بخشی از مقاله
چکیده
لایه های محافظ حاوی مواد تغییر فاز دهنده - PCM - تولید شده می تواند به عنوان پوشش هوشمند لباس، بسته بندی مواد حساس به حرارت، ساختمان ها و ذخیره انرژی خورشیدی استفاده شود. در این تحقیق، اکتادکان به عنوان ماده مغزی به وسیله الکتروریسی کواکسیال توسط پوسته پلیمری پلی وینیل پیرولیدن محصور شده است. تلاش برای بهینه سازی پارامترهای الکتروریسی برای به دست آوردن حداکثر مقدار PCM انجام شد.
مورفولوژی الیاف با میکروسکوپ الکترونی نشرمیدان - FESEM - مورد بررسی قرار گرفت. آنالیز گرماسنج تفاضلی - DSC - برای اندازه گیری دمای ذوب و انجماد و آنتالپی تغییر فاز انجام شد. بالاترین میزان آنتالپی برابر با 80J/g توسط پوسته پلیمری با غلظت %14 و نرخ تغذیه هسته و پوسته به ترتیب 0/25 و 2ml/h بدست آمد. علاوه بر این، خواص حرارتی لایه نانولیفی در دستگاه شبیه ساز بدن بررسی شد. اختلاف دمای 10C بین PVP و-PCM PVPدر دمای تغییر فاز مشاهده شد. نتایج، سطح قابل قبولی از تنظیم کنندگی حرارتی لایه های نانولیفی در برابر تغییرات ناگهانی دمای هوا را نشان داد.
مقدمه
با پیشرفت فناوری نانو، کپسوله کردن مواد فعال داخل ساختارهای میکرو یا نانو در کاربردهای مختلف مورد توجه قرار گرفته است. در همین راستا کپسوله کردن مستقیم مواد تغییرفاز دهنده - - PCMs داخل پوسته پلیمری با استفاده از روش الکتروریسی ایده جالبی است کهاخیراً برای تولید الیاف تغییرفازدهنده استفاده شده است. ریزلایه های تولید شده به روش الکتروریسی می توانند به طور مستقیم در کاربردهای مختلف نظیر پوشاک، صنعت بسته بندی مواد حساس به تغییرات دما، کامپوزیت های مورد کاربرد در ساختمان و همچنین ذخیره انرژی خورشیدی بدون نیاز به کپسوله کردن اضافی استفاده شوند.
تا قبل از سال 2006 از روش الکتروریسی کواکسیال به منظور رهایشکنترل شده دارو و همچنین پایدارسازی و جلوگیری از حرکت کاتالیست ها استفاده شده بود. ایده کپسولهکردن PCM داخل نانوالیاف برای اولین بار در سال 2006 توسط ام سی کن و همکاران [2] معرفی شد. او روش الکتروریسی مذاب را با ریسنده های هم محور ترکیب کرد و نام دستگاه الکتروریسی به کار رفته را الکتروریسی هم محور مذاب نامید.
مقادیر آنتالپی تغییر فاز برای نانوالیاف حاوی هگزادکان، اکتادکان و ایکوزان به ترتیب برابر با 71 J/g ، 114 J/g و 88 J/g اندازهگیری شد که در مقایسه با پارچههای شامل میکروکپسول مقادیر بالاتری است که این میتواند به دلیل بارگذاری مقادیر بالاتر PCM داخل ساختار الیاف باشد. بنابراین روش الکتروریسی هممحور، روش مفیدی برای کپسوله کردن PCM داخل نانوالیاف است.
در ادامه تحقیقات در سالهای بعد، محققان، مواد مختلفی را به عنوان PCM و پوسته پلیمری مورد بررسی قرار دادند. در بعضی موارد تغییراتی روی دستگاه الکتروریسی هم محور انجام شد. این تغییرات شامل حذف قسمت گرم کننده و جابهجاکردن مذاب PCM با محلول PCM به عنوان هسته [3] و یا به کاربردن ریسندههایی با هسته چندتایی - الکتروریسی چندسیالی - و تولید الیاف چندجزئی از مخلوط PCM های مختلف می باشد
در تحقیقات انجام شده تاکنون در مورد تولید الیاف دوجزئی پوسته- مغزی حاوی PCM از مواد مختلفی استفاده شده است. اما تاکنون تحقیق جامعی برای بررسی پارامترهای الکتروریسی مؤثر در شکل گیری این ساختار انجام نشده است. همچنین عملکرد حرارتی این منسوجات در دستگاه های شبیه ساز بدن بررسی نشده است و آزمایشات محدود به آزمایشات ساده ای برای بیان تنظیم حرارتی منسوج تولید شده است. از این رو در این تحقیق در ابتدا با بررسی پارامترهای الکتروریسی، اثر عوامل مختلف را بررسی و شرایط بهینه بدست آمد. علاوه بر این عملکرد حرارتی نمونه های الیاف الکتروریسی شده در شرایط شبیه ساز بدن بررسی شده است.
تجربیات
مواد
- MW =900000 - PVP خریداری شده از شرکت دارویی رهاورد تامین و اتانول خریداری شده از شرکت مرک آلمان به ترتیب به عنوان پلیمر و حلال مورد استفاده قرار گرفتند. برای تهیه محلول ها مقدار مشخصی پلیمر و حلال بر اساس درصد وزنی موردنظر توزین و حداقل به مدت 12 ساعت همزده شد تا محلول هموژن بدست آید. –nاکتادکان - مرک آلمان - به عنوان PCM برای ماده مغزی استفاده گردید.
دستگاه الکتروریسی کواکسیال
در این دستگاه، سرنگ حاوی PCM داخل یک المنت حرارتی قرار می گیرد. با این کار، PCM که در دمای اتاق جامد است گرم شده و به صورت مذاب در میآید. در قسمت ریسنده دو سوزن به صورت هم مرکز در خروجی سرنگ ها قرار دارند، گیج سوزن بیرونی و سوزن داخلی به ترتیب 18 و 22 انتخاب گردید. محلول پلیمری از سوزن بیرونی و PCM از سوزن داخلی تغذیه میشود. در طول فرایند الکتروریسی، سرد شدن جت به واسطه تبخیر حلال سبب می شود که مایع داخلی به طور سریع جامد شود و منجر به کپسوله شدن PCM داخل نانوالیاف میشود.
دستگاه - TESCAN MIRA3 XMU - FESEM برای بررسی مورفولوژی الیاف تصاویر در راستای طولی و سطح مقطع الیاف به کار گرفته شد. برای تصاویر سطح مقطع الیاف، نیاز به برش عرضی الیاف بود. برای این کار ابتدا به منظور حذف مغزی پارافین، وب الیاف تولید شده داخل -nهگزان به مدت حداقل 24ساعت قرار داده شد و سپس داخل نیتروژن مایع قرار داده شد و یک برش توسط تیغ جراحی روی آن انجام شد.
آنالیز خواص حرارتی
برای بررسی خواص تغییر فاز وب های تولید شده از الیاف تغییر فاز دهنده از دستگاه - DSC, Mettler - DSC استفاده شد. برای آنالیز DSC مقدار مشخصی از نمونه - 5 mg - تحت سیکل گرمایش و سرمایش با نرخ 5œC/min تحت اتمسفر نیتروژن قرار گرفت و نمودار جریان گرما نسبت به دما رسم شد. محدوده دمایی سیکل گرمایش و سرمایش به ترتیب برابر با -20 تا 40 C و 40 تا 0 C بود. دمای ذوب و انجماد و آنتالپی ذوب و اتجماد از این نمودار قابل استخراج است.
برای بررسی خاصیت تنظیم گرمایی وب تولید شده، آنالیز DSC به تنهایی کافی نیست. برای همین آزمون عملکرد حرارتی تحت شبیه ساز بدن انجام شد. در اینجا از دستگاه شبیه ساز بدن با قابلیت تغییر دمای محیط استفاده گردید.[5] دستگاه ارزیابی دینامیکی انتقال حرارت شبیه ساز پوست بدن، رفتار حرارتی لایه منسوج و همچنین تأثیر آنها روی دمای سطح پوست را طبق یک برنامه مشخص بررسی میکند. بعد از اینکه نمونه در دمای 40 C به حالت پایدار رسید به طور ناگهانی در معرض دمای محیط برابر با 0 C قرار گرفت و نمودار دما نسبت به زمان رسم شد.
بحث و نتایج
مورفولوژی الیاف
اثر نرخ تغذیه پوسته: برای بررسی اثر نرخ تغذیه پوسته، دو نرخ تغذیه 2/0 و 2/5 ml/h به عنوان حد پایین و بالای تغذیه محلول پلیمری در الکتروریسی انتخاب شد. در این حالت نرخ تغذیه مغزی ثابت و برابر با 0/20 ml/h در نظر گرفته شد. غلظت محلول پلیمری برابر با %14 انتخاب گردید؛ بقیه پارامترهای ریسندگی نیز ثابت در نظر گرفته شد.
شکل 1 تصاویر FESEM سطح مقطع الیاف را نشان می دهد. با مقایسه تصاویر FESEM در بزرگنمایی کم - تصاویر 1a-b و d- - 1 e مشاهده میشود که با کاهش نرخ تغذیه پوسته، تعداد الیاف روبانی شکل، کاهش و تعداد الیاف پوسته-مغزی افزایش یافته است. با کاهش نرخ تغذیه پوسته، سهم مغزی در جت الکتروریسی بالا میرود و بنابراین شاهد افزایش بارگذاری PCM داخل پوسته پلیمری هستیم. کاهش بیشتر نرخ تغذیه پوسته باعث کاهش نیروهای درگ، که از سمت پوسته به مغزی وارد می شود، می گردد و در نهایت باعث جداشدن قطرات پارافین از داخل جت الکتروریسی و در نتیجه برهم خوردن ساختار پوسته-مغزی الیاف شود.
