مشابه برای حالت قطره آویخته بدست آمده است. در ناحیه A نیم زاویه ۳۱٫۵ درجه و در ناحیه B نیم زاویه ۲۶ درجه بدست آمده است. همه این زوایا به نیم زاویه هذلولی گون ۳۳٫۵درجه که توسط رنکر به دست آمده است نزدیکتر می‌باشد تا به نیم زاویه مخروط تیلور که ۴۹٫۳درجه بدست آورده بود.
شکل۱-۵ تصاویر قطره‌ها در حالت (الف) و (ب) تصویر بدست آمده برای قطره چسبیده و تصویر (ج) و (و) برای حالت قطره آویخته می‌باشد [۲۰]
۱-۳-۲-مسیر مستقیم جت
در مرحله دوم از الکتروریسی وقتی که محلول جت از مخروط تیلور به سمت صفحه جمع کننده حرکت می‌کند جت شتاب می‌گیرد و از سوزن دور می‌شود در یک مسیر مستقیم حرکت می‌کند که نمای جت نسبت به زمان تغییری نمی‌کند این مرحله از الکتروریسی را مرحله با ثبات می‌نامند [۲۱].
۱-۳-۳- ناپایداری‌های جت
تئوری‌های ناپایداری خمشی را برای جت بدون شارژ در طی سال‌های ۱۹۹۳-۱۹۸۲ توسط یارین و همکارانش توسعه و شرح داده شده است. ناپایداری‌های خمشی برای یک جت سیال ویسکوز که در هوا حرکت می‌کند پدیده طبیعی محسوب می‌شود [۲۲].
در عمل در حالی که جت نازک می‌شود تحت تأثیر یک یا چند نوع ناپایداری قرار گرفته و رشد این ناپایداری‌ها جت را منحرف می‌کند. در شکل ۱-۶ آشفتگی‌های مربوط به ناپایداری‌های مختلف نشان داده شده است. آشفتگی توسط ناپایداری‌های به مقدار کم ایجاد شده است و توسط عدد موج (S) تعریف می‌شود. حداکثر دامنه آشفتگی رخ داده برای جت توسط تصاویر از نمای بالا نشان داده شده و تصاویر پایین تغییر شکل جت را نمایش داده است. علائم + و- نشان دهنده انحراف مثبت و منفی از حالت شکل بدون آشفتگی را نشان می‌دهد. شکل۱-۶ –(و) تصویر المانی سیلندری از سیال بدون آشفتگی است، شکل (ج)، آشفتگی با عدد موج صفر (ناپایداری تورمی)، شکل (ب) آشفتگی با عدد موج یک (ناپایداری خمشی) و شکل (الف)، آشفتگی با عدد موج دو (ناپایداری انشعابی) را نشان می‌دهد. رشد ناپایداری نوع (ج) منجر به تشکیل ریز قطرات با اندازه‌های یکسان می‌شود و رشد ناپایداری نوع (الف) منجر به تشکیل دو جت با ابعاد یکسان می‌شود. در الکتروریسی رایج‌ترین ناپایداری، ناپایداری خمشی است [۲۱].
شکل۱-۶- آشفتگی‌های مربوط به ناپایداری‌ها الف -آشفتگی با عدد موج دو (ناپایداری انشعابی)، شکل ب- آشفتگی با عدد موج یک (ناپایداری خمشی)، شکل ج - آشفتگی با عدد موج صفر (ناپایداری تورمی)، شکل و -تصویر سیلندری از سیال بدون آشفتگی [۲۱]