نانوفایبرهای پلیمری و صفحات تارعنکبوتی نانوفایبری

نانو فایبرهای پلیمری و صفحات تارعنکبوتی نانوفایبری

دسته جدیدی از بی بافتها

نانوفایبر به طور کلی به آن دسته از الیاف گفته می شود که قطری کمتر از 1 میکرون داشته باشد. البته الیاف شیشه ای وجود دارند که گاهی اوقات قطرشان به محدوده کمتر از یک میکرون نیز می رسد . الیاف پلیمری MELT BLOWN نیز اخیرا قطرشان به زیر 1 میکرون رسیده است. با استفاده از سیستم ELECTROSPINNING قطر الیاف به 0/25 میکرون رسیده است و این الیاف بیشتر جهت مصرف در فیلترها مورد استفاده قرار می گیرند.

منسوجات بی بافت با کاربردهای زیادی که دارند می توانند از خصوصیات تکنیکی جالب توجه نانوفایبرها و صفحات تار عنکبوتی نانوفایبری نهایت استفاده را ببرند. از جمله کاربردهای منسوجات بی بافت می توان به کاربرد در فیلترها، سد سازی، پاک کننده ها، لوازم بهداشتی، پزشکی و داروسازی اشاره کرد. این مقاله درباره فرآیند ELECTRO SPINNINGجهت تولید نانوفایبرها و صفحات تارعنکبوتی بی بافت نانوفایبری که توسط پلیمرهای الیاف مصنوعی تولید شده اند بحث خواهد کرد و ویژگی های فیزیکی بدست آمده از این صفحات تارعنکبوتی بی بافت نانوفایبری را بررسی خواهد کرد. به منظور فراهم سازی زمینه مناسب برای صنعت بی بافت، صفحات تارعنکبوتی نانوفایبر با بی بافتهای SPUNBONDوMELT BLOWN مورد مقایسه قرار می گیرند. توصیف و مقایسه خصوصیات آنها برای طراحان و متخصصینی که در صنعت بی بافت هستند می تواند ابزارهای لازم را فراهم آورد تا بتوانند از این اطلاعات در تولید بی بافتهای نانوفایبری جدید استفاده کنند.

فرآیندELECTRO SPINNINGجهت تولید نانوفایبرها:

نانوفایبرهای پلیمری می توانند توسط فرآیندELECTRO SPINNING تولید شوند، که در بخشهای بعدی به شرح کامل آن می پردازیم. بخشهای اصلی یک دستگاهELECTRO SPINNING در شکل 1 به نمایش در آمده است.

شکل1- بخشهای اصلی یک دستگاه ELECTRO SPINNING

ELECTRO SPINNINGاز یک رشته جریان الکتریکی برای انتقال پلیمر مایع یا پلیمر محلول از نوک جسمی با خاصیت موئینگی به صفحه جمع کننده استفاده میکند. به پلیمر ولتاژی داده می شود که باعث می شود توسط جت از محلول به صفحه جمع کننده کشیده شود. جتهای باریک کار شکل دادن به به پلیمرها را برعهده دارند به طوریکه پلیمرها می توانند روی یک صفحه تار عنکبوتی جمع شوند. در فرآیند ELECTRO SPINNING می توان از پلیمرهای متنوعی استفاده کرد. با انتخاب یک پلیمر و سیستم حل کننده مناسب، نانوفایبرهایی با قطر بین 40-2000 نمره متریک (0/04-2 میکرون) را می توان تولید کرد.

نمونه هایی از نانوفایبرهای ELECTRO SPUN:

شکل 2 تصویری از نانوفایبرهای ELECTRO SPUN را نشان می دهد که به وسیله روش (S.E.M(SCANNING ELECTRON MICROGRAPH به اندازه ده هزار برابر بزرگتر شده است. قطر الیاف تقریبا 250 نانومتر است.از آنجا که الیاف خودشان از قطر بسیار کوچکی برخوردار هستند، ضخامت صفحه تار عنکبوتی نیز نسبتا کم است. ضخامت هر چهار نانوفایبر روی هم تقریبا برابر یک میکرون است. تارعنکبوتی نازک خصوصیات مکانیکی محدودی دارد که شبیه خصوصیات تار عنکبوتی های رایج در صنعت نیست. بر این اساس تارعنکبوتی های نانوفایبری با ترکیب های اولیه متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرد. ترکیب های اولیه تارعنکبوتی بر اساس نوع خصوصیات مکانیکی مورد نیاز و ایجاد کاربردهای مکمل انتخاب می شود. در زمینه فیلترها، ترکیبها بر اساس تا خوردن، ساختمان فیلتر، دوام استفاده و تمیز کنندگی فیلتر انتخاب می شوند.

شکل2 - تصویری از نانوفایبرهای ELECTRO SPUN

شکل 3 عکسی است که سطح مقطع نانوفایبرهایELECTRO SPUN را در ترکیب با پلی استرSPUNBOND شده نشان می دهد. ترکیب اولیه جهت تامین خصوصیات مکانیکی انتخاب شده است.تارعنکبوتی نانوفایبر روی بازدهی فیلتر تاثیر بسیار مهمی دارد.

شکل3- سطح مقطع نانوفایبرهای ELECTRO SPUN در ترکیب با پلی استر SPUNBOND

شکل 4 عکسی از نانوفایبرهای الکترواسپان تجاری در ترکیب با سلولز را نشان می دهد که برای تولید فیلتر هوا ترکیب شده اند. قطر نانوفایبر حدودا 250 نانومتر است در حالی که سلولز قطری متجاوز از 10 میکرون دارد. این ساختمان مرکب فیلتر با سرعت بالای صفحه گردنده ترکیب می شود و این با کمترین میزان صدمه لایه نانوفایبر همراه است.

شکل4- نانوفایبرهای الکترواسپان تجاری در ترکیب با سلولز

کنترل پارامترهای الکترواسپینینگ امکان تولید تار عنکبوتی های نانوفایبر با ویژگی های فیلتری متفاوتی را می دهد. الیاف با اندازه های متفاوتی می توانند ساخته شوند، برخی حتی به کوچکی 40 نانومتر تولید می شوند. الیاف می توانند در هر قسمتی از ترکیب قرار گیرند. بعلاوه شکل5 تفاوت بین یک لایه سبک از نانوفایبرها و یک لایه سنگین نانوفایبرها را نشان می دهد. نانوفایبرها با ترکیبهای متفاوتی همچون شیشه، پلی استر، نایلون و ترکیب فیلتر سلولزی الکترواسپان می شوند.

شکل5- تارعنکبوتی های نانوفایبری با چگالی های نتفاوت

خصوصیات فیلتر کردن نانوفایبرها را می توان به صورت واقعی با مرور S.E.M نانوفایبری که در معرض آلودگی قرار گرفته است نشان داد. شکل 8 یک کامپوزیت سلولزی و سلولزی-نانوفایبری (با نانوفایبرهای در جهت قرارگیری مخالف یکدیگر) را نشان میدهد. هر دو توسط آزمایش ISO FINE TEST DUST تحت فشار یکسانی قرار می گیرند ("W.G 0.5) . این آزمایش به صورت رسمی برای آزمایش موتورهای تمیز کننده هوا مورد استفاده قرار می گیرد و برای اجزای با اندازه بین 0/7-70 میکرون مورد استفاده قرار می گیرد. نمونه سلولزی عمق تمیز کنندگی و میزان دقت زیر میکرونی دارد در حالیکه نمونه کامپوزیتی میزان تمیزکنندگی در سطح نانو فایبر و مقدار مشخصی از اجزای کوچکتر از میکرون را نشان می دهد. مدل کامپوزیتی 2/5 برابر مدل سلولزی گردوغبار را (بر حسب چگالی) نگه داشت.بهبود ظرفیت نگهداشتن کثیفی نانوفایبرها به کوچکی قطر الیاف و هرچه بیشتر بودن سطح الیاف بستگی دارد. این ویژگیهای فیلتر کردن در مورد محصولات پاک کننده نیز می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

شکل 6- فیلتر سلولزی پایین و فیلتر نانوفایبری در بالا

شکل7 یک نمونه مرکب را نشان می دهد که در معرض آلودگی زیر میکرون سدیم کلراید قرار گرفته است. دراندازه های مجزای 0/01 تا 0/5 میکرونی، نانوفایبرها با اجزای نمکی پوشیده شده اند و هر چه الیاف بزرگتری در ترکیب اولیه وجود داشته باشند نسبت کمتری اجزای زیر میکرونی جمع می شود.

شکل 7 - یک نمونه مرکب که در معرض آلودگی زیر میکرون سدیم کلراید قرار گرفته است

افزایش کارایی فیلتر کردن آلودگی های زیر میکرونی توسط نانوفایبرها ایجاد میشود. سفارش بسیاری شده است که استفاده از نانوفایبرها به عنوان کریر (CARRIER) در کارهای شیمیایی می تواند منافع جالبی داشته باشد.

ویژگی های فیزیکی تارعنکبوتی های نانوفایبری تجاری: مقایسه ای با تار عنکبوتی های MELTBLOWNوSPUNBOND

مقایسه تارعنکبوتی های نانوفایبری با سایر فرآیندهای بی بافت که مستقیما تار عنکبوتی تولید می کنند کار مفیدی است. البته فرایندهای زیادی هستند که می توان از طریق آنها مواد تارعنکبوتی بی بافت را تولید کرد، مقایسه روش الکترواسپان با دوتا از مهمترین روشها در تولید منسوجات بی بافت یعنی MELTBLOWNوSPUNBOND مفید تر است. در رواقع این 3 روش و نتایج تولیدات آنها دو ویژگی قابل توجه را به اشتراک گذاشته اند:

1. فرآیند با پلیمری به شکل مایع شروع می شود و در آخر الیاف و لایه تارعنکبوتی به صورت مستقیم و طی یک مرحله تولید می شوند.

2.  محصول نهایی ترکیبی از الیاف پلیمری است و در آن از هیچ چسب، رزین یا مواد افزودنی استفاده نشده است.

فرآیندهای بسیاری برای تولید منسوج بی بافت  لیفی شکل مورد نیاز است ولی در کل الیاف به صورت مستقل از لایه تار عنکبوتی تولید می شوند بعلاوه سایر فرآیندهای بی بافت در کل از یک ماده شیمیایی (مثل چسب رزینی درWETLAID) یا از یک فرآیند مکانیکی اضافی (همچون کاردینگ یا HYDRO ENTANGLING) جهت محکم کردن الیاف در تارعنکبوتی استفاده می کنند.

ساده ترین تفاوتی که بین نانوفایبرهای الکترواسپان،الیاف MELT BLOWN و SPUNBOND شده وجود دارد اندازه(SIZE) آنها است(جدول1). تفاوت اندازه الیاف منجر به ایجاد تفاوتهایی درخصوصیات تار عنکبوتی می شود. تفاوتهایی از قبیل مساحت سطح الیاف (جدول2)، وزن پایه (جدول3)، ضخامت، نفوذپذیری و استحکام. حال آنکه محاسبه خصوصیات فیزیکی تار عنکبوتی نانوفایبر اغلب مستقیما از نمره و قطر لیف در S.E.M بدست می آید. هنگامی که نتایج در واحدهای صنعتی مورد بررسی قرار گرفت در یافتیم که تار عنکبوتی های نانوفایبری الکترواسپان دارای قطرهایی هستند که 1 تا 2 برابر از الیاف MELT BLOWN کوچکتر است. این باعث افزایش مساحت سطح الیاف و کاهش وزن پایه می شود. قطرهای الیاف الکترواسپان امکان تولید تارعنکبوتی هایی با ماده تشکیل دهنده بیشتر و توپرتر و منافذ کوچکتر نسبت به تار عنکبوتی هایMELTBLOWNوSPUNBOND را فراهم می کنند.

جدول 1

جدول2

 

جدول3

شکل 8 یک تصویر فوتومیکروگراف از یک ترکیب تجاری موجود در بازار که ترکیبی از الیاف SPUNBOND-MELTBLOWN وSPUNBOND است را نشان می دهد و نسبت اندازه الیاف SPUNBOND وMELT BLOWN را در مقایسه با ساختمان نانوفایبرها که قبلا نشان داده شده نمایش می دهد. همانند نانوفایبرها، الیاف MELT BLOWN نیز نیاز به ترکیب تقویت کننده دارند و در کل در یک ساختمان مرکب به کار برده می شوند.

شکل 8

محصول تجاری تارعنکبوتی نانوفایبر برای تولیدات جدید بی بافت:

در حالی که فرآیند ELECTRO SPINNING جهت تولید نانوفایبر مدت زیادی است که شناخته شده است، ولی میزان تحقیقات آکادمیک در این زمینه تنها در سالهای اخیر افزایش یافته است. تحقیقات آکادمیک درباره نانوفایبرهای الکترواسپان باعث افزایش توجه به این تکنولوژی و ایجاد تولیدات بیشتری برای نانوفایبرها شده است.

همانطور که گفتیم تار عنکبوتی های مرکب نانوفایبری در تولید فیلتر هوا استفاده می شوند. بسیاری از این فیلترهای هوا با عرضی متجاوز از 24 اینچ(610 میلی متر) ساخته می شوند.یک نمونه از این محصول در شکل 9 نشان داده شده است. هم اکنون یک کارخانه بالغ بر 10000 متر مربع در روز تارعنکبوتی نانوفایبری پلی آمیدی را تولید می کند.

شکل 9- نمونه ای از یک فیلتر هوا که در ساخت آن از تارعنکبوتی نانوفایبر استفاده شده است

همانگونه که از خصوصیات فیزیکی تارعنکبوتی های نانوفایبری الکترواسپان انتظار می رفت، تکنیکهای مرسوم (همچون B-RADIATION و روشهای اپتیکی) جهت تعیین خصوصیات تارعنکبوتی برای الیاف با اندازه کوچک و ساختمان باریک عملی نیستند و نیاز است که خروجی فرآیند اندازه گیری شود. یک روش آنلاین آزمایش کارایی تارعنکبوتی(OEM) فیلتر کردن اختراع شده است. در این آزمایش از دو سیلندر شمارنده اجزا بعلاوه هد برای نمومنه گیری استفاده می شود. نمونه گیر از یک پرده هوا تشکیل شده است که در سرعت های بالاتر از چند هزار فوت در دقیقه نیز امکان عمل کردن را دارد (هم اکنون اطلاعات زیادی در باره این روش در دست نیست).

این روش اطلاعات لازم را در مورد پیوستگی تار عنکبوتی در ماشین و مسیرهای تقاطع جمع آوری می کند. این روش آزمایش برای توسعه محصول، توسعه فرآیند تولید و کنترل فرآیند تولید مورد استفاده قرار می گیرد. تفکیک های جدید بسیاری جهت اندازه گیری میزان خروج و کنترل کیفیت فرآیند الکترواسپینیگ ایجاد شده است.

نانوفایبرها و تار عنکبوتی های نانوفایبری خصوصیات جدیدی را برای صنعت بی بافت به ارمغان آورده اند،همانند تمام تکنولوژی ها، آنها هم محدودیت هایی دارند. تارعنکبوتی های نانوفایبری نمی توانند روی تجهیزات معمولی نگهداری تار عنکبوتی قرار گیرند(بدون تجهیزات جانبی). در نتیجه تارعنکبوتی های نانوفایبری بایستی به همراه سایر مواد بی بافت به عنوان تقویت کننده در یک ساختمان مرکب استفاده شوند.

نتیجه گیری:

1) با کمک روشها و و تجهیزات جدید جهت مشخص کردن و کنترل فرآیند خروجی، تشکیل و تولید محصولات جدید نانوفایبری تسریع پیدا می کند.

2) وزن پایه کم، قطر کم الیاف و اندازه یکنواخت و برابر آنها ، قدرت پوشانندگی زیاد از مزایای محصولات این سیستم هستند.

3) انتخاب خصوصیات شیمیایی الیاف ابزاری مهم در توسعه محصولات جدید همچون پارچه های سدسازی، پاک کننده ها، تمیزکننده های بهداشتی، پزشکی و محصولات مربوط به داروسازی را در اختیار ما قرار می دهد.

با تشکر

امیرا پورمظفر

 

HOME     TOP