بخشی از مقاله
چکیده
در فرایند تولید نانوالیاف به روش الکتروریسی با فرمولاسیون قطر نانوالیاف و شرایط الکتروریسی به راحتی میتوان الیاف در مقیاس نانو و همچنین با قطر دلخواه تولید کرد. در این پژوهش، اثر متغییرهای الکتروریسی بر قطر متوسط نانوالیاف پلی اکریلونیتریل بررسی و فرمولاسیون قطر بر حسب این متغییرها با استفاده از روش سطح پاسخ بر مبنای طرح مرکب مرکزی انجام شد. به همین منظور چهار متغییر مهم فرایند الکتروریسی شامل غلظت محلول، اختلاف پتانسیل، فاصله نوک سوزن تا صفحه جمع کننده و نرخ تغذیه محلول پلیمری، انتخاب شدند تا اثرات آنها بررسی شود.
نتایج نشان داد که غلظت محلول بیشترین اثر را بر قطر نانوالیاف دارد و در نقطه مقابل، اثر نرخ تغذیه بسیار ناچیز بود. همچنین در میان اثرهای متقابل پارامترها، تنها اثر متقابل اختلاف پتانسیل و فاصله نوک سوزن تا صفحه جمع کننده در سطح اطمینان 95 درصد اهمیت داشت.
با استفاده از آنالیز واریانس پس از حذف پارامترهای کم اهمیت، فرمولاسیون قطر متوسط و شرایط الکتروریسی در دو سطح اطمینان 95 و 99 درصد انجام شد. دادههای آماری ضریب تعیین - R2 - ، adjusted-R2 و prediction-R2 برای هردو رابطه مقادیر بالایی داشتند که بیانگر دقت بالای روابط بدست آمده برای پیشبینی قطر متوسط بودند. علاوه بر این، مقادیر پیشبینی شده توسط روابط و مقادیر تجربی در قالب شکل ارائه شد که نشان دهنده تطابق مناسب این مقادیر با یکدیگر بود.
-1 مقدمه
نانوالیاف به دلیل خواص منحصر به فردی همچون نسبت سطح به حجم بسیار بالا، انعطاف پذیری در عملکرد، تخلخل بالا و خواص مکانیکی عالی که دارند میتوانند به عنوان مواد مناسبی در زمینههای مختلف از جمله مهندسی بافت، فیلتراسیون، پوششهای محافظ، متوقف کننده حرکت آنزیمها و سیستمهای انتقال دارو استفاده شوند .[7-1] به همین دلیل نانوالیاف در سالهای اخیر توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کردهاند. الکتروریسی موفقترین روش برای تولید نانوالیاف به شمار میآید زیرا علاوه بر سادگی و توانایی تولید نانوالیاف با قطر نانومتری، از بازده بیشتری نیز در مقایسه با سایر روشها برخوردار است.
در این روش نانوالیاف پلیمری با اعمال یک میدان الکترواستاتیکی به محلول یا مذاب پلیمری به دست می آیند. در طی این فرایند با اعمال نیرو به پیستون سرنگ حاوی محلول پلیمری توسط حرکت خطی اهرم پمپ سرنگی، سیال با نرخ ثابت و مشخصی پمپ شده و قطره ای در نوک سوزن سرنگ شکل میگیرد. سوزن که از جنس فلز و هادی جریان الکتریکی است به یک منبع ولتاژ بالا متصل است و میتواند جریان الکتریکی را به قطره پلیمری انتقال دهد لذا این قطره در اثر نیروی الکترواستاتیکی اعمالی به شکل مخروطی موسوم به »مخروط تیلور« درمیآید. با افزایش ولتاژ و رسیدن آن به حد بحرانی، نیروی الکترواستاتیکی بر نیروی کشش سطحی قطره غلبه میکند و در نتیجه آن جت باردار کوچکی از مخروط تیلور خارج میشود.
با توجه به اینکه در مقابل نوک سوزن به فاصله چند سانتی متر یک جمع کننده فلزی وجود دارد که به زمین و یا ولتاژ مخالف ولتاژ سوزن متصل است، یک میدان الکترو استاتیک قوی در فضای بین سوزن و جمعکننده ایجاد میشود که باعث میشود یک جریان پیوسته و شتابدار از محلول از مخروط تیلور خارج شده و به سمت جمعکننده پرتاب شود. جالب توجه است که جت خروجی از مخروط تیلور ای فاصله را به صورت مارپیچی طی میکند و در طول این مسافت کوتاه، چندین بار حول محور خود می چرخد. در حین حرکت جت به سمت صفحه جمع کننده همرمان با کشیده شدن و دراز شدن آن فرایند تبخیر حلال نیز صورت میگیرد.
مهمترین پارامترهای اثر گذار در انتخاب نانوالیاف برای بکارگیری آنها در زمینههای مختلف ذکر شده قطر و مورفولوژی آنها میباشد. عوامل متعددی بر مورفولوژی الیاف بدست آمده از الکتروریسی مؤثر هستند، که به طور کلی میتوان آنها را به سه دسته خواص محلول پلیمری، متغیرهای دستگاهی و شرایط محیطی تقسیم بندی کرد. خواص محلول پلیمری شامل غلظت، ویسکوزیته و کشش سطحی محلول و همچنین وزن مولکولی پلیمر میباشد. متغیرهای دستگاهی در بر گیرنده اختلاف پتانسیل، فاصله بین نوک سوزن و جمع کننده، نرخ تغذیه و قطر داخلی سوزن میباشد. همچنین شرایط محیطی شامل رطوبت و دما محیط اطراف فرایند الکتروریسی میباشد.
روش سطح پاسخ یکی از شاخههای مهم طراحی آزمایشهاست که مجموعهای از فنون ریاضی و آماری، شامل طرح آزمایش آماری، مدلسازی آماری و بهینهسازی مقدماتی و مفید را برای توسعه فرایندی جدید، بهینهسازی تولید، بهبود طرح و فرمولبندی تولیدی جدید ایجاد کرده است. تا کنون پژوهشهای نسبتا کمی در زمینه بررسی اثر پارامترهای مختلف بر قطر نانوالیاف و بهینهسازی فرایند الکتروریسی با استفاده از طراحی آزمایشها به روش سطح پاسخ انجام شده است
در این پژوهش نانوالیاف پلی اکریلونیتریل با روش الکتروریسی تولید شد. اثر عوامل مؤثر در فرایند الکتروریسی که در نتیجه قطر و مورفولوژی نانوالیاف تولید شده را تحت تأثیر قرار میدهند بر مبنای روش سطح پاسخ و با استفاده از روش طرح مرکب مرکزی مورد بررسی قرار گرفت.
عوامل مورد نظر عبارتند از غلظت محلول پلیمری، اختلاف پتانسیل، نرخ تغذیه و فاصله نوک سوزن تا صفحه جمع کننده. اثر این عوامل بر قطر نانوالیاف بررسی شد و پس از انجام آنالیز واریانس و حذف فاکتورهای غیر مهم رابطه ای درجه دو برای قطر نانوالیاف بر حسب شرایط الکتروریسی بدست آمد. دقت فرمولاسیون انجام شده بررسی شد و مشخص شد که مقادیر پیشبینی شده توسط مدل سازگاری مناسبی با مقادیر تجربی دارند.
