بررسی اثر غلظت بر روی ساخت نانوالیاف با استفاده از فرآیند ریسندگی الکتریکی

طبق مطالعاتی که تاکنون بر روی اصول فرآیند ریسندگی الکتریکی انجام شده است، درگیری های زنجیره های پلیمری یکی از عامل های مهم در محلول پلیمری محسوب می شود. این عامل می تواند به شدت تشکیل الیاف در طول ریسندگی الکتریکی را تحت تاثیر قرار دهد. هرچند فهم دقیقی از چگونگی تاثیر این درگیری ها بر روی تشکیل جت و در نهایت تشکیل الیاف وجود ندارد. شنوی و همکارانش توانسته اند با استفاده از درگیری زنجیره های پلیمر، یک رابطه نیمه تجربی بسیار ساده برای توضیح انتقال از فرآیند پاشش الکتریکی به ریسندگی الکتریکی در حلال های خوب بدست آورند. با این رابطه می توان به طور نسبی آغاز تشکیل الیاف مهره دار و تشکیل الیاف پیوسته و یکنواخت را بدون این که آزمایش های حدس و خطا در آزمایشگاه انجام شود، تخمین زد. تنها داده مورد نیاز در این رابطه، جرم مولکولی درگیری پلیمر در حالت مذاب می باشد. این رابطه یا رویکرد نمی تواند در بعضی محلول های پلیمری، غلظت صحیح برای آغاز تشکیل الیاف مهره دار یا الیاف یکنواخت را تخمین بزند. در محلول هایی که متحمل ژل شدگی می شوند، پلیمر آن بلوری یا نیمه بلوری است یا در محلول بین زنجیره های پلیمر پیوندهای هیدروژنی تشکیل می شود (مانند محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید)) می تواند این رابطه را تغییر دهد. در این پژوهش تاثیر این عوامل بر روی محلول های مختلف پلی(وینیلیدن فلوئوراید)، ریسندگی الکتریکی و تشکیل الیاف مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا در این پژوهش قابلیت حل شدگی پلی(وینیلیدن فلوئوراید) در مایعات مختلف مورد بررسی قرار گرفت تا بتوان آزمایش های ریسندگی الکتریکی را دقیق تر انجام داد. طبق آزمایش های حلالیت، مایعات استفاده شده به چهار دسته مختلف تقسیم بندی شده اند که عبارتند از حلال ( مانند n و n-دی متیل فرم آمید)، عامل خوب برای متورم سازی (مانند استون) و عامل ضعیف برای متورم سازی (مانند استالدهید) و غیرحلال (مانند آب). سرعت ژل شدگی این مایعات نیز به صورت گفته شده مشاهده شده است. در نهایت بر اساس این اطلاعات اولیه مهم، ریسندگی الکتریکی انجام گرفته است یعنی در بعضی محلول ها ژل-شدگی اتفاق می افتد. به طور کلی می توان نتایج زیر را به طور خلاصه بیان کرد: 1. اعتقاد بر این است که نزدیک به آستانه ژل شدگی، ترکیبی از اتصالات قابل برگشت حرارتی که مسبب ژل شدگی در این محلول ها هستند و درگیری های زنجیره ای به پایدار شدن جت مایع کمک بسزایی می کنند. البته این عوامل بر نیروهای مویینگی نیز غلبه کرده و سبب می شوند ریسندگی الکتریکی بهتر انجام گیرد. 2. در محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید)، ژل شدگی می تواند به وسیله اتصالات پیوند هیدروژنی بین زنجیره ها، جدایی فازی جامد-مایع (بلورینگی) و جدایی فازی مایع-مایع (از نوع اسپینودالی) انجام گیرد. این سه عامل در دیاگرام فازی این پلیمر مشخص است. 3. برای محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید) که مستعد تشکیل ژل های فیزیکی هستند، تشکیل الیاف تابعی از غلظت، جرم مولکولی، دما، زمان سرد کردن و کیفیت حلال می باشد. 4. هرچه غلظت پلی(وینیلیدن فلوئوراید) در محلول افزایش یابد (با جرم مولکولی ثابت)، درگیری زنجیره ها و ژل شدگی به علت بلورینگی و ناپایدار بودن محلول ها در محلول افزایش می یابد. افزایش بیش از حد غلظت باعث ژل شدگی سریع محلول شده و دیگر ریسندگی الکتریکی حتی در ولتاژهای بالا (25 کیلو ولت) نیز انجام نمی گیرد. 5. هرچه جرم مولکولی پلی(وینیلیدن فلوئوراید) افزایش یابد، درگیری زنجیره ها و سرعت ژل شدگی افزایش می یابد. در محلول های با جرم مولکولی 180000 گرم بر مول، جدایی فازی اسپینودالی بعد از این که محلول به ژل تبدیل می شود، اتفاق می افتد و ساختار ژل را تغییر می دهد. چون ژل شدگی اتفاق می افتد, نمی توان محلول را ریسندگی الکتریکی کرد. هنگامی که جرم مولکولی افزایش می یابد (275000 گرم بر مول)، جدایی فازی اسپینودالی قبل از ژل شدگی اتفاق افتاده و به ریسندگی الکتریکی این محلول ها کمک بسزایی می کند. 6. تشکیل الیاف از محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید) به طور آشکار تابعی از دمای محلول سازی است. در مورد محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید) این دما 60 درجه سانتیگراد می باشد. 7. سهم درگیری های زنجیره تابعی از دمای محلول سازی است. برای دماهای محلول-سازی پایین، تشکیل الیاف در عددهای درگیری کمتر اتفاق می افتد. اتصالات قابل برگشت حرارتی به تنهایی در این محلول ها مسبب پایدارسازی جت مایع هستند. ولی در دماهای بالاتر، تشکیل الیاف در عدد درگیری بزرگ تر از 2 اتفاق می افتد. بنابراین جت مایع توسط ترکیبی از درگیری زنجیره و اتصالات قابل برگشت حرارتی پایدار می شود. 8. ریسندگی الکتریکی محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید) دارای یک وابستگی زمانی است. مدت زمان سپری شده تا این که ریسندگی انجام شود، تاثیر زیادی بر روی ریسندگی الکتریکی و تعداد اتصالات قابل برگشت حرارتی و انجام انواع جدایی فازی دارد. مدت زمان زیادتر سرد کردن باعث تشکیل اتصالات قابل برگشت حرارتی زیاد می شود که ویسکوزیته محلول را به طور چشمگیر افزایش می دهد و از تشکیل الیاف جلوگیری می کند. 9. کیفیت حلال بر روی ریسندگی الکتریکی تاثیر بسزایی دارد. این تاثیر به گونه ای است که وابسته به جرم مولکولی و غلظت پلی(وینیلیدن فلوئوراید) است. 10. سهم درگیری زنجیره در محلول وابسته به نوع و کیفیت حلال است. برای عامل خوب برای متورم سازی (استون) در غلظت های کم که درگیری زنجیره پایین است، مقداری اتصالات قابل برگشت حرارتی وجود دارد که به پایدارسازی جت کمک می-کند و الیاف تشکیل می شوند. در عامل ضعیف برای متورم سازی (استالدهید) در غلظت های کم، ژل شدگی سریع اتفاق می افتد که از این پس دیگر الیاف مشاهده نمی شود. 11. در محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید) با جرم مولکولی 275000 گرم بر مول در n و n-دی متیل فرم آمید به علت غلظت کم این پلیمر و آهستگی ژل شدگی، ریسندگی به راحتی انجام می شود ولی محلول های n و n-دی متیل فرم آمید با پلیمر با جرم مولکولی 180000 گرم بر مول به علت غلظت بالا و ژل شدگی سریع، ریسندگی الکتریکی حتی در ولتاژهای بالا نیز انجام نمی شود و فقط می توان الیاف مهره دار تهیه نمود.. 12. بر اساس نتایج گفته شده هم ترمودینامیک محلول های پلی(وینیلیدن فلوئوراید) و هم سینتیک این محلول ها بر روی ریسندگی الکتریکی این پلیمر تاثیر می گذارند.