پایان نامه بررسی فرآیند تولید و کاربرد الیاف فوق ظریف و نانو

پایان نامه مقطه کارشناسی

رشته نساجی

چکیده :

به منظور تولید الیاف نانو دو روش کلی وجود دارد، روش اول، تولید الیاف با استفاده از کاتالیزور می باشد که در این روش الیاف در بستر مخصوص یا محلول اختصاص داده شده منعقد می شوند، استفاده از کاتالیزور شناور برای تولید مناسب تر از کاتالیزور دانه دار شده
می باشد زیرا میزان کاتالیزور موجود در بستر محلول همواره تحت کنترل می باشد. روش دیگر تولید الکتروریسی می باشد که می توان نانو الیاف منفرد و ممتد را به میزان تولید بالا تهیه نمود. در این روش نانو الیاف پلیمری می توانند مستقیماً از محلول پلیمری به نانو الیاف پلیمری تبدیل شوند.

الکتروریسی ریسیدن نانو الیاف پلیمری تا قطر چند ده نانو متر، روشی است که تکیه بر نیروهای الکترواستاتیکی دارد. در این فرآیند، بین قطره ای از محلول پلیمری یا مذاب که در نوک نازل آویزان است و یک صفحه فلزی جمع کننده پتانسیل الکتریکی اعمال می شود. با بالا رفتن میدان الکتریکی قطره پلیمری شروع به کشیده شدن می کند تا اینکه این نیرو بر نیروی تنش سطحی قطره غلبه کرده و یک جت شارژ شده بسیار نازک از محلول پلیمری از سطح قطره خارج شده و به سمت فلز جمع کننده سرعت می گیرد. پس از طی مسیر کوتاهی دافعه متقابل شارژهای حمل شده در سطح جت، آنرا خم کرده و جت، مسیر خود را بصورت مارپیچ و حلقه ای ادامه خواهد داد. بدین ترتیب جت در فاصله کم نازل تا جمع کننده
می تواند مسیر بسیار زیادی را طی کرده، تا نیروهای الکتریکی آنرا هزاران بار کشیده و ظریف نمایند.

استفاده از این تکنولوژی های جدید ما را در انجام کارهایی که زمانی غیر ممکن
می نموده رهنمون می سازد، در سال های اخیر از این شیوه برای ساخت الیاف نانو در محدوده وسیعی از پلیمرها و در کاربردهای مختلف نظیر ساخت فیلترها، تقویت در کامپوزیت ها، کامپوزیت های شفاف، نانو الیاف کربن، نانو الیاف هادی، نانو الیاف توخالی، نانو الیاف سرامیکی، سنسورهای بسیار حساس، قالب برای رشد بافت زنده بدن، پر کردن بافت های آسیب دیده، بافت های ضد باکتری، حمل دارو، پوشش زخم، ماسک های آرایشی و ... به کار رفته است.

-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 هایی 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]

2-2-1) نانو پوششها: Nano Coatings)                                                                             (

پوششها دارای کاربردهای مختلف و متنوعی می باشند. پوشش ها برای محافظت، افزایش یا تزیین محصولاتی چون شیشه ها، فلزات، پلاستیک ها، کاغذ، کفشها، عینک های آفتابی، لوازم ورزشی، مبلمان، وسایل آشپزی، آلات پزشکی، الکترونیک و اتومبیل ها به کار می روند با این وجود هم پوشش ها و هم سطوحی که در مورد پوشش ها به کار می روند در معرض آسیب هایی از محیط اطراف مثل باران، برف، نمک ها ، رسوب های اسیدی، اشعه ماوراء بنفش نور آفتاب و رطوبت می باشند. ضمنا پوشش ها قابلیت خش برداشتن، تکه تکه شدن و یا آسیب دیدگی در زمان استفاده ، ساخت و حمل ونقل را دارند. با یافتن راههایی می توان از آسیب دیدن روکش ها جلوگیری کرد. همانطور که گفته شده فناوری نانو قادر به جلوگیری از خش برداشتن، تکه تکه شدن و خرده شدن روکش ها می باشد. از موارد استفاده نانو روکش ها
می توان به روکش های ضد انعکاس در مصارف خودرو سازی و سازه ای، روکش های محافظ (ضد خش، غیرقابل رنگ آمیزی و قابل شستشو آسان) و روکش های زینتی اشاره کرد. فناوری های روکش دهی پیشرفته همانند مواد مبتنی بر نانو ذرات سرامیکی می تواند منجر به مقاومت حرارتی بهبود یافته ومصارفی با مقاومت حرارتی بالاتر شود.[1]

از کاربرد این روکش ها در صنایع خودرو سازی و حمل و نقل می توان به نانوروکش های سرامیکی که موجب پایداری حرارتی و مقاومت به فرسایش در قطعات موتور می شوند، اشاره کرد.[1]

3-2-1 ) نانو خوشه ها:                                                                                  (Nano Clusters)

در اوایل دهه 80 میلادی دانشمندان فیزیک کشف کردند که اتم های گازی، فلزی به شکل حباب های پایدار وبا تعداد اتم های مشخصی مجتمع می شوند. در دهه 90 آنها اثر مشابهی را در کار بر روی سطوحی مشاهده کرده اند که اتم های گازی می توانند به شکل خوشه هایی با   اندازه های ویژه روی سطح بچسبند. یک گروه با رهبری Qi- kue xueاز دانشگاه علوم چین سعی کردند که این فرآیند را با دقت بیشتر و با استفاده از اتم های سطحی سیلیکون به عنوان یک الگو کنترل کنند. آنها اتم های فلزی بر روی سطح بسیار منظم کریستال Si را بصورت بخار در آورده و با استفاده از میکروسکوپ SEM مشاهده کردند که خوشه یکنواخت در 5/1 تا 4 میلیمتر از سطح کریستال تشکیل شده است. همچنین مشاهده کردند که هر خوشه در نصف واحد شبکه کریستال Si تشکیل می شود و نیمی دیگر از کریستال را خالی می گذارد. با توجه به محاسبات انجام شده به این نتیجه رسیدند که اتم ها سطح را برای پیدا کردن مکانی که به کمترین مقدار انرژی برسند، جستجو می کنند. اگر خوشه ها دارای خاصیت آهن ربایی شوند می توانند برای وسایل، ذخیره اطلاعات که بسیار فشرده هستند و کاتالیست ها برای واکنش های شیمیایی استفاده شوند.

منابع و مآخذ :

1- Wong, y, yuen.c, Leury, M. ku, s. lam, selected Applications of Nanotechnology in Textile, Autex Research Journal, vol 6, No. 1, March 2006.

2- Thandavamoorthy subbiah, G. S. Bhat, R. W. Tock, S. Parameswaran, S. S. Ramkomar, Electrospinning of Nanofibers 2004.

http://www.interscience.wiley.com

3- Jamila showon, M. S, Eleetrospinning of polycarbonate fibers with solvent ixtures THF and DMF, University of Massachvsetls, 2003.

4- Zheng- Ming Huang, y-z Zhaug, M. Kotaki, S. Ramakrishna, A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nano Composites, Composites science and technology 2003

5- رقیه دمرچلی، سمینار کارشناسی ارشد، روشهای پیشرفته ریسندگی الیاف، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران جنوب، سال 1383 .

6- W. D. Bates, C. P. Barnes, Z. ounaies and G. E. whek; Electrostatic Processing of  PVDF, Polymer Perprints 2003.

7- Jason lyons, christopher pastor, and frank Ko, Developments in Melt Electrospinning of thermoplastic polymers, polymer preprints 2003.

8- Dufei Fang, BenJamin S. Hsiao and BenJamin chv, Multiple-Jet Electrospinning of non- woven nanofiber Articles, 2003.

9- Pankaj Gupta, Garth L. wilkes, some investigations on the fiber formation by utilizing a side- by- side biocomponeut electrospinning approach.

10- Lijie ci, yanhuili, Bingqing wei, Ji liang, Dehai wu, Preparation of carbon nanofibers by the floating catalyst method 2000.

11- A. L. yarin, E. Zvssman; Department of Mechanical Enginreering, Electrospinning of Nanofibers from polymer solutions.

12- Frank ko, yory Gogotsi, Ashrat Ali, Nevin Naguib, Advanced Materials, Electrospinning of continuous carbon nanotube- filled nanofiber yarns 2004.

http://www.adrmot.de

13- E. Zussman, X. chen, w. Ding, L. calabri, D. A. Dikin, Department of mechanicl Enginreeing, Mechanical and strudtural characterization of electrospun PAN- derived carbon nanofibers 2005.

http://www. Elsevier.com/locate/carbon

14- Fabrication of ultrafine conducting fibers: Polyaniline polyethylene oxide’ blends, synthetic metals 2000.

15- Kyoung- woo kim, young L. Joo, Emmanuel P. Gianulis, Effect of nanoclays on molecdar structure of Poly ( L- latic) Acid in Electrospinning 2003.

16- Dimitry M. luzhansky, Donaldson Company, Quality Control in Manufacturing of Electrospinning Nanofibers Composites.

17- Katarzyna sawicka, Pereva Govma, Sanford simon, Electrospun biocomposite nanofibers for urea bioseusing 2004.

http://www.elsevier.com/locate/snb

18- Xin Tong, yong chen, Huiming cheng, Influence of carbon nanofiber Addition on Mechanical properties and crystallization Behavior of Polypropylene 2004.

19- Hohman MM, shin M, Rotledge G. Brenner MP, Electrospinning electrically forced Jets I. Application, physics of fluids 2001.