مقالات

نانوالیاف پلیمری و کاربردهای صنعتی آن

محراب فلاحی سامبران، احسان زمانی

1- عضو هیات علمی ‌گروه مهندسی شیمی‌، دانشگاه آزاد اسلامی اهر

2- دانشجوی مهندسی نساجی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

 نانوالیاف یکی از نانومواد مهمیاست که زمینه های کاربردی زیادی دارد. در حال حاضر الکتروریسی تنها روشی است که میتواند برای تولید انبوه انواع نانوالیاف بهکار برده شود که در این مقاله به توضیح این روش پرداخته شده است. اگر چه نانوالیاف پتانسیل کاربردی وسیعی در زمینه های مختلف مانند ذخیره سازی انرژی، مهندسی محیط زیست، بیوتکنولوژی،بایو مهندسی1، صنایع دفاعی و غیره دارد اما در این مقاله کاربردهایی از این الیاف مثل استفاده در نانوکامپوزیتها،کاتالیستها، فیلتراسیون، لباس‎های ضدگلوله، الکترونیک و نور که در حال تجاری شدن هستند، بررسی شده است.

1- مقدمه

در نیمه دوم قرن بیستم کاربرد پلیمرها در زندگی روزمره افزایش یافت. پلیمرها در شکل‌های مختلف و کاربردهای وسیعی

مورد استفاده قرار گرفتند. در این میان پلیمرهای سنتزی و با قابلیت تولید مجدد که نه تنها در بخش پارچه و لباس بلکه در

کاربردهای صنعتی نظیر نخ‌های تایر، عوامل ساختاری و تقویت کنندگی، فیلم‌های مانع، صنعت بسته‌بندی، صنعت خودرو وغیره نیز استفاده می‌شدند، از اهمیت بیشتری برخوردار بودند. فرآیند تولید الیاف از پلیمرها عموماً شامل ریسندگی است که در آن پلیمر تحت شرایط دما و سرعت برشی مناسب از میان رشته‌ساز2 عبور میکند. در این روش، ریسیدن لیف عموماًهمراه با کشش انجام می‌شود. این کشش شامل کشش پلاستیکی مواد جهت افزایش استحکام و مدول است. این روش را با توجه به این‌که پلیمر در حالت مذاب است یا محلول، به ترتیب ریسندگی مذاب و ریسندگی محلولی می‌نامند. قطر متوسط به دست آمده از این روش ریسندگی حدود μm 10یا بیشتر است. طی ده سال گذشته تکنیک‌های جدیدی جهت تولید

الیاف پلیمری در مقیاس نانو پیگیری شد. این تکنیک‌ها عبارتند از: کشیدن، سنتز شابلونی، جدایی فازی ، خود مونتاژی ،

الکتروریسی و غیره. فرآیند الکتروریسی تنها روشی است که می‌تواند برای تولید انبوه نانوالیاف پلیمری به‌کار رود. این

تکنیک الیافی تولید می‌کند که قطری در حدود ده الی صد برابر کوچک‌تر از الیافی است که از طریق فرآیندهای

آمریکا تخمین زده شده است. مواد لیفی استفاده شده در فیلتراسیون سبب افزایش بازده و مقاومت کم هوا می‌شود. بازده

فیلتراسیون که ارتباط نزدیک با ظرافت الیاف دارد یکی از موارد مهم در عملکرد فیلتر محسوب می‌شود. به دلیل این که

کانال‌ها و اجزای ساختاری یک فیلتر باید متناسب با مقیاس ذرات یا قطراتی باشد که باید گرفته شود، یکی از راه‌های

افزایش مستقیم  بازدهی فیلتر، استفاده از الیاف با اندازه نانومتری می‌باشد. درکل به‌خاطر نسبت سطح به حجم بالاتر و در

نتیجه چسبندگی سطحی بالاتر، ذرات ریز در حدود کمتر از 5/. میکرون می‌تواند به آسانی در فیلترهایی با ساختار الیافی

گیر افتاده و در نتیجه بازدهی فیلتراسیون افزایش یابد.

نانوالیاف در فیلتراسیون گرد و غبار هوای دستگاه‌های استخراج معدن نیز کار برد مفیدی دارد. نانوالیاف پلیمری می‌تواند

بصورت الکترواستاتیکی باردار شده و سبب افزایش قدرت جذب الکترواستاتیکی ذرات بدون افزایش افت فشار و به تبع آن

سبب افزایش بازده فیلتراسیون گردد. علاوه بر ارضا نمودن اهداف سنتی، فیلتراسیون غشاهای نانوالیافی ساخته شده از بعضی پلیمرهای خاص یا روکش داده شده با بعضی عوامل انتخاب گر، می‌تواند در جداسازی مولکولی به‎کارگرفته شوند و یا در ردیابی و فیلتراسیون موادشیمیایی و بیولوژیکی عوامل تسلیحاتی نیز مورد استفاده قرار بگیرند.

3-3 نانوالیاف کاتالیستی

واکنش‌های شیمیایی توسط آنزیم‌ها در فرآیندهای شیمیایی به دلیل انتخابگری بالای‌شان و شرایط متعادل واکنش از اهمیت

خاصی برخوردار هستند. آنزیم‌های ساکن عمدتاً برای سهولت جداسازی کاتالیستی، پایداری آنزیمی ‌و سهولت دسترسی

عملیات پیوسته به‌کار می‌رود. بازدهی آنزیم‌های ساکن بستگی به ساختار حفره و محدودیت‌های نفوذ مواد سوبسترایی

دارد. اخیراً نانو مواد به دلیل این‌که دارای سطح مخصوص و امکان بارگذاری بالا هستند به عنوان سوبستراهای کاتالیستی

مورد توجه قرار گرفته‌اند. کاتالیست‌های نانوالیافی می‌تواند جانشین نانو ذرات کاتالیستی شده و مشکل محدودیت بازیابی

کاتالیستی مرتفع گردد. نانوالیاف فعالی از پلی استایرن، توسط چسباندن شیمیایی آلفا – چایموتریپسین10 به آن به‌دست

می‌آید که دارای فعالیت بالای آنزیمی‌ با پایداری بهبود یافته می‌باشد. کاتالیست‌های الیافی دارای مزیت‌هایی از جمله

امکان سازگاری با هر نوع شکل هندسی و مقاومت کم در مقابل جریان مایعات و گازها می‌باشد. هر چند که محدودیت‌های

بارگذاری و خواص مکانیکی استفاده کاتالیست‌های الیافی را محدود کرده است، اما ظهور مواد نانوالیافی به عنوان

سوبستراهای کاتالیستی محدوده کاربردی آن را عوض کرده است. فعالیت کاتالیستی که توسط سوبستراها تقویت می‌شود

بستگی به سطح فعال بالای آن دارد. سوبستراهای نانومتخلخل می‌تواند با مواد حاوی سطح بیشتر مانند نانوالیاف برای

افزایش سطح، پوشش داده شود تا واکنش پذیری افزایش یابد. تقویت‌کننده‌های نانو الیاف کربن بارگذاری  شده با  ذرات

آهن تبدیل بالای هیدروکربن‌ها را در مقایسه با  کربن فعال و گاماآلومینا نشان داده اند. هم‌چنین اثر ذاتی کاتالیسی زمانی

چشمگیراست که درالیافی با قطر کمتر یعنی  نانوالیاف بارگذاری شود.

4-3 نانوالیاف برای کاربردهای الکترونیکی و نور

انتظار می‌رود نانوالیاف در ساخت وسایل میکروالکترونیکی یا در ماشین‌هایی مثل سنسورها و افعال‌کننده‌ها 11به‌کار برده

شود. با توجه به این حقیقت که سرعت واکنش‌های الکتروشیمیایی متناسب با سطح الکترود می‌باشد غشاهای نانوالیافی هادی بصورت الکترودهای متخلخل برای توسعه باتری‌ها با عملکرد بالا بسیار مناسب می‌باشد. غشاءهای هادی دارای پتانسیل‌های کاربردی شامل اتلاف الکترواستاتیکی، حفاظت خوردگی، حفاظ مغناطیسی و وسایل فتوولتایی12و غیره می‌باشد. نانوالیاف الکتروریسی شده می‌تواند در LCDها که تحت میدان الکتریکی می‌تواند نور را از خود عبور داده یا کدر باشد، استفاده شود. قسمت اصلی وسایل کریستال مایع، لایه‌ای از نانوالیاف می‌باشد که در داخل مایع کریستالی فرورفته است و ضخامت این لایه چندین ده میکرون می‌باشد. این لایه بین دو الکترود قرار گرفته است که به‌وسیله آن می‌تواند یک میدان الکتریکی اعمال شود و ضریب انتقال کامپوزیت نانوالیاف-کریستال مایع تغییر کند. حساسیت اختلاف ضریب شکست بین الیاف و کریستال مایع را اندازه الیاف تعیین می‌کند.

سنسورهای نوری شیمیایی از الکتروریسی پلیمرهای فلوئوروسنت پلی‌اکریلیک‌اسید- پلی پایرن متانول PM-PAA)) و

محلول‌های مخلوط لاتکس پلی‌یورتان قابل پیوند عرضی دمایی درست می‌شود. پایرن متانول PM( ( به عنوان شاخص

فلوئوروسنت برای ردیابی یون‌های فلزی 3+ 2 ، Fe+Hg  و ترکیبات نیترو مثل 2،4-دی‌نیتروتولوئن DNT(( استفاده

می‌شود. ابن سنسورها دارای حساسیت بالایی به دلیل بالا بودن نسبت سطح به حجم ساختارهای غشایی نانو الیاف می‌باشد .

 نانوالیاف سرامیکی و غیر‌آلی نظیر تیتانیوم‌اکسید، وانادیم‌پنتا‌اکسید،نیوبیدم‌اکسید، اکسیدروی، پالادیم‌اکسید و ژرمانیم‌اکسید

نیز از طریق الکتروریسی تهیه شده و پیشنهاد استفاده از آن‌ها در کاربردهای نوری داده شده است. نانوالیاف

ژرمانیوم‌اکسید(GeO2) که از طریق سلی از پلی‌وینیل‌استات و ژرمانیوم‌اکسید(GeO2) الکتروریسی شده پس از برشته شدن  در دمای بالا بدست می‌آید. در دمای اتاق این الیاف حالت برانگیختگی در 325 نانومتر از خود نشان می‌دهد که در نانو وسایل نوری تک بعدی کاربرد دارد. الیاف توخالی سرامیکی الکتروریسی شده می‌توانند به عنوان موج‌برهای نوری استفاده شوند. الیاف توخالی نیز می‌تواند از طریق الکتروریسی هم محور دو مایع غیر قابل امتزاج تهیه شود. الیاف سیلسکا و تیتانیوم که قطری در حدود 500 نانومتر و متوسط ضخامت پوسته‌ای در حدود 80 نانومتر دارند به همین روش تولید

می‌شود.

 حتی  با ترکیب محلولی از دو پلیمر الیاف دو جزئی نیز می‌تواند الکتروریسی شود. تولید الیاف هادی جریان الکتریسیته

نیز با روش الکتروریسی امکان پذیر شده است الیافی با رسانایی بالا توسط الکتروریسی پلی‌آنیلین داپ شده 31با اسید

سولفوریک و هم‌چنین آلیاژ آن در پلیمرهایی مثل پلی‌استایرن و پلی‌اتیلن‌اکساید درست می‌شود. برای افزایش رسانایی

نانوالیاف پلی‌استایرنی و پلی‌آکریلونیتریلی پوششی از طلا و پلی پایران روی آن‌ها داده می‌شود.

با مخلوط کردن نانو ذرات مغناطیسی هیدروکسید آهن 14و Ni-Zn-Mnیک سوبسترای منعطف سوپرپارامغناطیس تولید

می‌شود که در افزایش ارتباط رادیویی، ذخیره اطلاعات و حفاظت تشعشعی الکترومغناطیسی فرکانس پایین کاربرد دارد.

5-3 لباسهای ضدگلوله نانوالیافی

لباس‌های ضدگلوله در ارتش نقشی هم‌چون کمک به زنده ماندن، قابلیت نگهداری و بازده جنگی سربازان در مقابل شرایط

جوی، بالستیک و جنگ‌افزارهای NBCرا بر عهده دارد. در زمان صلح دستگاه‌های تفسی و لباس‌های ضدگلوله با عملکرد خاص علیه مواد شیمیایی جنگ‌افزاری از قبیل سارین، سومان، تابون و گاز مانتارد که از طریق خوردن یا جذب پوستی وارد بدن می‌شود نگرانی‌های ویژه‌ای ایجاد می‌کند. لباس‌های ضدگلوله امروزی حاوی جاذب زغال نیم‌سوز هستند که پاره‌ای محدودیت دارند. گیبسون15 خواص انتقالی نمدهای الکتروریسی شده الاستومری در لباس‌های حفاظت‌کننده را

مطالعه کرد. عملکرد نمدهای نانوالیاف به خوبی با خواص انتقالی پارچه و غشاءهای به‌کار رفته در سیستم‌های حفاظت‌کننده قابل مقایسه می‌باشد. لایه‌های الکتروریسی شده کمترین مقاومت در مقابل نفوذ بخار آب که برای سرمایش تبخیری لازم است را از خود نشان می‌دهد و زمانی که تحت کشش دو محوری تا کرنش %100 قرار می‌گیرند غشاهای نانوالیافی الاستومری متخلخل به دلیل این‌که حفره‌های بین الیاف باز می‌شود، به‌طور قابل ملاحظه‌ای از نظر خواص عبوردهی گازها تحت تاثیر قرار می‌گیرند اما خواص عبوردهی بخارآب به صورت تغییر نیا فته باقی می‌ماند. اندازه‌گیری‎‌های تجربی و محاسبات نشان داده است که نمدهای الیافی الکتروریسی شده دارای بازدهی فوق‌العاده‌ای در گرفتن ذرات ایروسل16 می‌باشند. نتیجه‌گیری می‌شود که چگالی فیلتراسیون بالا نتیجه مستقیم سطح ویژه بالای نانوالیافی است که از طریق الکتروریسی تولید شده ‌باشد.

پوشش‌های نانوالیافی مستقیماً در فوم‌های پلی‌یورتان که شامل کربن فعال به عنوان یکی از  اجزای سیستم‌های حفاظ

شیمیایی جنگی می‌باشد، مصرف می‌شود. مقاومت در مقابل هوا و خواص فیلتراسیون ایروسل مرتبط  با وزنی است که از

طریق پوشش اضافه می‌شود. نفوذ ذرات ایروسولی از میان لایه فوم با اسپری‌کردن مقدار بسیار کمی ‌از نانوالیاف نایلونی به سطح فوم به کلی حذف می‌شود. از اسپری‌کردن مستقیم نانوالیاف به سطح تورهای سه بعدی، می‌توان لباس بدون درز با اندازه سفارش شده تهیه کرد.

 علاوه بر کاربردهای لباسی، نانوالیاف به عنوان فیلر برای جداکردن ذرات و قطراتی کوچکتر از 100 نانومتر(گاز یا مایع) مصرف می‌شود. نانوالیاف به دلیل مساحت سطحی بالا می‌تواند سطح را طوری اصلاح کند که برای بعضی مواد بصورت انتخابی عمل کند از این رو می‌توانند به عنوان جاذب مولکول‌های سمی‌و زیان‌آور استفاده شوند. علاوه بر آن نویسنده مشاهده کرد که نمدهای الکتروریسی شده بارهای الکتریکی را به مدت 200 ساعت حفظ می‌کنند. بارهای الکتریکی بطور مستقیم بازدهی فیلتراسیون را تحت تاثیر قرار می‌دهند.

 4- نتیجه گیری

الكتروریسی به عنوان یک روش مفید، ساده و ارزان قیمت برای تولید نانوالیاف پلیمری شناخته شده است. اصول اساسی

تشکیل لیف توسط الکتروریسی به این صورت بیان شد: پتانسیل الکتریکی بالا به محلول پلیمری (یا مذاب آن)که در انتهای رشته‌ساز معلق مانده است اعمال شده و بار الکترواستاتیکی به محلول پلیمر داده می‌شود. در پتانسیل‌های الکتریکی کم نیروی دافعه الکترواستاتیکی با نیروی کشش سطحی بالانس می‌شود. در پتانسیل‌های الکتریکی بالا نیروی الکترواستاتیکی در سطح مایع بر کشش سطحی غلبه کرده و یک جت بارداری بیرون می‌زند. جت تا فاصله مشخصی به صورت مستقیم به جلو می‌رود و بعد از آن خمیده شده و یک مسیر حلقه‌وار و مارپیچ را طی می‌کند.

 نیروهای دافعه الکترواستاتیکی می‌تواند جت را چندین هزار برابر بکشد و منجر به تشکیل یک جت خیلی باریک بشود.

زمانی که حلال تبخیر شد الیاف پلیمری جامد شده در صفحه هدف که به زمین متصل است به شکل پارچه بافته نشده جمع

می‌شود.  قطر کوچک نانو الیاف، نسبت سطح به حجم بسیار بزرگی را فراهم آورده و سبب ایجاد پتانسیل‌های کاربردی

زیادی در زمینه‌های مختلفی از جمله ذخیره سازی انرژی، مهندسی محیط زیست، بیوتکنولوژی، بایومهندسی، صنایع دفاعی و غیره شده است.