الکتروریسی یکی از مهم‌ترین فرایندهاي تولید نانوالیاف در سال‌های اخیر است. در این فرایند میدان الکتریکی قوي بین نازل حاوي محلول پلیمري و جمع کننده اعمال می‌شود و جت الکتروریسی را تشکیل می‌دهد. جت ایجاد شده یک سري ناپایداری‌های خمشی را در فاصله‌ی الکتروریسی تحمل می‌کند و به دلیل حرکت نامنظم جت، نانوالیاف به طور تصادفی تشکیل لایه‌ای را بر روي جمع کننده می‌دهند که به دلیل سرعت بالاي جت، کنترل ناحیه‌ی تجمع مشکل است، اما روش‌های مختلفی براي کنترل جت و ناحیه‌ی تجمع وجود دارد. با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی امکان کنترل ناپایداری خمشی وجود دارد. در این تحقیق بر اساس متغیرهای نمک و قطبیت میدان مغناطیسی ، الکتروریسی نانو الیاف صورت پذیرفت. سپس با استفاده از اسکنر تصاویری از وب‌های تولید شده تهیه شد. با استفاده از نرم افزار مطلب مساحت وب‌های تولیدی محاسبه شد و با آزمون چند دامنه دانکن به تجزیه و تحلیل آماری پرداخته شد. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که تغییر قطبیت در میدان مغناطیسی خارجی و همچنین به کار گیری کلرید سدیم در محلول پلیمری به طور محسوسی بر مساحت وب‌های تولیدی اثر گذار است. می توانید این تحقیق مهندسی نساجی را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
در سال 1934 Formals فرایندی را ثبت کرد که یک دستگاه آزمایشگاهی برای تولید نانو الیاف پلیمری با استفاده از نیروی الکترواستاتیک طراحی شده بود. وقتی از این روش برای ریسیدن الیاف استفاده شود، به آن اصطلاحاً الکتروریسی گفته می‌شود. به عبارت دیگر الکتروریسی عملیاتی است که نانو الیاف را به واسطه بار الکتریکی روی جریان شتابدار از محلول پلیمر یا مذاب تولید می‌کنند. با این روش الیاف پلیمری با قطر نانومتر یا زیر میکرون (معمولاً بین 5 تا 100 نانومتر) تولید می‌شود [1].الکتروریسی موفقیت¬های زیادی در تکنولوژی شکل¬گیری نانوالیاف از محلول¬های پلیمری با گرانروی زیاد، داشته است. روش¬های مختلفی برای تولید نانوالیاف وجود دارد. اما هنگامی¬که به امکانات تجاری، تنوع پلیمرها و کاربردهای تجاری آن¬ها، سادگی فرآیند تولید و کاربرد آن در تکنولوژی¬های مختلف تولید توجه شود، الکتروریسی به عنوان کارآمدترین روش برای تولید نانوالیاف شناخته می¬شود [2]. از عوامل ديگري که اين روش را مورد توجه قرار می¬دهد کنترل قطر، توليد نانوالياف با مورفولوژي‌هاي مختلف، داشتن تنوع در مواد اوليه (پليمرهاي طبيعي، مصنوعي، پليمرهايي که در روش‌هاي معمولي نمي¬توان براي توليد الياف استفاده کرد) مي¬باشد [3].
الکتروریسی
الکتروریسی در منابع مختلف به عنوان روشی که در آن نانوالیاف از مایعات پلیمری با استفاده از میدان الکتریکی تهیه می¬شوند، تعریف شده است. شایان ذکر است که هم محلول¬های پلیمری و هم پلیمرهای مذاب می¬توانند الکتروریسی شوند. نانو الیاف به علت ظرافت و سطح ویژه زیاد کاربردهای متعددی دارند که به عنوان مثال می‌توان به استفاده از این الیاف در کامپوزیت‌ها [4]، ساخت صافی‌ها [5]، الیاف رسانا [7،6]، حسگرها [9،8]، الیاف سرامیکی [10]، داربست بافت [11]، حمل دارو [12]، زخم پوشش‌ها [13] اشاره کرد [14]. یکی از معایب این روش ناپایداری خمشی جریان شتاب¬دار مایع در آن است، بنابراین لازم است که حرکت جت (جریان شتاب¬دار مایع) در الکتروریسی به نحوی کنترل گردد [15].
در فرایند الکتروریسی معمولی، میدان الکترواستاتیکی قوي بین نازل ظرف حاوي محلول پلیمري متصل به یک پمپ تزریق دقیق و صفحه‌ی جمع کننده اعمال می‌شود. هنگامی‌که نیروي الکتریکی بر کشش سطحی قطره پلیمري در نوك نازل غلبه کند، جت الکتروریسی تشکیل می‌شود. جت ایجاد شده یک سري ناپایداری‌های خمشی را در حین گذر تا صفحه‌ی جمع کننده (فاصله الکتروریسی) تحمل می‌کند که این عامل باعث کشش فوق‌العاده‌ی لیف تشکیل شده در جت می‌شود. این کشش به همراه تبخیر سریع مولکول‌های حلال در فاصله‌ی الکتروریسی منجر به کاهش قطر الیاف شده و الیاف مداوم نسبتاً خشک بر روي صفحه جمع کننده به طور تصادفی تشکیل می‌شوند. جت پلیمري در میدان الکتریکی به موجب اینکه نیروهاي متضاد روي آن اثر می‌کند، ناپایدار است. کشش سطحی متمایل است که سطح جت را کوچک نماید و دافعه‌ی بارهاي الکتریکی همنام موجود در سطح جت آن را نامتعادل می‌کند و سطح آن را افزایش می‌دهد. بنابراین یکی از ناپایداری‌هایی که در طول الکتروریسی اتفاق می‌افتد ناپایداری‌های خمشی است که با چگالی شار الکتریکی سطحی بالا افزایش می‌یابد [16].
فهرست مطالب
فصل اول: اصول مربوط به الکتروریسی و پارامترهای آن 1
1-1-مقدمه 2
1-2-الکتروریسی 3
1-3- فرآیند شکل گیری جت پلیمر در عملیات الکتروریسی 4
1-3-1- مخروط تیلور 6
1-3-2- مسیر مستقیم جت 9
1-3-3- ناپایداری‌های جت 10
1-4- مدل کردن ناپایداری خمشی 14
1-5 پارامترهای مؤثر بر الکتروریسی 15
1-5-1-پارامترهای محلول 16
1-5-1-1-وزن مولکولی و ویسکوزیته محلول 16
1-5-1-2-کشش سطحی 17
1-5-1-3-ضریب هدایت الکتریکی محلول 18
1-5-1-4-تأثیر محتوای نمک 18
1-5-2-پارامترهای فرآیند الکتروریسی 19
1-5-2-1-ولتاژ و میدان الکتریکی 20
1-5-2-2-نرخ تغذیه 22
1-5-2-3-تأثیر جمع کننده 22
1-5-2-4- فاصله نازل از جمع کننده 23
1-5-2-5-اثرات قطبیت بر الکتروریسی 24
1-5-3-عوامل محیطی 25
1-5-3-1-دما 26
1-5-3-2-رطوبت 26
1-5-3-3-نوع جوّ 27
1-5-3-4-فشار 27
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته 28
2-1-مقدمه 19
2-2- جمع کننده سيلندری با سرعت بالا 29
2-3- استفاده از یک جفت میدان الکتریکی در الکتروریسی…………………………………… 30
2-4- الکتروریسی با میدان نزدیک 33
فصل سوم: تجربیات 39
3-1-بررسی¬های تئوری انجام شده 40
3-2- انتخاب سیستم مختصات 41
3-3-تأثیر میدان مغناطیسی خارجی بر جت پلیمر……………………...…………….42
3-4- بدست آوردن اندازه نیروها 47
3-5-مشخصات مواد مورد استفاده 53
3-6- مشخصات دستگاه¬های مورد استفاده 55
3-6-1- دستگاه الکتروریسی 55
3-6-2- آهن¬رباهای ایجاد کننده میدان مغناطیسی…………………...……………. 56
3-6-3- سنسور اثر هال 59
3-6-4-دستگاه كوتينگ يا پوشش¬دهنده به روش كندوپاش 60
3-6-5-دستگاه ميكروسكوپ الكتروني روبشیSEM 61
3-7- روش انجام آزمايش 62
3-7-1- تهيه محلول الكتروريسي 62
3-7-2- انجام الكتروريسي 63
3-8-اندازه¬گیری چگالی شار میدان مغناطیسی بین نازل و جمع کننده 65
3-9-محاسبه سطح وب نانوالیاف جمع آوری شده 66
فصل چهارم: بحث و نتایج 70
4-1- مقدمه 71
4-2-بررسی مساحت وب های تولید شده………………………….. 71
4-1-نتیجه¬گیری 77
4-2-پیشنهادات 78
پیوست¬ها 79
پیوست 1 80
پیوست 2 81
مراجع 82
فهرست جداول
جدول 3-1- بعضی از مشخصات پلي¬وینیل¬الکل 54
جدول 3-2- مشخصات کلرید سدیم 54
جدول3-3-مشخصات آهن¬رباهای ساخته شده برای این تحقیق 59
جدول 3-4-محدوده ولتاژ و چگالی شار مغناطیسی اندازه¬گیری شده توسط سنسور اثر هال 60
جدول 3-5- شرایط یکسان در نظر گرفته شده برای انجام آزمایشات 64
جدول 3-6- شرایط حضور میدان مغناطیسی و نمک برای الکتروریسی در این تحقیق 65
جدول 3-7-چگالی شار مغناطیسی(B) برحسب تسلا 66
جدول3-8-مساحت وب¬های الکتروریسی شده 69
جدول 4-1- آزمون DUNCAN برای میانگین مساحت¬ وب¬های تولیدی ….72
جدول 4- 2-جدول ANOVA برای تاثیر متقابل متغیرها ….73
جدول 4-3- جدول ANOVA برای تاثیر اصلی هر متغیر ….73
فهرست اشکال
شکل 1-1-نمای شماتیکی از دستگاه الکتروریسی 4
شکل 1-2- مسیر جت پلیمر در حین الکتروریسی………………………..………...…..5
شکل1-3- حالت قطره آویزان …………………...…………………………...…7
شکل 1-4- حالت قطره چسبیده 8
شکل 1-5- تصاویر قطره‌ها در حالت) الف) و(ب) تصویر بدست آمده برای قطره چسبیده و تصویر (ج) و (و) برای حالت قطره آویخته می‌باشد.…… ………
شکل1-6-آشفتگی‌های مربوط به ناپایداری‌ها الف -آشفتگی با عدد موج دو (ناپایداری انشعابی )، شکل ب- آشفتگی با عدد موج یک (ناپایداری خمشی )، شکل ج - آشفتگی با عدد موج صفر(ناپایداری تورمی )، شکل و -تصویر سیلندری از سیال بدون آشفتگی…………………………………………………11
شکل 1-7- الف) نمای نزدیکی از شروع ناپایداری ب) جت ناپایدار ج)جت پایدار…….…...…13
شکل 1-8- الف) عکس‌برداری با سرعت 4500 فریم بر ثانیه ب) عکس‌برداری با سرعت 30 فریم بر ثانیه…..………………………….…………………………………………………………13
شکل 1-9- نیروهای کولمبی اعمال شده توسط قطعات X,Z روی Y’……………..…...… ……..15
شکل1-10- افزایش اندازه دانه تسبیحی‌ها در الیاف پلی¬کاپریلونیتریل با افزایش نرخ تغذیه در [A] ML/HR 0.5و [B] ML/HR 2………..…………………………………………22
شکل 2-1-(الف)نمای شماتیکی از دستگاه الکتروریسی با جمع کننده سیلندری، (ب)تصویرSEM از آرایش یافتگی نانوالیاف کلاژن نوع 1 با استفاده از جمع کننده سیلندری ……..…………….30
شکل2-2- الف-نمای شماتیکی از الکتروریسی با دو میدان الکتریکی عمود برهم، ب-تصویر SEM از نانوالیاف آرایش یافته در الکتروریسی با دو میدان عمود برهم ….………….…………….31
شکل2-3- الکتروریسی متداول الکتروریسی با میدان نزدیک…………………..…………..32
شکل2-4- فاصله بین سوزن و جمع کننده در الکتروریسی با میدان نزدیک ….…….………33
شکل2-5- قطره پلیمر ایجاد شده توسط فشار پمپ…………………………..……………34
شکل 2-6- ایجاد شدن جت پلیمر…………………………. 38
شکل 2-7- نانوالیاف جمع آوری شده روی صفحه جمع کننده…………………....…………….35
شکل2-8- دستگاه الکتروریسی میدان نزدیک با جمع کننده متحرکت …….…......………36
شکل 2-9- الف –نانوالیاف تهیه شده از الکتروریسی متداول (ب)،(ج)،(و) نانو الیاف تولید شده با الکتروریسی میدان نزدیک با جمع کننده متحرک ………………………………...…37
شکل2-10-(الف)تحلیل مکانیکی الکتروریسی در حضور میدان مغناطیسی (ب)نیروی اعمال شده از میدان مغناطیسی بر جت الکتریکی در الکتروریسی……….. 42
شکل 3-1- درصدهای 0، 0.5و1 کلرید سدیم اضافه شده به پلی وینیل الکل به ترتیب مربوط به نمونه‌های C,B,A می‌باشد 40
شکل 3-2- مختصات استوانه و جهت بردار یکان‌های آن…………….…………………..……..42
شکل 3-3- نمای شما تیک الکتروریسی تحت میدان مغناطیسی خارجی (الف)-میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت با جریان (ب)-میدان مغناطیسی خارجی مخالف جهت جریان 45
شکل 3-4- الف- جهت نیروها در دستگاه مختصات استوانه‌ای ب- نیروهای مغناطیسی وارد بر نانوالیاف در حین الکتروریسی استوانه‌ای ………….…………………..44
شکل3-5- نیروهای مغناطیسی ناشی از جریان¬های نزدیک به هم (الف)-دو جریان موازی هم¬جهت (ب)-دو جریان موازی نا هم‌جهت 45
شکل 3-6- قرارگیری هر یک از سیم‌ها در میدان ایجاد شده از سیم مقابل…………...………….46
شکل3-7- دستگاه الکتروریسی مورد استفاده در این تحقیق……………...…….……...56
شکل3-8- نمای شماتیکی از آهن¬رباهای الکتریکی میدان مغناطیسی ناشی از آن¬ها 58
شکل 3-9- آهن¬رباهای استفاده شده برای ایجاد میدان مغناطیسی خارجی در این تحقیق 58
شكل 3-10- سنسور اثر هال 61
شكل3-11- دستگاه لايه نشاني طلا (SEM) 61
شکل 3-12- ميکروسکوپ الکتروني روبشی(SEM) 62
شکل 3-13- الکتروریسی تحت میدان مغناطیسی خارجی الف-جهت شار میدان مغناطیسی هم جهت با میدان الکترواستاتیکی -ب- شار مغناطیسی در جهت مخالف میدان الکترواستاتیکی …….64
شکل 3-14- دستگاه الکتروریسی تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی 64
شکل 3-15- نمونه¬ای از وب¬های جمع¬آوری شده-الف- در حضور میدان مغناطیسی خارجی هم جت با میدان الکترواستاتیکی همراه نمک ب- در حضور میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت با میدان الکترواستاتیکی ج- بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی همراه نمک د- بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی ه- در حضور میدان مغناطیسی خارجی مخالف با جهت میدان الکترواستاتیکی، همراه نمک و- در حضور میدان مغناطیسی خارجی مخالف با جهت میدان الکترواستاتیکی ……………...67
شکل 3-16- تصاویر باینری وب¬های الکتروریسی شده ….69
شکل 4-1- نمودار میانگین مساحت وب¬های جمع¬آوری شده ….74
شکل 4-2-تصاویر SEM نانوالیاف ریسیده شده با بزرگنمایی 10000 برابر در شرایط : الف- در حضور میدان مغناطیسی خارجی هم جت با میدان الکترواستاتیکی همراه نمک ب- در حضور میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت با میدان الکترواستاتیکی ج- بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی همراه نمک د- بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی ه- در حضور میدان مغناطیسی خارجی مخالف با جهت میدان الکترواستاتیکی، همراه نمک و- در حضور میدان مغناطیسی خارجی مخالف با جهت میدان الکترواستاتیکی……………………………………………….…...…………………75
شکل 4-3- تصاویر SEM نانوالیاف ریسیده شده با بزرگنمایی 5000 برابر در شرایط : الف- در حضور میدان مغناطیسی خارجی هم جت با میدان الکترواستاتیکی همراه نمک ب- در حضور میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت با میدان الکترواستاتیکی ج- بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی همراه نمک د- بدون حضور میدان مغناطیسی خارجی ه- در حضور میدان مغناطیسی خارجی مخالف با جهت میدان الکترواستاتیکی، همراه نمک و- در حضور میدان مغناطیسی خارجی مخالف با جهت میدان الکترواستاتیکی………………………………………….…...…………………76