بررسی فرآیند تولید و کاربرد الیاف فوق ظریف و نانو

فهرست مطالب
چكيده 1
فصل اول : نانو تكنولوژي و تاريخچه توليد الياف نانو
1-1)مقدمه 3
2-1)نانو مواد و طبقه بندي آنها 4
1-2-1)نانو فيلمهاي نازك 5
2-2-1)نانو پوششها 6
3-2-1)نانو خوشه ها 7
4-2-1)نانو سيمها ونانو لوله ها 8
5-2-1)روزنه هاي نانو 9
6-2-1)نانو ذرات 9
3-1)الياف نانو 10
4-1)تاريخچه توليد الياف نانو 11
فصل دوم : روشهاي توليد الياف نانو
1)تهيه الياف نانو به روش كا تا ليزور شناور 18
اثر سولفور 21
اثر دماي تبخير ماده خام 23
اثر هيدروژن 25
2)ريسندگي الكترو اسپينينگ 27
1-2)تئوري و فرايند ريسندگي الكترو اسپينينگ 27
2-2)ريسندگي الكترو اسپينينگ 29
1-2-2)ريسندگي الكترو اسپري 29
2-2-2)ريسندگي الكترو مذاب 30
3-2-2)ريسندگي الكترو محلول 32
3-2)شروع جريان سيال پليمري وتشكيل مخروط تيلور 35
4-2)ناپايداري خمشي 36
5-2)ريسندگي الياف نانو پليمري 38
6-2)ساختار ومورفولوژي الياف نانو پليمري 38
7-2)پارامترهاي فرايند و مورفولوژي ليف 39
1-7-2)ولتاژ اعمال شده 39
2-7-2)فاصله جمع كننده-نازل 40
3-7-2)شدت جريان پليمر 41
4-7-2)محيط ريسندگي 41
8-2)پارامترهاي محلول 42
1-8-2)غلظت محلول 42
2-8-2)رسانايي محلول 43
3-8-2)فراريت حلال 43
4-8-2)اثر ويسكوزيته 44
9-2)خواص الياف نانو 45
1-9-2)خواص حرارتي 45
2-9-2)خواص مكانيكي 46
10-2)مزاياي ريسندگي الكترو 46
11-2)معايب ريسندگي الكترو 48
12-2)بررسي اهداف ايده ال در ريسندگي الكترو 49
13-2)ريسندگي الياف دو جزئي پهلو به پهلو 51
14-2)خصوصيات الياف الكترو ريسيده شده 53
15-2)ريسندگي الكتريكي الياف نانو از محلولهاي پليمري 54
16-2)ريسندگي الكترو الياف پر شده با نانو تيوبهاي كربن 58
17-2)تعيين خصوصيات مكانيكي و ساختاري الياف كربن الكترو ريسيده شده 68
فصل سوم : كاربردهاي مختلف الياف نانو و نانوتكنولوژي در صنعت نساجي
مقدمه 84
1-3)الياف نانو گرافيت و كربن 85
2-3)نمونه بافت و تزريق دارو 85
3-3)الياف نانو با خاصيت كا تا ليزوري 87
4-3)فيلتراسيون 88
5-3)كاربرد هاي كامپوزيتي 90
6-3)كاربرد هاي پزشكي 91
1-6-3)پيوندهاي شيميايي 91
2-6-3)نمونه بافت 92
3-6-3)پوشش زخم 93
4-6-3)تزريق دارو 94
5-6-3)دندانپزشكي 94
7-3)مواد آرايشي 95
8-3)لباس محافظتي 96
9-3)كاربرد الكتريكي و نوري 97
10-3)كشاورزي 97
11-3)كاربردهاي نانو تكنولوژي در نساجي 98
1-11-3)دفع آب(ابگريزي) 98
2-11-3)محافظت در برابر اشعه uv 100
3 -11-3)ضد باكتري 101
4-11-3)آنتي استاتيك 103
5-11-3)ضد چروك 104
12-3)كنترل كيفيت در توليد كامپوزيتهاي الياف نانو الكترو اسپان 105
توزيع يكنواختي الياف نانو 106
سنجش الياف بصورت اتوماتيك 108
آزمايش مقاومت در برابر عوامل محيطي 109
دستگاه آزمايش خميدگي DL 110
13-3)الياف نانو كامپوزيت الكترو اسپان براي تشخيص بيو لوژيكي اوره 111
14-3)تاثير افرودن الياف كربن بر روي خواص مكانيكي و كريستالي شدن پلي پروپيلن 116
ضميمه 125
نتيجه 129
منابع و مآخذ 131
چكيده :
به منظور توليد الياف نانو دو روش كلي وجود دارد، روش اول، توليد الياف با استفاده از كاتاليزور مي باشد كه در اين روش الياف در بستر مخصوص يا محلول اختصاص داده شده منعقد مي شوند، استفاده از كاتاليزور شناور براي توليد مناسب تر از كاتاليزور دانه دار شده
مي باشد زيرا ميزان كاتاليزور موجود در بستر محلول همواره تحت كنترل مي باشد. روش ديگر توليد الكتروريسي مي باشد كه مي توان نانو الياف منفرد و ممتد را به ميزان توليد بالا تهيه نمود. در اين روش نانو الياف پليمري مي توانند مستقيماً از محلول پليمري به نانو الياف پليمري تبديل شوند.
الكتروريسي ريسيدن نانو الياف پليمري تا قطر چند ده نانو متر، روشي است كه تكيه بر نيروهاي الكترواستاتيكي دارد. در اين فرآيند، بين قطره اي از محلول پليمري يا مذاب كه در نوك نازل آويزان است و يك صفحه فلزي جمع كننده پتانسيل الكتريكي اعمال مي شود. با بالا رفتن ميدان الكتريكي قطره پليمري شروع به كشيده شدن مي كند تا اينكه اين نيرو بر نيروي تنش سطحي قطره غلبه كرده و يك جت شارژ شده بسيار نازك از محلول پليمري از سطح قطره خارج شده و به سمت فلز جمع كننده سرعت مي گيرد. پس از طي مسير كوتاهي دافعه متقابل شارژهاي حمل شده در سطح جت، آنرا خم كرده و جت، مسير خود را بصورت مارپيچ و حلقه اي ادامه خواهد داد. بدين ترتيب جت در فاصله كم نازل تا جمع كننده
مي تواند مسير بسيار زيادي را طي كرده، تا نيروهاي الكتريكي آنرا هزاران بار كشيده و ظريف نمايند.
استفاده از اين تكنولوژي هاي جديد ما را در انجام كارهايي كه زماني غير ممكن
مي نموده رهنمون مي سازد، در سال هاي اخير از اين شيوه براي ساخت الياف نانو در محدوده وسيعي از پليمرها و در كاربردهاي مختلف نظير ساخت فيلترها، تقويت در كامپوزيت ها، كامپوزيت هاي شفاف، نانو الياف كربن، نانو الياف هادي، نانو الياف توخالي، نانو الياف سراميكي، سنسورهاي بسيار حساس، قالب براي رشد بافت زنده بدن، پر كردن بافت هاي آسيب ديده، بافت هاي ضد باكتري، حمل دارو، پوشش زخم، ماسك هاي آرايشي و … به كار رفته است.

فصل اول
نانو تكنولوژي و تاريخچه توليد الياف نانو
1-1 )مقدمه:
مفهوم نانوتکنولوژی جدید نمی باشد و از بیش از 40 سال پیش آغاز گردیده است، بر اساس تعریفNNI نانو تکنولوژی عبارت است از بکار بردن ساختارهایی با حداقل یک بعد در اندازه نانومتر برای ساخت مواد، وسایل و سیستم هايي با خواص بدیع و قابل توجه که مربوط به اندازه نانو آنها می باشد. نانو تکنولوژی نه تنها ساختارهای کوچک تولید می کند بلکه تکنولوژی ساخت پیشرفته ای می باشد که می تواند کنترل کم هزینه ای برای ساختار ماده ایجاد نماید. نانوتکنولوژی در بهترین صورت به این گونه توصیف می شود که فعالیت هایی هستند در حد اتمها و مولکول ها که کاربردهایی در دنیای واقعی دارند. قطعات نانو که به طور معمول در محصولات تجاری استفاده می شوند، در حدود یک تا صد نانومتر هستند. [1]
نانو تکنولوژی به صورت روزافزونی توجه دنیا را به خود جلب نموده چرا که به عنوان ارائه کننده پتانسیل بالایی از محدوده های وسیع، مصارف شناخته شده است. خواص جدید و
بی نظیر مواد نانو نه تنها دانشمندان و محققین بلکه تجارت را به خود جلب کرده که به دلیل پتانسیل بالای اقتصادی آن می باشد.[1]
همچنین نانو تکنولوژی پتانسیل تجاری واقعی برای صنعت نساجی دارد این امر به طور عمده به خاطر این واقعیت است که روش های مرسوم که برای دادن خواص مختلف به پارچه استفاده می گردند معمولا اثر دائمی ندارند و کارایی خود را بعد از شستشو و یا بر اثر پوشیدن از دست می دهند. نانو تکنولوژی می تواند دوام بالایی برای پارچه ها ایجاد کند چرا که قطعات نانو سطح بزرگی از نسبت مساحت به حجم و نیز انرژی سطحی بالایی دارند، بنابراین بستگی بیشتری با پارچه داشته و منجر به افزایش ماندگاری کاربردی آن می گردد. به علاوه پوششی از ذرات نانو روی پارچه بر خاصیت عبور هواو زیر دست آن اثری نمی گذارد بنابراین مزیت استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت نساجی در حال افزایش است.خواصی که با استفاده از نانوتکنولوژی به پارچه داده می شود عبارتند از آب گریزی، ضد خاک،
ضد چروک، ضد باکتری، آنتی استاتیک، مقاومت در برابر اشعه یو وی، کند کردن توسعه آتش، بهبود در رنگ پذیری و غیره که در فصل های بعدی به آنها اشاره خواهد شد.[1]
2-1 )نانومواد:
مواد نانو ساختار در دهه گذشته به علت داشتن رفتار و ویژگیهای برجسته مورد توجه وسیع جامعه علمی و صنعتی جهان قرار گرفته است. ماده نانوساختاری به هر ماده ای اطلاق
می شود که حداقل یکی از ابعاد آن در مقایس نانومتر(زیر 100 نانومتر) باشد این تعریف صریحا انواع بسیار زیادی‌از ساختارها اعم از ساخته‌دست بشر یا طبیعت را شامل می شود.[1]
طبقه بندی نانو مواد: (Classification of Nanomaterials)                                                1- نانو فیلم های لایه نازک                                            (Nano Layer Thin Films)
2- نانو پوششهاNano Coatings)                                                                                   (
3- نانو خوشه ها                                                                      (Nano Clusters)
4- نانو سیم ها و نانو لوله ها(Nano Tubes & Nano Wires)
5- روزنه های نانو                                 (Nano Pores)
6- نانو ذرات (Nano Particles  )                                                                                          در این بخش به معرفی هر گروه از این طبقات می پردازیم:
1-2-1) نانو فیلم های لایه نازک :                                                      (Nano Layer Thin Films)
در دنیای کنونی اصلاحات سطحی به یک فرآیند مهم و اساسی تبدیل شده است. در سه دهه گذشته سطوح و لایه های روی آن ها و پوشش دهی سطوح، افزایش کارایی و محافظت سطوح را به دنبال دارد. در این مورد روشهایی شامل ایجاد لایه های نازک یا پوشش ها بر روی سطوح موجود می باشند که به این ترتیب یک سطح جدید ساخته می شود. رسوب یک لایه نازک (نانو لایه) برای پوشش دهی در اکثر صنایع جایگاه مهمی یافته است. در واقع نانولایه ها فیلم های بسیار نازک و نانو پوششها سطح جدیدی از فناوری لایه های نازک
می باشند. نانو لایه ها باعث افزایش ارزش افزوده زیادی برای صنعت پوشش ها می شوند. نانو لایه ها دارای یک ساختار نانوذره ای می باشند که این ساختار یا از توزیع نانو ذرات در لایه ایجاد می شود و یا به وسیله یک فرآیند کنترل شده یک نانوساختار در حین رسوب ایجاد می شود. با افزایش لایه ها می توان طبقاتی از لایه های دارای ضخامت یک مولکول ایجاد کرد و ماده روکش شده هم خود می تواند به عنوان زیر لایه ای برای لایه دیگری از یک ترکیب متفاوت باشد. تابه حال چندین راه کار متفاوت برای خلق فیلم های فلزی و سرامیکی ایجاد شده است ولی معمولا شرایطی دارند که در آن مولکول های عالی تخریب می شوند. یکی از روش های ایجاد این لایه های نازک، لیتوگرافی می باشد که جدیداً به نانولیتوگرافی مشهور شده است چون توانایی ایجاد لایه های نانومتری را پیدا کرده است. قابل ذکر است که نانولایه ها در الکترونیک کاربرد زیادی را پیدا کرده اند. یکی از بزرگترین زمینه های کاربردی در فیلم های نازک استفاده از این نانولایه ها در اجزا و قطعات الکترونیکی، نوری و الکترواپتیکی است. همانند زیر لایه ها، خازن ها،قطعات حافظه،آشکار سازی های مادون قرمز و راهنماهای موجی. [1]
نسبت داده که باعث حرکت نقطه ذوب به بالاتر از دمای eutectic شده که به طور قابل توجهی شدت هسته دار شدن لیف را توسط فرآيند گاز – مایع – جامد (VLS) افزایش می دهد.[10]
تاثیر مقدار اضافی سولفور (تیوفن) در ماده اولیه بر روی مورفولوژی محصولات کربن در جدول شماره1 و شکل شماره(2-2) نشان داده شده است.[10]
جدول شماره 1:  تأثير مقدار تيوفن بر روي مرفولوژي محصول
شكل 2-2: مرفولوژي محصول در مقادير مختلف تيوفن
گوی های کربن spheres) Carbon)  با قطرهایی بین 200 تا 600 نانومتر بدون حضور سولفور تولید شده و با افزایش مقدار تیوفن، الیاف کربن با قطرهایی بین 10 تا 100 نانومتر به دست آمده و هنگامی که ماده اضافی تیوفن افزایش یافته وبه بهترین مقدار خود (ml 43/0 تیوفن و 1 گرم فروسن در هرml  100 محلول بنزن) رسید، تمام محصولات به طور کامل تکامل یافته و فیلامنت های کربن به دست آمد. اضافه کردن مداوم مقدار سولفور باعث ظاهر شدن مجدد گوی های کربن شد. [10]
اثر دماي تبخير ماده خام ( Tbw ):
شکل شماره(3-2) محصولات کربن را در مقادیر متفاوت Tbw درحالی که سایر پارامترها در این آزمایشات کاملا برابر بود نشان می دهد. در دمای Tbw > c˚ 300 محصولات بیشتر به صورت گوی های کربن بوده و به دست آوردن فیلامنت های کربن دشوار مي باشد. هنگامی که مقدار Tbw کاهش یافت و به c˚ 270  رسید بیشتر الیاف کربن لوله مانند و پرپیچ و تاب بوده و قطر میانگین آنها برابر با 80 نانومتر بود. با کاهش بیشتر Tbw به 247 درجه الیاف لوله مانند کربن تقریبا صاف شده و تا حدودی الیاف نانو صاف با قطری بین 5 تا 45 نانومتر به وجود آمد. در دمای 205 تا 230 درجه Tbw بیشتر محصولات تقریبا الیاف نانوکربن با میانگین قطر 3500 نانومتر بوده اند. [10]
شكل 3-2: مرفولوژي محصول در دماهاي مختلف تبخير ماده خام
مشاهدات به دست آمده از میکروسکوپی الکترونی TEM  نشان داده است که اندازه  ذرات کاتالیزور که تقریبا با قطر داخلی لیف برابر است در مقادیر مختلف Tbw متفاوت بوده است. شکل شماره (4-2) ارتباط بین قطرهای لیف( قطر خارجی و قطر داخلی) و Tbw را نشان
می دهد.