بررسی مورفولوژی و راندمان تولید نانوالیاف تهیه شده به روش فرایند الکترواسپینینگ با چند نازل
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوینرضا آذرافزا 1 , میلاد مصلحی عراقی 2 , امیر حسین رضایی 3
1 - استادیار، گروه مکانیک، مجتمع دانشگاهی مواد و فناورهای ساخت، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
2 - کارشناس ارشد، مهندسی متالورژی و مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر تهران
3 - کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد سنندج
کلید واژه: مورفولوژی, نانوالیاف, مالتی جت, الکترواسپینینگ, پلی‌اکریلونیتریل,
چکیده مقاله :
الکتروریسی روشی ساده و مناسب برای تولید پیوسته نانوالیاف با ویژگی‌های برجسته می‌باشد. در این پژوهش الکتروریسی محلول پلی‌اکریلونیتریل با چند نازل با بررسی تأثیر پارامترهایی مانند غلظت محلول، ولتاژ و دبی بر روی قطر نانوالیاف تولیدی و همچنین نرخ تولید نانوالیاف در مقایسه با روش تک نازل مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد با افزایش غلظت محلول از 8% به 10% وزنی، به علت افزایش ویسکوزیته و مشکل‌تر شدن کشیدن جت، قطر متوسط الیاف از 135 به 191 نانومتر و نرخ تولید در غلظت‌های مشابه در چند نازل در مقایسه با تک نازل افزایش می‌یابد. در حالت چند نازل در ولتاژهای پایین‌تر با افزایش ولتاژ به ازای هر 5 کیلو ولت، نرخ تولید 2 برابر و در ولتاژهای بالاتر 6/1برابر افزایش می-یابد. همچنین ولتاژ تا یک مقدار بهینه باعث افزایش متوسط قطر الیاف و بیش از این میزان باعث کاهش آن می‌شود. بررسی تأثیر دبی محلول نشان داد که نرخ تولید با افزایش دبی محلول از 5/0 به ml/h 1 دو برابر و قطر متوسط الیاف از 164 به 191 نانومتر افزایش می‌یابد. در حالیکه با افزایش بیشتر دبی از 1 به ml/h2، به دلیل عدم توانایی نیروی الکترواستاتیک در تبدیل تمامی محلول به الیاف باعث کاهش قطر الیاف و نیز کاهش نرخ تولید می‌شود. به نظر می‌رسد در الکتروریسی چند نازله، می‌توان با افزایش ولتاژ و غلظت، نرخ تولید را تا میزان چندین برابر افزایش داد. همچنین دبی تأثیر مشخصی در افزایش نرخ تولید ندارد.
Electrospinning is a simple and appropriate technique to produce continues Nano-fibers with outstanding characteristics. In this study multi-jet electrospinning of Polyacrylonitrile solution considering effect of parameters such as density of solution, voltage and flow rate on produced Nano-fibers diameter and also productivity in comparison with single-jet electrospinning were tested. Results show that increasing the solution density from 8% to10% due to difficult stretching the jets, average diameter from 135 to 191nm of fibers and productivity increases. In the case of multi nozzles at lower voltages, with a voltage increase of 5 kw, the production rate is 2 times higher at a higher voltage of 1.6 times. Increasing voltage up to an optimum range causes increasing average fibers diameter and more than this value decreases the fibers diameter. This result according to electrostatic force analysis can be explained. Increasing the voltage has positive effect on increasing productivity. Investigating the effect of density shows that increasing flow rate has an optimum (from 0.5 to 1ml/h) value and increasing more than this value, The average diameter of the fiber increases from 164 to 191 nm, While increasing the flow rate from 1 to 2ml/h because of inability of electrostatic forces to turn all the jets into fibers, causes decreasing the average diameter of fibers and productivity. It adds up that in multi-jet electrospinning increasing voltage and solution density, increases productivity up to several times, otherwise solution density does not have specified effect on productivity.
References: 1- varsano, B., Deitzel .J.M. et al, "Multiple jets in electrospinning, experiment and modeling and Processing Variables on the Morphology of Electrospun Nanofibers and Textiles", J of Polymer ,vol. 42, no. 1, pp. 261-272, 2009. 2- کریم زاده، ف.، قاسمعلی، ا.، سالمی زاده، و س.، "
نانومواد )خواص، تولید و کاربرد("، جهاد دانشگاهی واحد
صنعتی اصفهان، مرکز انتشارات، 1388 .
3- Ding, B., Kimura, E., Sato, T., Fujita S., and Shiratori S., "Fabrication of blend biodegradable nanofibrous nonwoven mats via Multi-Jet electrospinning," polymer Materials, 45, pp. 1895 1902, 2004.
4- kim, G. H., Cho, Y. S., Kim, W. D., " Stability analysis for multi-jets electrospinning process modified with a cylindrical electrode "; European Polymer Journal, Vol. 42, pp. 2031-2038, 2006.
5- Deitzel, J. M., Kleinmeyer, J. D., Hirvonen, N. C. and Beck, T. "Controlled deposition of electrospun poly(ethylene oxide) fibers," Polymer, Vol. 42, pp. 8163-8170, 2001.
6- Demir, M. M, Yilgor, I., Yilgor, E and Erman, B. "Electrospinning of polyurethane fibers," Polymer, Vol 43, pp. 3303-3309,2002.
7- Hanna Sofia, H. S, Edzrol, N. M., Mahadi, W. N. L. and Amalina, M. “Multiple-jet electrospinning methods for nanofiber processing: A review”, Materials and Manufacturing Processes, Vol. 33, pp. 479-498, 2018.
8- Yoon, W. J., Park, Y., Kim, J., Park, C. H., “Multi-jet electrospinning of polystyrene/polyamide 6 blend: thermal and mechanical properties”, Fashion and Textiles, Vol. 4, pp. 1-12, 2017. 9- سلیم بیگی، گ.، نصوری، ک.، شوشتری، ا.، " اثر
غلظت محلول پلیمری بر روی ساختار نانو الیاف )پلی
وینیل الکل("، مجله مواد نوین، جلد 3 ، شماره 3، ص 21 -
33 ، بهار 1392 .
10 حبیبی، آ.، موسوی خوئی، س. م.، محبوبی، ف.، -
خاکزاد، ا.، " فیلم نانوورقهای گرافنی به روش رسوب
پلاسمای الکترولیتی"، مجله مواد نوین، جلد 7 ، شماره 2 ،
ص 75 - 83 ، زمستان 1395 .
11-Gupta, A. K.; Paliwal, D. K.; Bajaj, P. ” Melting behavior of acrylonitrile
111 مجله مواد نوین/ جلد 9/شماره 1/ پاییز 1397
polymers”; Journal of Applied Polymer Science, No.70,2703–2709, 1998.
12- Clayden, J. “Organic Chemistry”; Oxford University Press, ISBN 0-19-850346-6, 276–296, 2001.
13- Jiang, G., Zhang, S., and Qin, X. "High through put of quality nanofibers via one steppedpyramid- shaped spinneret"; Materials Letters, Vol. 106, pp. 56-58, 2013.
14- Zdraveva, E. Pejnovic, N. and Mijovic, B. "Electrospinning of polyurethane nonwoven fibrous mats," TEDI-International Interdisciplinary Journal of Young Scientists from the Faculty of Textile Technology, vol.1, pp. 55-60, 2011.
15- Yang. Q. D. Li, Y. Hong, Z. Li, C. Wang, S. Qiu and Y. Wei, "Preparation and characterization of a PAN nanofiber containing AG nanoparticles via electrospinning," Synthetic Metals, vol. 137, pp. 973-974, 2003.
