آشنایی با الکتروریسی، کاربرد و اساس کار آن

الکتروریسی که هم نوعانمان در آن سوی آب ها از آن تحت عنوان Electrospinning یاد می کنند، یکی از کاربردی ترین تکنیک هایی است که به احتمال قریب به یقین نامش را شنیده اید. استفاده از این تکنیک پر آوازه در تولید نانو الیاف از پلیمرهای طبیعی و غیر طبیعی یا اصطلاحا مصنوعی بسیار مرسوم می باشد. اگر تصور می کنید که این تکنیک تنها مختص آزمایش های تحقیقاتی است و کاربردی در دنیای خارج از آزمایشگاه ندارد، سخت در اشتباهید.

امروزه الکتروریسی به یک روش صنعتی تبدیل شده که به طور گسترده در راستای تولید برخی پلیمرهای ویژه مورد استفاده قرار می گیرد. لازم به ذکر است که وجود دستگاه الکتروریسی برای تولید این پلیمرها الزامی می باشد. در غیر این صورت خبری از نانو الیاف و این چیزها نخواهد بود. نداشتن دستگاه الکتروریسی برای ساخت نانو الیاف درست مانند این است که یک بستنی فروشی بزرگ تاسیس کنید، اما دستگاه بستنی ساز نداشته باشید. همین قدر خنده دار!

این چند خط مقدمه را گفتیم تا موضوع بحث دستتان بیاید و روی غلتک بیفتید. هم اکنون صدای بنده را از روی غلتک می شنوید. اگر شما هم روی غلتکید؛ مابقی مقاله را از دست ندهید که تازه اصل ماجرا از این پس شروع می شود!

الکتروریسی چیست؟!

آنان که از الیاف و نانو الیاف و اصطلاحاتی از این قبیل کم و بیش سر در می آورند، به خوبی می دانند که برای ساخت الیاف با ویژگی های متعدد، راهکارهای متنوعی پیش پای سازندگان قرار دارد. در این میان تنها روشی که می تواند الیافی با طول زیاد و قطر بسیار ناچیز تولید نموده و در اختیار مصرف کنندگان قرار دهد، الکتروریسی است. روش الکتروریسی خود به انواع گوناگونی تقسیم بندی می شود که از جمله مهم ترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• کلاسیک
• حبابی
• مذاب
• چند نازله
• دو جزئی
• بدون سوزن
• …

خُب حالا برویم سراغ اصل مطلب و معرفی این روش همه چیز تمام!

اگر بخواهیم خیلی ساده و صریح درباره چیستی الکتروریسی صحبت کنیم، چنین می گوییم:

الکتروریسی تکنیکی همه کاره و بادوام است که در راستای تولید نانو الیاف ها یا به اصطلاح خودمانی تر، الیاف های بسیار نازک مورد استفاده قرار می گیرد. شاید برایتان جالب باشد بدانید که قطر الیاف های تولید شده به این روش کمتر از چند نانومتر است. قضیه الکتروریسی به حدی جدی و حیاتی است که یک شاخه مهندسی به نام مهندسی نانو الیاف الکتروریسی شده، در نظر گرفته اند تا علاقه مندان در این زمینه به تحصیل بپردازند. پس اگر شنیدید فلانی مهندس نانو الیاف الکتروریسی شده است، چشم هایتان را از تعجب گرد نکنید که ممکن است با واکنش ناگهانی و تند طرف رو به رو شوید!

تا به این لحظه که شما در حال خواندن این مقاله هستید، هیچ روش کارآمدی روی دست الکتروریسی بلند نشده و این روش، تنها روش به دردبخور برای تولید الیاف پیوسته با قطر بسیار ناچیز است. اگر یک دستگاه الکتروریسی در اختیار داشته باشید؛ علاوه بر تولید نانو الیاف ها می توانید الیاف هایی با ساختار پیچیده تر تولید کنید. مثلا الیاف هسته- پوسته، متخلخل یا حتی الیاف تو خالی. با وجود این دستگاه پرکاربرد، تولید الیاف تصادفی و موازی نیز کاری بس ساده و بی دردسر خواهد بود.

گستردگی دامنه کاربردهای الکتروریسی آن را به گزینه اول و آخر بسیاری از صنایع کوچک و بزرگ تبدیل نموده است. این موضوع موجبات رواج استفاده از این روش در حوزه های زیر را فراهم ساخته است:

• سنسورها
• کاتالیست ها
• فیلتراسیون
• پزشکی
• …

کاربرد الکتروریسی

اگر داغ ترین اخبار روزِ دنیا را دنبال کنید، بی شک در جریان کاربرد فوق العاده چشمگیر نانو الیاف ها در حوزه های گوناگون هستید. نانو الیاف ها یکی از مهم ترین و پرکاربردترین محصولات فناوری نانو به شمار می آیند که به طور قابل توجهی از سوی صنایع گوناگون مورد استفاده قرار می گیرند. حتما می پرسید چه صنایعی؟!

از مهندسی بافت گرفته تا حوزه های دارویی، از صنایع نساجی و رنگ و پوشش گرفته تا صنایع شیمیایی و فناوری اطلاعات و ارتباطات، محیط زیست، تولید و ذخیره انرژی، حوزه های مرتبط با زیست فناوری کشاورزی، بهینه سازی مصرف انرژی پیل های خورشیدی و…! خلاصه این که الکتروریسی از طریق نانو الیاف ها گام به دنیای بی انتهایی گذاشته و برای خودش اسم و رسمی دست و پا کرده است.

صاحبان صنایع می توانند از طریق روش هایی همچون کشش، تولید از قالب، خودآرایی و جدایش فازی نیز به تولید نانو الیاف ها روی بیاورند. اما از آن جا که الکتروریسی روشی ساده و در عین حال مقرون به صرفه برای تولید الیاف نازک و پیوسته از محلول پلیمری است، همواره از سوی فعالان این حوزه برگزیده می شود.نیروی محرکه استفاده شده توسط این روش برای ساخت نانو الیاف ها از نوع الکترواستاتیکی است. لازم به ذکر است که این تکنیک کارآمد قابلیت صنعتی شدن و تکرار پذیری داشته و کنترل ابعاد الیاف را امکان پذیر می سازد. این در حالی است که سایر روش های تولید نانو الیاف امکان صنعتی شدن ندارند و از ویژگی کنترل ابعاد الیاف پشتیبانی نمی کنند.

خودتان و وجدانتان؛ شما جای صاحبان صنایع باشید؛ روش الکتروریسی با این همه مزیت را ول می کنید، یقه روش کشش یا خودآرایی را دو دستی بچسبید؟!

اساس کار روش الکتروریسی

تا یادمان نرفته، بگوییم که روش الکتروریسی دو اسمه است. اگر جایی نام فرآیند برق ریسی به گوشتان خورد، بدانید منظور همان الکتروریسی خودمان است که تلاش کرده زبان فارسی را پاس بدارد!

در تولید نانو الیاف ها با به کارگیری تکنیک الکتروریسی، هم مذاب و هم محلول پلیمر مورد نظر قابل استفاده اند. در این روش یک منبع تغذیه ولتاژ بالا را جهت تولید بار الکتریکی در مذاب یا محلول پلیمر تعبیه می نمایند. یکی از الکترودهای این منبع به محلول پلیمری و الکترود دیگر به ارث یا به جمع کننده رسانا وصل می شود. هنگامی که مذاب یا محلول در داخل لوله موئینه به حرکت در می آیند، سیال موجود تحت تاثیر میدان الکتریکی ایجاد شده از منبع تغذیه باردار شده و از نوک لوله موئینه به طرف جمع کننده متصل به زمین به حرکت در می آید.

در اثر این حرکت، حلال موجود در ساختار سیال به بخار تبدیل شده و از این طریق رشته هایی که قطر آن ها کمتر از چند میکرون است، بر روی جمع کننده پدید می آیند. اندرکنش نیروهای الکتریکی به همراه نیروی ویسکوالاستیک، کشش سطحی و بار سطحی جریان سیال زمینه حرکت مارپیچ سیال باردار القا شده را فراهم می سازند. بر اثر این حرکت مارپیچی، نانو الیاف ها به شکل لایه به هم پیوسته یا بی بافت ایجاد می شوند.

کاربرد نانو الیاف حاصل از الکتروریسی

نانو الیاف های حاصل از فرآیند الکتروریسی را به وفور در حوزه های مربوط به پزشکی، دارویی و بهداشتی نظیر پوشش های زخم، سامانه های کنترل شده رهش، فیلترهای پزشکی، تجهیزات و ایمپلنت های پزشکی، ماسک های بهداشتی، ابر جاذب ها و… مورد استفاده قرار می دهند. سایر کاربردهای نانو الیاف ها در حوزه های گوناگون به قرار زیرند:

• حوزه زیست فناوری و محیط زیست؛ کاربردهایی نظیر تصفیه آب و پساب، حذف فلزات سنگین، فیلتراسیون، حسگرهای زیستی و شیمیایی و…
• حوزه صنعتی، دفاعی و امنیتی؛ کاربردهایی نظیر نانو الیاف های کربن، کامپوزیت های تقویت شده با لایه های نانو الیاف، پوشش های محافظ در مقابل عوامل شیمیایی و بیولوژیکی و…
• حوزه تولید و ذخیره سازی انرژی؛ کاربردهایی نظیر پیل های خورشیدی و سوختی، باتری های پلیمری، ابر خازن ها و…

یکی از اصلی ترین مشکلاتی که روش الکتروریسی با آن دست و پنجه نرم می کند، پایین بودن میزان تولید نانو الیاف هاست که البته با تدابیر اندیشیده شده، تا حدودی رفع شده است. علاوه بر این، از طریق روش مذکور نمی توانید الیاف پیوسته تک رشته تولید کنید. با این حال برق ریسی هنوز هم تکنیکی است که اکثر قریب به اتفاق صاحبان صنایع برای ساخت نانو الیاف های کاربردی سراغش می روند!

روش الکتروریسی: اصول، پارامترهای کلیدی و کاربردهای نانوالیاف در صنایع پزشکی

روش الکتروریسی از میدان الکتریکی جهت تولید الیاف با قطر در محدوده نانو تا چند میکرون استفاده می‌کند. این روش به فرآیندی رایج در میان روش‌های تولید نانوالیاف تبدیل شده است. علت را می‌توان در  سادگی، سرعت، کارایی بالا و آماده سازی ارزان آن جستجو کرد. ولتاژ اعمالی به یک قطره از محلول پلیمری شکلی مخروطی را به وجود آورده و به سمت الکترود مخالف کشیده می‌شود. در الکتروریسی زاویه مخروط در حدود ۳۰ درجه است. در حرکت به سمت الکترود مخالف، حلال تبخیر شده و الیاف جامد با قطرهایی در محدوده میکرومتر تا نانومتر با سرعت بالا (۴۰ میلی/ثانیه یا بیشتر) بر الکترود مخالف قرار می‌گیرد. با نگاهی عمیق تر به فرآیند الکتروریسی می‌توان به این نتیجه رسید که این فرآیند برخلاف ظاهر ساده‌ی آن، بسیار پیچیده است. چرا که پارامترهای تاثیرگذار روی محصول نهایی بسیار زیاد است. از جمله می‌توان به پارامترهای دستگاه الکتروریسی اشاره کرد.

پارامترهای تاثیرگذار دستگاه می‌توان به: ولتاژ- فاصله نوک سوزن تا جمع کننده- نرخ تغذیه- دما و رطوبت محیط اشاره کرد. هریک از این پارامترها به نحوی در قطر و میزان تولید نانوالیاف اثرگذار هستند. به عنوان مثال با افزایش فاصله الیافی با قطر باریک‌تر تولید می‌شود. افزایش نرخ تغذیه (میزان خروج محلول در ساعت) باعث افزایش در قطر نانوالیاف می‌شود. ولتاژ پارامتری است که به دیگر پارامترها نیز وابسته است و حد آستانه‌ای دارد. اگر از آن حد استانه کمتر یا بیشتر شود اختلال در تولید الیاف ایجاد می‌شود. عوامل محیطی همچون دما و رطوبت نیز در سرعت تبخیر حلال و پلیمر اثرگذار است و متناسب با مواد مورد استفاده در محلول باید تنظیم شود.

برخی از کاربردهای مهم نانوالیاف حاصل از فرایندهای الکتروریسی در زمینه پزشکی به موارد زیر اشاره می گردد:

• مهندسی بافت
• پوشش‌های زخم
• سامانه‌های کنترل‌شده رهایش دارو
• فیلترهای پزشکی
• تجهیزات و ایمپلنت‌های پزشکی
• ماسک‌های بهداشتی
• اَبرجاذب‌ها