الکتروریسی فرآیندی جهت تولید انواع نانوالیاف و میکروالیاف از محلول‌های
مواد پلیمری، سرامیکی و یا محلول‌های کامپوزیتی متشکل از پلیمر- نانوذرات و
همچنین مذاب‌های مواد مذکور میباشد. این ایده را اولین بار زلنی(zeleny)
مطرح، سپس در سال ۱۹۳۴ فرماهالز آن را ثبت و در سال ۱۹۹۰ دکتر رنکر
(Reneker) آن را بازسازی کرد. در روش الکتروریسی هم از مذاب و هم از محلول
پلیمری می‌توان استفاده کرد. الکتروریسی را ریسندگی الکترواستاتیکی و یا
برق‌ریسی نیز نامیدهاند. این روش برای تولید نانوذرات از طریق فرایند
الکترواسپری نیز کاربرد دارد.
در
روش الکتروریسی از یک منبع تغذیه ولتاژ بالا جهت تولید بار الکتریکی در
جریان محلول یا مذاب پلیمری استفاده میشود. به‌منظور تولید نانوالیاف، یکی
از الکترودهای منبع تغذیه ولتاژ بالا به محلول پلیمری و الکترود دیگر به
زمین و یا به جمع‌کننده رسانا متصل می‌گردد. با عبور محلول از درون لوله
موئینه، در اثر میدان الکتریکی حاصل از منبع تغذیه ولتاژ بالا مابین نوک
لوله موئینه و جمع‌کننده متصل به زمین، سیال باردار شده و از نوک لوله
موئینه به سمت جمع‌کننده کشیده میشود.
در
اثر حرکت سیال، حلال تبخیر شده و رشتههایی با قطر زیر میکرون بر روی
جمع‌کننده تولید می گردد. در اثر اندرکنش نیروهای الکتریکی، بار سطحی
جریان سیال، نیروی ویسکوالاستیک و نیز کشش سطحی، حرکت مارپیچی به سیال
باردار القاء شده و بر اثر آن نانوالیاف تولیدی به‌صورت لایه به‌هم پیوسته
یا بیبافت تولید میگردند.یک از روشهای الکتروریسی استفاده از چرخ‌های
جمع‌کننده دوار است که یک لبه نوک تیز در محیط آن وجود دارد.
شکل
جمع‌کننده باعث میشود تا یک میدان قوی در نزدیکی لبه چرخ متمرکز شود. این
باعث میشود که جریان خروجی دقیقاً روی لبه‌های جمع‌کننده متمرکز گردد.
سرعت خطی در لبه بیرونی چرخ جمع‌کننده m/s 22 است (سرعت خطی در هر نقطه از
یک دایره دوار برابر حاصل ضرب سرعت دورانی چرخ در فاصله آن نقطه با مرکز
دایره است). نانوالیاف پلیمری الکتروریسی شده با قطر میکرونی با این روش به
دست می‌آیند.
در
روش دیگر از دو صفحه جمع‌کننده استفاده میشود که بین آنها یک شکاف قرار
دارد. برهمکنش بین میدان الکتریکی در اطراف جمع‌کننده‌ها و
بارالکترواستاتیکی الیاف باعث اعمال کشش به الیاف نانو در بالای شکاف
میشود.
بین دو قسمت جمع‌کننده نیروهای دافعه‌ای وجود دارد که باعث کشیدن شدن نانوالیاف میشود و آنها در در یک جهت خاص مرتب می‌کند. پارامترهای مؤثر بر ریزساختار نانوالیاف تولیدی در فرآیندهای الکتروریسی بسیار متنوع بوده و از این‌رو تولید نانوالیاف به‌وسیله این روش نیازمند آگاهی از فرایندهای الکتروهیدرودینامیکی سیالات پلیمری، ریولوژی محلول‌های پلیمری و نیز علوم الیاف میباشد.
در این میان پارامترهای مؤثر بر ریزساختار نانوالیاف تولید شده از طریق فرآیندهای الکتروریسی به سه دسته کلی شامل پارامترهای فرآیندی، پارامترهای عملیاتی و پارامترهای محیطی تقسیم میگردند.
نوع
میدان الکترواستاتیک، قدرت میدان، نوع پلیمر، نوع حلال و یا ترکیب
حلال‌های به‌کار رفته، دمای مذاب پلیمری، هدایت الکتریکی محلول، جرم
مولکولی و توزیع جرم مولکولی پلیمر، افزودنیها، ویسکوزیته سیال، کشش سطحی،
ویسکوالاستیسیته پلیمر، فاصله الکتروریسی، نوع و جنس جمع‌کننده، نسبت طول
به قطر موئینه، اتمسفر محیط و نیز حضور رطوبت از جمله پارامترهای مؤثر بر
تولید نانوالیاف در فرآیندهای الکتروریسی میباشند.
در
دهه‌های گذشته مشکلات ناشی از ماهیت فرآیندهای الکتروریسی سبب شده بود که
تجاری‌سازی نانوالیاف و ساخت دستگاههای صنعتی الکتروریسی برای سالیان
متمادی غیرممکن گردد. این در حالی است که در چند سال اخیر چندین شرکت
آمریکایی و اروپایی موفق شده‌اند با به‌کارگیری تمهیداتی بر این مشکل فائق
آیند.
به‌طورکلی
نانوالیاف تولید شده از طریق فرآیندهای الکتروریسی از کاربردهای بسیار
زیادی در صنایع و حوزه‌های مختلف برخوردار میباشند. در این ارتباط می‌توان
به برخی از کاربردهای مهم نانوالیاف حاصل از فرآیندهای الکتروریسی به
ترتیب زیر اشاره نمود:
پزشکی، دارویی و بهداشتی
مهندسی بافت
پوشش‌های زخم
سامانه‌های کنترل‌شده رهش
فیلترهای پزشکی
تجهیزات و ایمپلنت‌های پزشکی
ماسک‌های بهداشتی
اَبرجاذب‌ها
تولید و ذخیره‌سازی انرژی
پیل‌های خورشیدی
پیل‌های سوختی
ذخیره‌سازی هیدروژن
باتری‌های پلیمری
اَبرخازن‌ها
زیست‌فناوری و محیط زیست
حسگرهای زیستی و شیمیایی
تصفیه آب و پساب
حذف فلزات سنگین
غشاءهای تبادل یونی
فیلتراسیون
جاذب‌های صوت
صنعتی، دفاعی و امنیتی
پوشش‌های محافظ در برابر عوامل شیمیایی، بیولوژیکی و الکترومغناطیسی
کامپوزیت‌های تقویت‌شده با لایه‌های نانوالیاف
نانوالیاف کربن
نسل جدید فیلترها برای مایعات و گازها
Composites
Ultra-fine electrospun fibers show clear potential for the manufacture of long fiber composite materials.
Application
is limited by difficulties in making sufficient quantities of fiber to
make substantial large scale articles in a reasonable time scale. For
this reason medical applications requiring relatively small amounts of
fiber are a popular area of application for electrospun fiber reinforced
materials.
Electrospinning
is being investigated as a source of cost-effective, easy to
manufacture wound dressings, medical implants, and scaffolds for the
production of artificial human tissues. These scaffolds fulfill a
similar purpose as the extracellular matrix in natural tissue.
Biodegradable polymers, such as polycaprolactone, are typically used for
this purpose. These fibers may then be coated with collagen to promote
cell attachment, although collagen has successfully been spun directly
into membranes.
SEM image of the fracture surface of a polyvinyl alcohol long fiber – epoxy matrix composite – the section thickness is about 12 micrometers