ارتقاء و مدلسازی فرایند تولید نانوالیاف بر مبنای ریسندگی الکتروسانتریفیوژ

در این تحقیق یک روش ارتقاء یافته برای تولید نانوالیاف پلیمری بسیار ظریف ارائه شده است که به طور همزمان نیروی الکتریکی و نیروی گریز از مرکز را بکار می¬گیرد. سیستم ریسندگی ارتقاء یافته متشکل از یک واحد ریسندگی است که شامل یک نازل و جمع-کننده¬ی چرخان است که با یک سرعت دورانی در حال چرخش می¬باشند. واحد ریسندگی بطور هوشمندانه¬ای از هوای محیط ایزوله شده است. با استفاده از این سیستم به ریسندگی نانوالیاف پلی اکریلونیتریل و پلی ال لاکتیک اسید در سرعت¬های چرخشی مختلف پرداخته شد. در ضمن سیستم ارتقاء یافته با روش ریسندگی الکتروسانتریفیوژ و الکتروریسی تک نازله مقایسه شد. تصاویر fesem حاصل از آزمایشات نشان داد که سیستم ارتقاء یافته توانایی تولید الیاف ظریفتر و یکنواخت¬تر نسبت به دو سیستم دیگر را دارد. به منظور بررسی تأثیر برخی پارامترها بر قطر نانوالیاف در فرایند ارتقاء یافته، طرح آزمایش تاگوچی مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای انتخابی عبارتند از: غلظت محلول، سرعت چرخشی واحد ریسندگی، ارتفاع محلول درون مخزن و ولتاژ. تصاویر fesem حاصل از آزمون¬ها نشان دادند که مهمترین پارامتر تأثیر گذار بر قطر نانوالیاف ارتفاع محلول درون مخزن است و بعد از آن سرعت چرخشی واحد ریسندگی در مرتبه دوم قرار می¬گیرد. غلظت محلول و ولتاژ در مرتبه¬های سوم و چهارم قرار می¬گیرند. کمترین ارتفاع محلول درون مخزن و بیشترین سرعت چرخشی منجر به تولید ظریفترین نانوالیاف می¬گردد. کمترین غلظت نیز برای دستیابی به نانوالیاف با کمترین قطر ضروری می¬باشد. ولتاژ اثر معنی داری بر قطر نانوالیاف نداشته است. یک جریان شدید هوا در ریسندگی گریز از مرکز مبنا ایجاد می¬گردد که منجر به انحراف بیشتر جت و تبخیر سریع حلال می¬شود که نهایتاً منجر به تولید نانوالیاف ضخیم¬تر می¬گردد. در این تحقیق یک مقایسه بین جت سیال نیوتنی تولید شده در دو سیستم ریسندگی گریز از مرکز مبنا و ریسندگی گریز از مرکز ایزوله شده از هوای محیط انجام شد. تصاویر تهیه شده از مسیر جت توسط دوربین با سرعت بالا نشان داد که جت ایزوله نشده نسبت به جت ایزوله شده منحرف می¬شود. دلیل این رویداد وجود مقاومت هوا در سیستم ایزوله نشده است. یک آنالیز غیر خطی از معادلات ناویر ـ استوکس انجام شد و معادلات یک بعدی با استفاده از روش¬های تقریبی استخراج گردیدند. معادلات به روش عددی حل گردیدند. نتایج نشان داد که توافق خوبی بین جت ایزوله شده و پیش¬بینی جت توسط مدلسازی وجود دارد، در حالی که تفاوت¬هایی بین جت ایزوله نشده و نتایج شبیه¬سازی وجود دارد. همچنین نتایج شبیه سازی نشان می¬دهد کاهش عدد rb که می¬تواند به مفهوم افزایش سرعت زاویه¬ای واحد ریسندگی باشد، منجر به کاهش قطر لیف، انحراف بیشتر جت و افزایش سرعت محوری جت می¬شود که افزایش میزان تولید را به دنبال دارد. افزایش سرعت زاویه¬ای (کاهش rb) منجر به افزایش نیروی گریز از مرکز بعنوان نیروی کششی جت می¬شود. بنابراین هرچه نیروی گریز از مرکز بیشتر باشد، کشیدگی جت افزایش یافته و در نتیجه لیف ظریف¬تری تشکیل می¬گردد. شبیه¬سازی نشان می¬هد که کاهش عدد re که به مفهوم افزایش ویسکوزیته است منجر به افزایش قطر لیف، انحراف بیشتر جت و کاهش سرعت محوری جت و در نتیجه کاهش میزان تولید می¬گردد. در واقع ویسکوزیته¬های بیشتر موجب می¬گردد که کشیده شدن جت به سختی صورت پذیرد و در نتیجه الیاف ضخیم¬تری ایجاد می¬گردد. همچنین نتایج نشان داد که تغییر عدد we (کشش سطحی) تأثیری بر دینامیک جت ندارد. نتایج شبیه سازی نشان داد که تغییر ولتاژ اعمالی تأثیری بر قطر، مسیر و سرعت محوری جت ندارد. کلمات کلیدی: نانوالیاف، مورفولوژی، سیستم ریسندگی الکتروسانتریفیوژ ایزوله شده از هوای محیط، ، روش تاگوچی، جت مایع خمیده، معادلات ناویر ـ استوکس، آنالیز غیر خطی، بسط تقریبی.