۱)اثر میدان الکتریکی و ولتاژ
ولتاژ می ­تواند به عنوان ضروری­ترین پارامتر در الکتروریسی اطلاق شود، زیرا سبب ایجاد جت شده و نیز باعث ایجاد ناپایداری­هایی که جت را کشش می­ دهند، می­ شود. ولتاژ، متوسط شدت میدان الکتریکی در فاصله بین نازل و جمع کننده را مشخص می­ کند. اثر پارامترهای میدان الکتریکی بر روی فرایند الکتروریسی و تشکیل الیاف، متنوع است. در مورد تأثیر افزایش ولتاژ بر روی تغییر قطر الیاف تولیدی نتایج متفاوتی در مطالعات محققان ذکر شده است. به عبارت دیگر افزایش ولتاژ و در نتیجه افزایش میدان الکتریکی، در برخی موارد قطر لیف را کاهش و در موارد دیگر افزایش داده است. کاهش قطر لیف که در نتیجه ولتاژ بالا یا میدان الکتریکی بالا است را می­توان این­گونه توضیح داد که ولتاژ بالاتر، نیروهای الکترواستاتیک بیشتری را به جت القا می­ کند و نیروهای دافع بزرگ­تر تمایل به تشکیل الیاف ظریف­تر دارند. افزایش قطر نیز می ­تواند به آسانی توضیح داده شود، زیرا میدان الکتریکی بزرگ­تر می ­تواند سبب جریان جرمی بیشتری شود که منتهی به تولید الیاف کلفت­تر می­گردد [۲۶،۲۴].
یکی از جدی­ترین مشکلات در کاربردهای الکتروریسی ایجاد دانه تسبیحی‌ها بر روی الیاف است. تشکیل دانه تسبیحی‌ها کارایی محصولات را نامطلوب می­ کند. به طور کلی در ولتاژ بالا تمایل بیشتری به تشکیل دانه تسبیحی‌ها وجود دارد [۲۵،۲۳]. تشکیل دانه تسبیحی‌ها به شدت میدان الکتریکی وابسته است. Kadomae و همکارانش بر روی رابطه بین بارهای الکتریکی بر روی نوک نمونه خارج شده از نازل و تشکیل دانه تسبیحی‌ها، متمرکز شده ­اند. آن­ها به بررسی تشکیل دانه تسبیحی‌ها در الکتروریسی با تغییر در شدت میدان الکتریکی، به وسیله تغییر ولتاژ و TCD پرداخته و اعلام نموده ­اند که تشکیل دانه تسبیحی‌ها به وسیله جریان الکتریکی بالاتر شدت می­یابد [۲۳].
میدان الکتریکی و عوامل مؤثر در آن یعنی ولتاژ و فاصله، مهم‌ترین پارامترهایی هستند که میزان تولید را مشخص می­ کنند. شدیدترین میدان الکتریکی و بنابراین بیشترین ولتاژ و کوتاه­ترین فاصله بیشترین میزان تولید را می­دهد، که به طور عمده مربوط می­ شود به افزایش جریان الکتریکی و فشار الکترواستاتیکی که باعث بیرون کشیدن میزان مایع بیشتری از نازل می­گردد [۲۶].

( 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. )

در حالی که به طور معمول ولتاژ ورودی DC برای الکتروریسی به کار می­رود، اما ممکن است برای الکتروریسی از پتانسیل AC نیز استفاده شود. در شروع حرکت محلول شتابدار، کشیدن و ناپایداری خمشی به دلیل بارهای الکتریکی موجود در محلول است. باردار کردن محلول بسیار سریع است و شروع جریان شتابدار محلول قبل از تغییر تناوب ولتاژ در یک ورودی AC اتفاق می­افتد. وقتی جریان شتابدار محلول به سمت صفحه جمع کننده حرکت می­ کند، قطعه­های منظمی از جریان محلول شامل بارهای مثبت یا منفی روی آن خواهند بود. چون ناپایداری خمشی در نتیجه نیروهای کولمبی دافع در جت محلول است، قطعه­های منظم در جریان شتابدار محلول با ولتاژ مثبت یا ولتاژ منفی نیروهای دافعه را کاهش داده و در نتیجه ناپایداری خمشی جت کاهش می­یابد. چون ناپایداری خمشی کمتر و کشیدگی کمتر در جریان شتابدار محلول وجود دارد، الیاف بدست آمده دارای قطر بیشتری نسبت به الیافی که با ولتاژ ورودی برابر اما از نوع DC تشکیل می­شوند، می­باشند. مزیت دیگر ولتاژ ورودی AC این است که تمایل کمتری برای انباشتگی بارهای الکتریکی مشابه روی لیف بعد از ته­نشینی وجود دارد. بنابراین، یک لایه ضخیم­تر از الیاف الکتروریسی شده، مخصوصاً وقتی صفحه جمع­آوری عایق مورد استفاده قرار می­گیرد، می ­تواند جمع شود [۲۳].
۱-۵-۲-۲-نرخ تغذیه
سرعت خروج مایع از سرنگ یک پارامتر مهم فرایند است که بر سرعت جت اثر می­ گذارد. همچنین ساختار مورفولوژیکی الیاف با تغییر نرخ تغذیه به وضوح تغییر می­ کند [۲۴]. نرخ تغذیه، مقدار محلول مورد استفاده برای الکتروریسی را تعیین می­ کند. اگر هدف داشتن یک مخروط تیلور پایدار باشد، با ولتاژی ثابت، نرخ تغذیه متناسبی وجود دارد [۲۳]. نرخ تغذیه کم زمان کافی را به حلّال برای تبخیر شدن می­دهد. وقتی نرخ تغذیه افزایش می­یابد افزایش متقابلی در قطر لیف و نیز ابعاد اندازه دانه تسبیحی‌ها، بطوری­که در شکل ۱-۱۰ نشان داده شده، به وجود می ­آید. این امر بدیهی به نظر می­رسد، چرا که اولاً حجم بزرگ­تری از محلول از نوک سوزن بیرون کشیده می­ شود، ثانیاً زمان خشک شدن مناسب برای الیاف از ابتدای حرکت تا رسیدن به جمع کننده وجود ندارد [۳۶،۳۵].
شکل ۱-۱۰- افزایش اندازه دانه تسبیحی‌ها در الیاف پلی­کاپریلونیتریل با افزایش نرخ تغذیه در [A] ml/hr 0.5و [B] ml/hr 2[4].
۱-۵-۲-۳-تأثیر جمع کننده
طبیعت جمع کننده‌ها همان­قدر که بر روی مورفولوژی الیاف تأثیرگذار است بر روی جمع شدن الیاف نیز اثر می­ گذارد. به عنوان مثال الیاف جمع شده بر روی کاغذ، سطحی صاف، اندازه­ های بسیار یکنواخت و عیوب بسیار کمی دارند. الیاف جمع شده بر روی آب، اندازه­ های مختلف دارند و به طور متراکم­تری جمع­آوری می­شوند. همچنین، سوراخ­های درون غشای ایجاد شده بر روی ورق آلومینیومی و کاغذ از لحاظ اتصال به یکدیگر در سطح وب، از غشای ایجاد شده بر روی آب بهتر است.
جمع کننده‌های رسانای الکتریکی مانند ورق­های آلومینیومی و آب تمایل به ایجاد لایه­ای محکم با ساختار غشایی ضخیم دارند، در حالی که با یک جمع کننده غیر رسانا مانند کاغذ، یک شبکه­ ای از الیاف با ساختار شل­تر ایجاد می­ شود [۳۷].
الیافی که روی جمع کننده نارسانا جمع می­شوند معمولاً تجمع کمتری در مقایسه با الیافی که روی سطح رسانا جمع می­شوند دارند. این امر به دلیل نیروهای دافع ناشی از بارهای الکتریکی جمع شده بر روی صفحه جمع کننده است. در صفحه جمع کننده رسانا، بارهای الکتریکی از روی الیاف پراکنده می­شوند. بنابراین اجازه داده می­ شود تا الیاف بیشتری به صفحه جمع کننده جذب شوند و در نتیجه الیاف می­توانند نزدیک بهم قرار گیرند [۲۳،۳۷].
۱-۵-۲-۴- فاصله نازل از جمع کننده
فاصله بین نازل و جمع کننده عامل دیگری است که برای کنترل قطر و مورفولوژی الیاف در الکتروریسی بررسی شده است، و مشخص شده که یک فاصله مناسب نیاز است تا به الیاف فرصت کافی داده شود که پیش از آن که به صفحه جمع کننده برسند، خشک شوند [۲۴].
بسته به خواص محلول، تغییرات فاصله در برخی موارد می ­تواند روی مورفولوژی لیف تأثیر داشته باشد و در موارد دیگر اثری نداشته باشد. نتایج گزارش شده برای این موارد مختلف و بعضاً متفاوت است.
در بعضی موارد، تغییر فاصله اثر مشخصی روی قطر لیف نداشته است [۲۳]. در برخی از منابع مطرح شده که هم فاصله خیلی کم و هم فاصله خیلی زیاد سبب افزایش دانه تسبیحی­ها می­ شود [۲۴]. در موارد دیگری بیان شده که تنها با کاهش فاصله، دانه تسبیحی‌ها تمایل به رشد بیشتر دارند [۲۷،۲۳].
ناپایداری خمشی جت سبب نازک­تر شدن الیاف تولیدی می­گردد. در فاصله کم، زمان کافی برای افزایش این ناپایداری وجود ندارد. بنابراین رشد دانه تسبیحی‌ها در اثر کاهش TCD، احتمالاً به دلیل نبود زمان کافی برای پرواز جت است [۲۷].در حالی که دلیل دیگر این­گونه بیان می­ شود که رشد دانه تسبیحی­ها می ­تواند در نتیجه افزایش نیروی میدان الکتریکی بین سوزن و جمع کننده باشد. به هر حال اگر فاصله به قدری باشد که شدت میدان در مقدار بهینه باشد، دانه­تسبیحی­های کمتری تشکیل می­شوند، چرا که میدان الکترواستاتیکی نیروی کشش کافی برای جریان مهیا می­ کند [۲۳]. یکی از جنبه­ های مهم فیزیکی در الکتروریسی که باید به آن توجه شود، خشک شدن نانوالیاف از حلّالی است که پلیمر را در آن حل کرده ­اند [۲۴]. فاصله بزرگ­تر می ­تواند تبخیر حلّال را تسهیل کند، که منجر به ایجاد الیاف نازک­تر می­گردد، اما تبخیر به عوامل دیگری که شامل رطوبت نسبی و فراریت حلّال می­ شود، نیز بستگی دارد [۲۶]. همچنین در فاصله بیشتر محلول پلیمری زمان بیشتری برای کشیده شدن دارد. با وجود این مواردی وجود دارد که در فاصله بیشتر قطر لیف افزایش می­یابد. این عمل در اثر کاهش نیروی میدان الکترواستاتیکی و در نتیجه کمتر کشیده شدن الیاف است [۲۳].
۱-۵-۲-۵-اثرات قطبیت بر الکتروریسی
هنگامی­که مایع پلیمری در نازل بار مثبت پیدا می­ کند، صفحه جمع کننده بار منفی پیدا می­ کند. این روش باردار شدن، باردار شدن معکوس نامیده می­ شود. اصولاً محققان دستگاه الکتروریسی خود را بر این اساس که حلّال پلیمر به طور مستقیم باردار شود، می­سازند. به هر حال، هنگامی­که باردار شدن حلّال به طور غیرمستقیم باشد، تفاوت­های زیادی در فرایند و پارامترهای تولید خواهد داشت.
تغییر قطبیت عامل بسیار مهمی در فرایند الکتروریسی مذاب است. بسیاری از مطالعات الکتروریسی مذاب معمولاً بر اساس باردار شدن مثبت جمع کننده است. این امر به خاطر استفاده از نازل­های معمولی است. در این مورد، باردار شدن مذاب پلیمر سبب آسیب دیدن نازل خواهد شد.
Lyons در پایان نامه دکترای خود بیان نموده که به وسیله تغییر قطب­ها، راندمان تولید مشابهی می­توان بدست آورد، بدون آن که به نازل­ها آسیبی برسد و اگر نوک نازل به زمین متصل شود و صفحه جمع کننده بار مثبت پیدا کند، میدان الکتریکی با شدت یکسان ایجاد خواهد شد [۳۸]. اما در مطالعاتی که توسط Kilic و همکارانش بر روی تأثیر قطبیت در فرایند الکتروریسی انجام شده برای مشاهده اثرات ناشی از تغییر قطب­ها بر روی فرایند، دو دستگاه الکتروریسی یکی با قطب­های مستقیم و دیگری با قطب­های معکوس نصب شده است. در نتایج آزمایشات آن­ها، تفاوت آشکاری بین متوسط زمان تولید در نصب­های (باردار شدن‌های) مستقیم و معکوس مشاهده شده است. زمان الکتروریسی مقدار ml 1/0 از محلول PVA در نصب معکوس، ۶/۱ برابر بیشتر از نصب مستقیم است. به عبارت دیگر، قابلیت تولید نانوالیاف در نصب مستقیم که وضعیت متداول الکتروریسی است به طور قابل ملاحظه­ای بیشتر از قابلیت تولید در دستگاه با قطب­های عکس است. همچنین برای قطبیت مستقیم، محدوده وسیعی از میدان­های الکتریکی از ۸۳/۱ تا kV/cm83/2 برای انجام الکتروریسی و تولید نانوالیاف وجود دارد [۲۵].
۱-۵-۳-عوامل محیطی
به غیر از پارامترهای محلول و فرایند، پارامترهای دیگری نیز وجود دارد که بر فرایند الکتروریسی تأثیر می­ گذارد. این پارامترها، عوامل محیطی شامل رطوبت، دما و غیره می­باشد.
اثر محیط اطراف جت الکتروریسی، زمینه­ای است که تاکنون به طور ضعیف مورد بررسی قرار گرفته است. هرگونه اثر متقابل بین محیط و محلول پلیمری می ­تواند روی مورفولوژی لیف الکتروریسی شده مؤثر باشد. برای مثال مشخص شده که رطوبت بالا موجب تشکیل خلل و فرج­هایی روی سطح لیف می­ شود. نظر به این­که الکتروریسی تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی است، هرگونه تغییری در محیط الکتروریسی نیز بر روی فرایند الکتروریسی تأثیر خواهد داشت [۲۳].
۱-۵-۳-۱-دما
Mit-uppatham و همکارانش به بررسی اثر دما در بازه ۶۰ – ۲۵ درجه سانتی ­گراد بر روی الکتروریسی الیاف پلی آمید-۶ پرداخته­اند و دریافتند که با افزایش درجه حرارت قطر الیاف تولیدی کاهش یافته است. آن­ها این کاهش در قطر را به کاهش ویسکوزیته محلول­های پلیمری در دمای بالاتر نسبت داده­اند، زیرا یک رابطه معکوس بین ویسکوزیته و دما وجود دارد [۳۹].
۱-۵-۳-۲-رطوبت
در رطوبت بسیار پایین حلّال­های فرّار به سرعت می­توانند خشک شوند. گاهی اوقات سرعت تبخیر حلّال نسبت به خروج حلّال از نوک سوزن بسیار بیشتر است که این امر می ­تواند فرایند الکتروریسی را با مشکل مواجه کند. در نتیجه، فرایند الکتروریسی تنها می ­تواند برای چند دقیقه قبل از آن که نوک سوزن مسدود شود، انجام شود [۴۰].
همچنین برخی محققان مطرح کرده ­اند که در صورتی­که رطوبت در محیط الکتروریسی زیاد باشد می ­تواند به تخلیه بار الکتریکی موجود بر روی الیاف الکتروریسی شده کمک کند [۲۳].
رطوبت­های مختلف برای محلول­های پلی­استایرن در حال ریسندگی توسط Casper و همکارانش مورد مطالعه قرار گرفته و نشان داده که در رطوبت کمتر از ۵۰% سطح لیف صاف است، اما با افزایش رطوبت منافذ کوچک دایره­ای شکل بر روی سطح الیاف ظاهر می­ شود، افزایش بیشتر رطوبت منجر به افزایش اندازه این خلل و فرج­ها شده و در نهایت باعث ادغام آن­ها می­گردد [۲۳].
الکتروریسی در رطوبت بالا شبیه به آن است که در شرایط الکتروریسی عادی، آب بر سطح لیف متراکم شده باشد. در نتیجه می ­تواند بر روی مورفولوژی لیف، مخصوصاً پلیمر محلول در حلّال­های فرّار اثر داشته باشد [۲۳].
۱-۵-۳-۳-نوع جوّ
ترکیب هوا در محیط الکتروریسی بر فرایند الکتروریسی تأثیرگذار خواهد بود. گازهای متفاوت رفتارهای متفاوتی تحت میدان الکترواستاتیکی بالا دارند. به عنوان مثال هلیم تحت میدان الکترواستاتیکی بالا تجزیه می­ شود و بنابراین الکتروریسی ممکن نخواهد بود. اگرچه وقتی یک گاز با ولتاژ تجزیه بالاتر مانند فرئون-۱۲ استفاده شود، الیاف بدست آمده قطری دو برابر قطر الیافی را دارند که در هوا و در سایر شرایط یکسان الکتروریسی شده ­اند [۴۰].
۱-۵-۳-۴-فشار
تحت شرایط بسته، این امکان وجود دارد که اثر فشار بر روی جت الکتروریسی را بررسی نمود. به طور کلی کاهش فشار محیط اطراف جت الکتروریسی، فرایند الکتروریسی را بهبود نمی­بخشد. وقتی فشار کمتر از فشار اتمسفر باشد، محلول پلیمری درون سرنگ تمایل بیشتری به جریان یافتن به سمت خارج سوزن خواهد داشت و بنابراین موجب شروع جت ناپایدار می­ شود. در مدت زمانی که فشار کاهش می­یابد، حباب زدن سریع محلول در نوک سوزن رخ خواهد داد. در فشار بسیار کم، الکتروریسی در نتیجه تخلیه مستقیم بارهای الکتریکی، غیرممکن است [۲۳].

۲-۱-مقدمه
حرکت گردبادی جت و بخار شدن حلال پلیمر به طور هم‌زمان باعث می‌شود که الیاف کشیده شوند و در محدوده نانومتر قرار گیرند. در الکتروریسی متداول الیاف به صورت تصادفی بر سطح جمع کننده جمع می‌شوند که علت این امر نیروی دافع الکترواستایک است که بین الیاف وجود دارد و آنها را از هم جدا می‌کند. تلاش‌های متعددی برای موازی قرار دادن الیاف تولیدی در نظر گرفته شده است که از جمع کننده دوار سیلندری و یا میدان الکتریکی استفاده شده است.
۲-۲-جمع کننده سیلندری با سرعت بالا
یکی دیگر از روش­های تولید نانوالیاف آرایش یافته، استفاده از یک سیلندر دوّار به عنوان جمع کننده مانند شکل ۲-۱-الف است.
با بهره گرفتن از جمع کننده سیلندری با سرعت بالای rpm 1000، نانوالیاف در طول محیط سیلندر آرایش می­یابند. Boland و همکارانش (۲۰۰۱) از این روش در بدست آوردن الیاف الکتروریسی شده پلی­گلایکول اسید (PGA) در سرعت دورانی rpm 1000 و Matthews و همکارانش (۲۰۰۲) در تولید الیاف کلاژن نوع ۱ تا سرعت دورانی rpm4500 موفق بوده ­اند. شکل ۲-۱-ب تصویرSEM از نانوالیاف کلاژن نوع ۱ را که با بهره گرفتن از جمع کننده سیلندری در یک جهت آرایش یافته، نشان می­دهد. با این­که الیاف به طور قابل توجهی موازی می­شوند، اما درجه توازی خیلی خوب نیست، بطوری­که در شکل ۲-۱-ب الیاف غیر موازی نیز مشاهده می­ شود [۴۱].
شکل ۲-۱-(الف) نمای شماتیکی از دستگاه الکتروریسی با جمع کننده سیلندری، (ب) تصویرSEM از آرایش یافتگی نانوالیاف کلاژن نوع ۱ با بهره گرفتن از جمع کننده سیلندری [۴۱]