بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش با الهام از ساختار لیفی ماهیچههای طبیعی محرک نانولیفی پلی یورتان/پلی پیرول تولید گردید. در ابتدا نانوالیاف پلی یورتان با استفاده از روش الکتروریسی تولید و سپس با استفاده از روش سنتز الکتروشیمیایی پلیمر پلی پیرول روی سطح نانوالیاف سنتز شد. مورفولوژی سطحی، خواص مکانیکی و خواص تحریک الکتریکی نانوالیاف تولیدی موردبررسی قرار گرفت. قطر میانگین نانوالیاف پلی یورتان تولید شده 221 نانومتر به دست آمد و نتایج بررسی خواص مکانیکی، نشان دهنده استحکام 10/7 مگاپاسکال و ازدیاد طول 194 درصدی برای لایه نانولیفی تولیدی بود. همچنین بررسی تحریک خمشی لایه نانولیفی تولیدی جابجایی خمشی قابل قبولی را نشان داد. نتایج این کار نشان داد که ساختار نانولیفی پلی یورتان/پلی پیرول به دلیل سطح مخصوص و تخلخل بالا و همچنین شباهت با ماهیچههای طبیعی، گزینهی بسیار مناسبی جهت استفاده بهعنوان ماهیچه مصنوعی در کاربردهای مختلف میباشد.
کلید واژه: الکتروریسی، پلیمر رسانا، پلی پیرول، ماهیچه مصنوعی، نانوالیاف.
-1 مقدمه
با پیشرفت سریع در حوزه مواد مورد استفاده در علوم و تکنولوژی، مواد هوشمندی که قادر به تشخیص تغییرات در محیط، پردازش اطلاعات و ارائه پاسخ بر اساس آن باشند توسعه یافتهاند. در دهههای اخیر، پلیمرهایی که نسبت به یک تحریک خارجی با تغییرات شکل و اندازه خود پاسخ نشان میدهند به طور وسیعی مورد مطالعه قرار گرفتهاند.[1] پلیمرهای فعال الکتریکی، پلیمرهایی هستند که نسبت به یک تحریک الکتریکی عکسالعمل مکانیکی از خود نشان میدهند. رفتار الکترومکانیکی این مواد که بهصورت کرنش هنگام قرارگیری در معرض تحریک الکتریکی است، آنها را به محرکهای بشر ساختهای تبدیل کرده است که دارای رفتاری بسیار شبیه به ماهیچههای طبیعی میباشند و ازاینرو این مواد بهعنوان ماهیچههای مصنوعی شناخته میشوند.[2]
در سالهای اخیر، تلاشها در زمینه استفاده از محرکهای پلیمری به خصوص در حوزه پزشکی گسترش یافته است. بهعنوان مثال میتوان به کاتترهای هدایت شدنی، میکرو پمپها و دریچهها، پیوند دهندههای رگهای خونی - میکرو آناستوموز - و میکرو دریچه هایی برای حل مشکل بی اختیاری ادرار اشاره کرد.[3]از مهمترین پلیمرهای فعال الکتریکی پلیمرهای رسانا میباشند. پلیمرهای رسانا که فلزات مصنوعی نیز نامیده میشوند، هم خواص الکتریکی فلزات و هم خواص مطلوب پلیمرها - سبکوزنی، فرآیند پذیری بهتر، مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی و همچنین قیمت ارزان - را دارا میباشند و از این رو در بسیاری از حوزهها کاربرد پیدا کردهاند که تنها یکی از آنها محرکها است.
این کاربردها شامل دیودهای ساطع کننده نور، سلولهای خورشیدی، حسگرهای شیمیایی، رهایش دارو، کاربردهای الکتروکرومیک، کاغذ الکترونیک، تماس الکتریکی بین سلولهای عصبی، وسایل ذخیره سازی بار الکتریکی و ... میباشد.[5 ,4] از مهم ترین پلیمرهای رسانای ذاتی می توان به پلی پیرول - PPY - ، پلی آنیلین - PANI - ، پلی تیوفن - PTh - ، پلی - پارا-فنیلن - - PPP - ، پلی - فنیلن وینیلن - - PPV - ، پلی فوران - PF - و ... اشاره کرد.[6]در سالهای اخیر تولید محرکهای پلیمر رسانای لیفی توسط محققین مختلفی موردبررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیقات نشان میدهد که مواد لیفی میتوانند بهعنوان گزینه خوبی به منظور تقویت عملکرد محرکهای پلیمرهای رسانا به کار روند.[7]
به طور کلی زمان پاسخ فرآیند انبساط/انقباض محرکهای لیفی به فرآیند پیچیده نفوذ یونها و حلال وابسته است.[8] نسبت سطح به حجم الیاف نیز روی زمان پاسخ مؤثر است. از این رو است که در سالهای اخیر استفاده از نانوالیاف تولیدشده از پلیمرهای فعال جهت کاربرد در زمینه محرکها مورد توجه زیادی قرار گرفته است. این علاقه مندی از این جهت است که ساختارهای نانولیفی از جهت نفوذپذیری و همچنین دارا بودن سطح مخصوص بسیار بالا، به یونها و حلال اجازه دسترسی به سطح بیشتری را میدهد و زمان پاسخ را بهبود میبخشد. همچنین با در نظر گرفتن ساختار ماهیچههای طبیعی، شکل کشیده شدهی نانوالیاف شباهت زیادی به بافتهای عضلانی و تاندونها دارد.[9-11]
با استفاده از این روش پلیمریزاسیون درجا محرکهای نانولیفی پلی آنیلین و پلی اتیلن دی اکسی تیوفن - PEDOT - تولیدشده است. با وجود تحقیقات زیاد بر روی پلیمرهای پلی آنیلین و پلی اتیلن دی اکسی تیوفن، بیشترین توجه در زمینه محرکهای پلیمر رسانا به پلیمر پلی پیرول اختصاص دارد. این اهمیت به دلیل ویژگیهای مطلوب پلی پیرول از جمله زیست سازگاری، نرخ کرنش مناسب، تولید آسان و دارا بودن خاصیت الکتروفعال بین pH های 4 تا 11 - مناسب بدن - و غیره میباشد اما تاکنون پژوهشی روی ساختارهای نانولیفی این محرک گزارش نشده است. در این کار پس از الکتروریسی نانوالیاف پلی یورتان، سطح نانوالیاف تولیدی با استفاده از پوشش طلا رسانا شده و سپس پلیمررسانای پلی پیرول با استفاده از روش پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی روی سطح آن پلیمریزه گردید. بدین ترتیب برای نخستین بار ماهیچه مصنوعی نانولیفی بر پایه پلیمر رسانای پلی پیرول به این روش تولید گردید و خواص مکانیکی و تحریک الکتریکی آن موردبررسی قرار گرفت.
-2 تجربیات
جهت تولید نانوالیاف از پلیمر پلی یورتان - Elasthane 55D - و حلال - DMF خریداری شده از شرکت - Merck استفاده گردید. مونومر پیرول با خلوص 99 درصد - خریداری شده از شرکت - Merck قبل از استفاده جهت خالص سازی دو بار تقطیر گردید. همچنین حلال استونیتریل و نمک لیتیم پرکلرات به ترتیب از شرکت های Merck و Sigma-Aldrich خریداری شد.جهت الکتروریسی پلی یورتان خالص از حلال DMF استفاده شده و محلول پلیمری با غلظتهای مختلف ساخته شد. بدین منظور پس از حل نمودن پلیمر مذکور در حلال با غلظتهای مختلف محلول به مدت 12 ساعت در دمای 50 درجه سانتیگراد روی همزن مغناطیسی با دور 300 rpm قرار داده شد تا یک محلول همگن به دست آید. جهت تولید نانوالیاف از دستگاه الکتروریسی استفاده شد که متشکل از جمع کننده ، پمپ سرنگ و منبع تغذیه ولتاژ بالا میباشد.
جهت تولید نانوالیاف تولیدی از ولتاژ 14 kV و همچنین فاصله نازل تا جمع کننده 25 cm استفاده گردید. نرخ تغذیه نیز در تولید نمونه ها 0/3 ml/h انتخاب گردید. جهت بررسی مورفولوژی نانوالیاف تهیهشده از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - استفاده شده و قطر میانگین توسط اندازهگیری 100 نانولیف انتخابشده از نقاط مختلف تصاویر به دست آمد. برای اندازه گیری خواص کششی لایه های نانولیفیاز دستگاه زوئیک - Zwick - مدل 1446 و حسگر 20 نیوتنی برای فک بالایی استفاده شد و سرعت حرکت فک ها 10 mm/min انتخاب گردید.پس از تولید لایه نانوالیاف پلی یورتان و قبل از پلیمریزاسیون الکتروشیمیایی پلی پیرول، سطح نانوالیاف تولید توسط فرآیند پوشش طلا رسانا گردید. جهت سنتز الکتروشیمیایی پلی پیرول روی سطح نانوالیاف از محلول 0/2 مولار پیرول و 0/1 مولار لیتیم پرکلرات در استونیتریل حاوی 2 درصد آب استفاده شد.
لایه نانوالیاف با طول و عرض به ترتیب 20 و 5 میلی متر بهعنوان الکترود کار مورد استفاده قرار گرفت. همچنین از دو صفحه استیل ضد زنگ در دو طرف الکترود کار بهعنوان الکترود کمکی یا مخالف استفاده شد. الکترود Ag/AgCl نیز بهعنوان الکترود مرجع به کار گرفته شد. لایه پلی پیرول با استفاده از اعمال امواج مربعی پتانسیل -0/3 به مدت 2 ثانیه و 0/87 به مدت 8 ثانیه سنتز گردید . در نهایت جهت تولید محرک خمشی لایه های نانولیفی پلی یورتان/پلی پیرول به یک لایه چسب غیرفعال متصل گردید. به منظور بررسی تحریک الکتروشیمیایی محرک نانولیفی تولیدی از محلول 0/1 مولار لیتیم پرکلرات در آب دیونیزه شده استفاده شد، به طوری که لایه نانوالیاف بهعنوان الکترود کار، صفحه استیل ضد زنگ بهعنوان الکترود کمکی و Ag/AgCl بهعنوان الکترود مرجع مورد استفاده قرار گرفت. پس از اعمال ولتاژ حرکت محرک توسط دوربین در زمان های مختلف ثبت گردید.
-3 بحث و نتایج
با وجود این که در فرآیند الکتروریسی پارامترهای مختلفی در تولید نانوالیاف موثر می باشند اما غلظت محلول پلیمری مهمترین عامل موثر بر مورفولوژی و قطر نانوالیاف تولیدی می باشد. در این پژوهش غلظت های 5، 6 و 7 درصد وزنی/حجمی پلی یورتان الکتروریسی شد - با ثابت نگه داشتن سایر متغیرها - که شکل1 تصاویر SEM نانوالیاف تولیدی با این شرایط را نشان می دهد.همان طور که مشاهده میشود با افزایش غلظت پلیمر، قطر نانوالیاف تولیدی افزایش مییابد. علاوه بر این در غلظت های 5 و 6 درصد، نانوالیاف تولیدی دارای میزان زیادی بید است و با افزایش غلظت این بیدها کشیده شده و دوکی شکل میشوند، همچنین از تعداد آنها کاسته شده است. به طوری که در غلظت 7 درصد بیدها کاملا از بین می روند و نانوالیاف یکنواختی حاصل شده است. همچنین با بررسی سایر عوامل موثر در فرآیند الکتروریسی شرایط بهینه و پایدار الکتروریسی نانوالیاف پلی یورتان غلظت پلیمر 7 درصد وزنی حجمی، ولتاژ اعمالی 14 kV، فاصله نازل تاجمع کننده 25 cm و نرخ تغذیه 0/3 ml/h به دست آمد.
