ریسندگی الکتریکی یا ‏Electro spinning‏ چیست؟

ریسندگی ‏: روش ریسندگی به دو زیر شاخه ریسندگی مذاب و ریسندگی الکتریکی تقسیم می‌شود. در روش ریسندگی مذاب از عامل مکانیکی و در روش ریسندگی الکتریکی از عوامل الکتریکی و مکانیکی استفاده می‌کنند.

ریسندگی الکتریکی : ریسندگی الکتریکی ‏(‏ES‏) روشی برای تولید نانو الیاف از طریق اعمال میدان الکتریکی بر یک جت سیال پاشیده شده است. امروزه نانوالیاف پلیمری به دلیل کاربردهای فراوان بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. این مواد دارای خواص مکانیکی، الکتریکی و بیولوژیکی بهبود یافته می‌باشند که می‌توان آن را متأثر از مساحت سطحی بالا و بهبود ساختار الیاف دانست.

از جمله کاربردهای مختلف نانو الیاف می‌توان به کاربرد آنها در زمینه‌های فیلترهای غشایی، لباس‌های محافظ، تجهیزات الکترونیکی و نوری، کاربردهای بیوپزشکی و کامپوزیت‌های تقویت شده اشاره کرد.

نانوالیاف پلیمری به دلیل کاربردهای فراوان و ویژگی‌های خاصی که در این ابعاد پیدا می‌کنند مورد توجه صنایع مختلف قرار گرتفه‌اند. از جمله این کاربردها می‌توان کاربردهای پزشکی و تصفیه را نام برد. از این رو تولید نانو الیاف پلیمری با استفاده از یک روش نسبتاً ساده اما کارآمد، بسیار مفید خواهد بود.

تشکیل نانوالیاف پلیمری از جت یک سیال در یک میدان الکتریکی را فرآیند ‏‏Electro spinning می‌نامند. این فرآیند اولین بار در سال ۱۹۳۰ میلادی برای تولید نانوالیاف پلیمری بکار گرفته شد. الیاف تولید شده در آن زمان به دلیل مقدار کم تولید، جهت‌گیری ناموزون، خواص مکانیکی پایین و توزیع متفاوت قطر الیاف به دست آمده، مورد توجه زیادی قرار نگرفت. ‏

محلول یا مذاب پلیمری پاشیده شده از یک جت با قطر در محدوده میلی‌متر در اثر ولتاژ بالای اعمال شده حاوی بار سطحی می‌گردد. سپس این سیال باردار،‌ در اثر عبور از میدان الکتریکی در حدود‎ ۱-۳KV/cm‎‏ تحت تأثیر قرار گرفته و تجمع بار بر روی سطح جت باعث می‌شود که نیروهای دافعه الکترو استاتیکی بر نیروهای کشش سطحی غلبه کند.

اثر این نیرو، بسته به شرایط سیستم باعث تخریب، خمش، چرخش و کشیدگی الیاف شده و اجتماع این پدیده‌ها یا تک‌تک آنها باعث تبدیل یک جت سیال با قطر میلی‌متری به یک یا چندین جت سیال با قطر در محدوده نانومتری می‌شود. کنترل خواص الیاف نیازمند شناخت دقیق فرآیند خروج سیال از یک منفذ میلی‌متری و تبدیل آن به رشته‌های پلیمری است که قطر آنها در حد نانومتری می‌باشند. ساختار جت خروجی از نازل نیز به شکل مخروط معروف تیلور می‌باشد.

کاربردهای ریسندگی الکتریکی یا ‏Electro spinning‏

یکی از کاربردهای این روش که مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است دست‌یابی به حفاظت آیروسلی منسوجات است که برای انجام این کار از روکش دادن این منسوجات توسط الیاف بسیار‏ نازک (در حد نانو) با فرآیند ‏‏Electro spinning استفاده می‌گردد. از این فرآیند در فیلتراسیون آیروسلی نیز استفاده شده که ضخامت نانوالیاف کشیده شده بر روی سطح خلل و فرج فیلترهای معمولی یا پارچه‌ها تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر کیفیت عمل فیلتراسیون دارد.

در این روش افزایش مساحت سطحی به همراه انعطاف‌پذیری و مقاومت جهت‌دار بسیار بالا، باعث توسعه کاربرد این نانوالیاف در محدوده وسیعی از صنایع از البسه گرفته تا تقویت‌کننده‌ها در ساختارهای هوافضایی را شامل می‌شود. همچنین از این نانو الیاف برای تولید کامپوزیت‌ها استفاده شده و موجب شده است که آنها دارای استحکام بالایی باشند. از این مواد در تولید حسگرها نیز استفاده شده است.

کاربرد دیگر نانوالیاف در مهندسی نساجی برای تولید پلیمرهای زیست سازگار می‌باشد . ‏Ortiz‏ و همکارانش یک روش ساده برای تولید الکترودهای فلزی با فاصله میکرونی را بیان کردند که در این روش در عرض چند دقیقه، با استفاده از یک دستگاه مولد ولتاژ بالا و یک تبخیر کننده حرارتی، این الکترودها تولید می‌شوند. در یک تحقیق انجام گرفته توسط ماتسوموتو و همکارانش از فرآیند ‏‏Electro spinning برای تولید الیاف مبادله کننده یونی استفاده شد.

این فرآیند کاربردهای دیگری در زمینه سیستم‌های رهایش دارو جهت ایجاد شرایط لازم برای رسانش دارو به هدف در زمان مناسب،‌ به مقدار لازم و به صورت رهایش کنترل شده در محل مورد نظر را داشته است. در یک کار تحقیقاتی انجام گرفته در دانشگاه ‏Yale‏ توسط ‏Gomez‏ و همکارانش از این فرآیند برای تولید نانوذرات پروتئین استفاده کردند. حلال بکار گرفته شده در این سیستم محلول اتانول- آب بود و ذرات تولیدی در حد نانومتر بودند.

از دیگر کاربردهای این فرآیند پوشش دادن ساختارهای نانو – میکروی هیبریدی آلی- معدنی بر روی هدف عایق شده می‌باشد که توسط ‏Matsumoto‏ و همکارانش انجام گرفت و الیافی با قطر تقریبی ۶۰۰‏nm‏ به دست آمد.

‏Radriguez‏ و همکارانش نیز یک کاربرد دیگر از فرآیند ‏‏Electro spinning را برای تولید الیاف نانو و میکرو با استفاده از مخلوط پلیمر و ذرات گرافیت ارائه کردند. همچنین در یک روش ارایه شده توسط ‏Gupta‏ و همکارانش از ریسندگی الکتریکی همزمان دو محلول پلیمری برای تولید نانوالیاف دو جزیی استفاده شده است.

انواع ریسندگی الکتریکی یا ‏Electro spinning‏

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 ۴ روش متداول برای ‏ES‏ وجود دارد که در زیر آورده شده است:

۱- 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 الکتریکی تر می‌نامند.

۲- ریسندگی خشک ‏
دومین روش ریسندگی الکتریکی ریسندگی خشک است. 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.

۳- 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.

در روش ریسندگی الکتریکی 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.‏

۴- 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.