۲-۳-استفاده از یک جفت میدان الکتریکی در الکتروریسی
Acharya و همکارانش برای تولید نانوالیاف منظم به وسیله الکتروریسی روشی مبتنی بر استفاده از یک جفت میدان الکتریکی، پیشنهاد کرده ­اند. در شکل۲-۲-الف-نمای شماتیکی از الکتروریسی با دو میدان الکتریکی عمود برهم نشان داده شده است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل۲-۲-الف-نمای شماتیکی از الکتروریسی با دو میدان الکتریکی عمود برهم، ب-تصویر SEM از نانوالیاف آرایش یافته در الکتروریسی با دو میدان عمود برهم [۳۷]
آن­ها اذعان داشتند که با بکار بردن میدان الکتریکی دیگر به طور عمود بر میدان اولی، کنترل آرایش یافتگی الیاف بر روی جمع کننده حاصل می­ شود. آن­ها روش­های گوناگونی برای تلفیق میدان الکتریکی دوم و جمع کننده برای رسیدن به بهترین آرایش یافتگی در نانوالیاف را بررسی نمودند. در بهترین روش میدان دوتایی (از لحاظ نظم در نانوالیاف تولیدی) از ترکیب دو الکترود نیم­کره­ای عمود بر میدان اصلی و یک جمع کننده دوّار استفاده شده است. الکتروریسی الیاف پلی­لاکتیک اسید تحت شرایطی که تولید الیافی با قطر بیشتر از nm400 مد نظر بوده، انجام گرفته است. همچنان که در شکل ۲-۲-ب- مشاهده می­ شود، الیاف جمع­آوری شده به کمک میدان دوتایی آرایش بهتری نسبت به الیافی که تحت یک میدان اما با شرایط یکسان دیگر تولید شده، دارند [۳۷].
بهر حال با این روش‌ها نمی توان نانو الیاف تولیدی را به طور کامل کنترل کرد و به صورت طرح چیدمان در آورد. نیروهای اعمال شده خارجی به نانو الیاف به وسیله نیروی شارژ مثبتی که درون الیاف است و همچنین میدان الکتریکی مشکلاتی را برای نانوالیاف موازی ایجاد می‌کنند. اگر بتوانیم نانو الیاف را کنترل کنیم وآنها را به صورت طرح چیدمان بر روی صفحه جمع کننده قرار دهیم می‌توانیم کاربردهای جدید گوناگونی از نانو الیاف داشته باشیم [۴۲-۴۷]. برای کنترل نانو الیاف sun و همکارانش الکتروریسی با میدان نزدیک را پیشنهاد کردند که در این نوع الکتروریسی می‌توان به صورت مستقیم نانو الیاف با محدوده قطری ۱۰۰ تا ۵۰۰ نانو متر تولید کرد. الکتروریسی میدان نزدیک با الکتروریسی متداول تفاوت‌های دارد که اولین تفاوت فاصله بین سوزن و جمع کننده است که بین ۵۰۰ میکرون تا ۳ میلی‌متر می‌باشد. این فاصله کم کمک می‌کند که جت الکتروریسی در ناحیه پایدار باشد تا بتوان آن را کنترل کرد. دومین اختلاف اسپینرت یا همان سوزن می‌باشد که دارای قطر داخلی ۲۵ میکرون می‌باشد تا دستیابی به نانوالیاف با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر میسر باشد چون در این الکتروریسی جت الکتروریسی قسمت مارپیچی را طی نمی‌کند لذا کشش کمی را متحمل می‌شود و این امر باعث می‌شود که در حین الکتروریسی کاهش قطر پیدا نکند. سومین اختلاف استفاده از ولتاژ کمتر به علت نزدیک بودن فاصله بین سوزن و جمع کننده است فاصله‌ای معادل ( ۵۰۰ تا ۱۵۰۰) ولت می‌باشد. شکل ۲-۳- اختلافات هر دو روش را نشان می‌دهد [۴۷].
شکل۲-۳-الکتروریسی متداول الکتروریسی با میدان نزدیک [۴۷]
۲-۴-الکتروریسی با میدان نزدیک
فاصله کوتاه بین سوزن و صفحه جمع کننده باعث حذف ناپایداری خمشی می‌شود و می‌توان نانو الیاف تولیدی را به طور دقیق کنترل کرد. شکل۲-۴- فاصله بین سوزن و جمع کننده را نشان می‌دهد که کمتر از یک میلی‌متر است این فاصله به جت اجازه نمی‌دهد تا مسیر ناپایداری را طی کند در حقیقت جت پلیمری فرصتی برای ناپایداری خمشی نخواهد داشت [۴۷].
شکل۲-۴-فاصله بین سوزن و جمع کننده در الکتروریسی با میدان نزدیک [۴۶]
با توجه به شکل۲-۵- قطره پلیمر با فشار بسیار دقیق پمپ در مرحله اول شکل خواهد گرفت. فشار پمپ در این مرحله بسیار مهم است زیرا فاصله بین سوزن و جمع کننده کم و دقیق است اگر فشار کنترل نشود امکان ایجاد قطره با قطر بزرگ وجود دارد که در این صورت خود قطر قسمت زیادی از فاصله سوزن و جمع کننده را اشغال خواهد کرد. در این مرحله با توجه به فاصله ۰٫۵ تا ۱٫۵ میلی‌متری سوزن و صفحه جمع کننده ولتاژ مناسب که ۸۰۰ تا ۱۵۰۰ ولت خواهد بود اعمال می‌شود [۴۶].
شکل۲-۵- قطره پلیمر ایجاد شده توسط فشار پمپ [۴۶]
در مرحله بعدی با اعمال ولتاژ به پلیمر، نوک قطره پلیمر تیز می‌شود این امر نشان از آن دارد مخروط تیلور در حال شکل گیری می‌باشد. در این لحظه نیروی الکتریکی در حال غلبه کردن به کشش سطحی پلیمر است و جت پلیمر شکل می‌گیرد. سپس جت پلیمر تشکیل شده به سمت جمع کننده حرکت می‌کند. شکل۲-۶- شکل گیری جت پلیمر و حرکت آن به سمت جمع کننده را نشان می‌دهد [۴۶].
شکل۲-۶- ایجاد شدن جت پلیمر [۴۶]
شکل ۲-۷- نشان می‌دهد که نانوالیاف در حال جمع آوری شدن بر روی یکدیگر هستند زیرا صفحه جمع کننده ثابت نگه داشته شده است. طرح‌های مختلف نانو الیاف را می‌توان با جا به جای صفحه جمع کننده بدست آورد که سرعت حرکت جمع کننده بر روی طرح تأثیر گذار می‌باشد. سرعت را می‌توان بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ میلی متر در ثانیه در نظر گرفت. با افزایش سرعت نانو الیاف جمع آوری شده روی جمع کننده نازکتر می‌شوند این در حالی است که با کاهش سرعت نانو الیاف بیشتری روی یکدیگر انباشته شده و قطر نانو الیاف جمع آروی شده بیشتر نیز می‌شود.
شکل۲-۷- نانوالیاف جمع آوری شده روی صفحه جمع کننده [۴۶]
چون که صفحه جمع کننده توسط کامپیوتر کنترل می‌شود می‌توان هر طرحی را با برنامه دادن به کامپیوتر بدست آورد. استفاده از الکتروریسی با میدان نزدیک به همراه یک صفحه متحرک دقیق کمک می‌کند تا از نانو الیاف تولید شده استفاده‌های دیگر نیز شود. مثلاً با این روش می‌توان مدارهای الکتریکی دقیقی را تهیه کرد. این امر در صورتی به وقوع می‌پیوندد که نانو الیاف تولید شده نیز هادی جریان الکتریسیته باشند که این مشکل از مدت‌ها قبل با اضافه کردن نانو ذرات فلزی به پلیمرها رفع شده است. شکل۲-۸- شماتیکی از دستگاه الکتروریسی با میدان نزدیک را نشان می‌دهد که جمع کننده آن قادر به حرکت دقیق می‌باشد که مسیر حرکتی و سرعت حرکت آن به طور مستقیم از کامپیوتر فرمان می‌گیرد. اگر مسیر حرکتی صفحه جمع کننده را در یک صفحه در نظر بگیریم، صفحه متحرک A باعث حرکت عرضی صفحه جمع کننده و صفحه B باعث حرکت طولی صفحه جمع کننده می‌شود [۴۶].
شکل۲-۸- دستگاه الکتروریسی میدان نزدیک با جمع کننده متحرکت [۴۶]
در شکل ۲-۹- نانو الیاف ریسیده شده با الکتروریسی میدان نزدیک و الکتروریسی متداول نشان داده شده است. برای الکتروریسی هر دو از نانو الیاف از پلیمر پلی کاپرولاکتان استفاده شده است. در این شکل می‌توان تأثیر حرکت صفحه جمع کننده را دید که باعث به وجود آمدن نانو الیاف در شکل‌های مختلف شده است و اینکه اثری از نانو الیاف انباشته شده نیست. این تصاویر به خوبی نشان می‌دهند که نانو الیاف تولید شده در مسیر خو دچار ناپایداری خمشی نشده اند [۴۶].
شکل۲-۹-الف –نانوالیاف تهیه شده از الکتروریسی متداول (ب)، (ج)، (و) نانو الیاف تولید شده با الکتروریسی میدان نزدیک با جمع کننده متحرک [۴۶]
به علت کم بودن فاصله بین سوزن و صفحه جمع کننده، پارامترهای فرایند به شدت بر یکدیگر اثر می‌گذارند و تأثیر زیادی در قطر الیاف تولیدی دارند. فاکتورهای خارجی بسیاری از قبیل ولتاژ به کار گرفته شده، نرخ تغذیه، غلظت، وزن مولکولی پلیمر، حرارت محیط، رطوبت نسبی، نوع جمع کننده، قطر سوزن و فاصله بین سوزن و جمع کننده بر فرایند الکتروریسی میدان نزدیک اثر می‌گذارند. مطالعات متعددی برای فهمیدن تأثیر این پارامترها بر روی الکتروریسی با میدان نزدیک انجام شده است [۴۴-۴۷].
He و همکارانش به طور سیستماتیک ناپایداری فرایند الکتروریسی را مطالعه نموده و حرکت گردبادی در فرایند الکتروریسی را با جزئیات آن مورد بحث قرار داده­اند. آ­ن­ها معادله­ای بر اساس شعاع چرخه و فاصله محور مرکزی جت از نازل پیشنهاد کرده ­اند [۴۸].
Wu و همکارانش اولین محققانی بودند که برای کنترل ناپایداری در فرایند الکتروریسی استفاده از میدان مغناطیسی را پیشنهاد نمودند. آن­ها طی یک بررسی تئوری ادعا کرده ­اند که روش مغناطیسی مؤثرترین و اقتصادی­ترین روش برای کنترل ناپایداری فرایند الکتروریسی است [۴۹].
اگر یک میدان مغناطیسی (B) مانند شکل ۲-۱۰-الف در فرایند الکتروریسی قرار داد شود، در اثر جریان موجود در جت پلیمر (i)، نیروی df که بر المان طول (dl) تأثیر می­ گذارد تولید می­ شود. هنگامی­که یک میدان مغناطیسی در محیط الکتروریسی قرار گیرد، همچنان که در شکل ۲-۱۰-ب نشان داده شده، جریان درون جت تحت میدان مغناطیسی یک نیروی مرکزگرا تولید می­ کند که جهتش به سمت کم شدن شعاع دایره گردبادی است. در نتیجه شرایط پایداری به طور قابل ملاحظه­ای بهبود می­یابد.
شکل ۲-۱۰-(الف) تحلیل مکانیکی الکتروریسی در حضور میدان مغناطیسی (ب) نیروی اعمال شده از میدان مغناطیسی بر جت الکتریکی در الکتروریسی [۴۹]

فصل سوم

تجربیات

۳-۱-بررسی­های تئوری انجام شده
خصوصیات الکتریکی محلول پلیمری بر فرایند الکتروریسی و نانوالیاف تولید شده اثر می‌گذارد. با بهره گرفتن از نمک کلرید سدیم می‌توان خصوصیات الکتریکی مواد پلیمر را تغییر داد. با بهره گرفتن از درصدهای وزنی مختلف نمک کلرید سدیم در پلیمرها خصوصیات الکتریکی مختلف را به این مواد می‌بخشد. Daoو همکارانش [۵۰] از درصدهای ۰%، ۰٫۵% و۱% برای تغییر خصوصیات الکتریکی پلی وینیل الکل استفاده کردند و مسیر حرکتی جت پلیمری را بررسی کردند [۵۰].
نتایج نشان داد که با اضافه کردن کلرید سدیم به پلی وینیل الکل خصوصیات رئولوژی و خصوصیات سطحی تغییر نکرد، اما خصوصیات الکتریکی پلی وینیل الکل به طور محسوسی تغییر یافت. بعد از اضافه کردن کلرید سدیم به پلیمر پلی وینیل الکل رسانایی آن افزایش یافته و مقاومت الکتریکی پلی وینیل الکل کم شده است که این دو تغییر باعث کوتاهتر شدن طول جت در فرایند الکتروریسی محلول پلی وینیل الکل حاوی نمک کلرید سدیم شده است. علت کوتاه شدن طول جت در مرحله اول الکتروریسی این است که وقتی پلی وینیل الکل حاوی کلرید سدیم است چگالی بار زودتر به میزانی می‌رسد که بتواند بر کشش سطحی پلیمر غلبه کند این در حالی است که پلی وینیل الکل فاقد کلرید سدیم نیاز به زمان بیشتری دارد تا به چگالی بار مورد نظر برای غلبه به کشش سطحی برسد و لذا طول مسیر مستقیم جت بیشتر از زمانی می‌شود که پلی وینیل الکل حاوی کلرید سدیم است. این بدین معنی است که با اضافه کردن نمک کلرید سدیم به پلیمر پلی وینیل الکل جت الکتروریسی زودتر به ناحیه بحرانی یا مرحله آخر که شروع ناپایداری خمشی است می‌رسد و در نتیجه باعث افزایش مساحت وب‌های تولیدی می‌شود. طول جت الکتروریسی توسط دوربین ثبت شد که در شکل ۳-۱ نشان داده شده است [۵۰].

شکل ۳-۱ -درصدهای ۰، ۰٫۵و۱ کلرید سدیم اضافه شده به پلی وینیل الکل به ترتیب مربوط به نمونه‌های c,b,a می‌باشد [۵۰]
برای بررسی اثر میدان مغناطیسی خارجی بر کنترل حرکت جت الکتروریسی ابتدا به بررسی تئوری این موضوع پرداخته شده است.
۳-۲-انتخاب سیستم مختصات:
روش انتخاب سیستم مختصات در فرایند الکتروریسی شبیه به مدل سازی فرایندهای دیگر است. سیستمی که بهترین نتایج را بدست می‌دهد، سیستمی است که پذیرش انجام محاسبات در مناسب‌ترین روش و مهم‌تر از آن توانمند کردن محاسبات جهت بدست آوردن نتایج دقیق را به همراه داشته باشد. با توجه به مرحله خطی جت محلول در طی مرحله اول از شروع جت محلول، سیستم مختصات کروی حذف می‌شود. بخاطرخمش جت محلول به علت ناپایداری خمشی دومین مرحله از جت محلول به صورت حلزونی شکل می‌باشد که این امر سیستم مختصات استوانه‌ای را برای انجام محاسبات ایده آل می‌کند.
مختصات استوانه‌ای نوعی مختصات متعامد (عمود برهم) است که در آن یک نقطه، در فضا بر روی قاعده یک استوانه در نظر گرفته می‌شود. مکان آن نقطه بر اساس شعاع و ارتفاع استوانه (r و z) و زاویه‌ای که شعاع قاعده گذرنده از آن نقطه با محور x می‌سازد (θ)، بیان می‌شود. این دستگاه، در حالت دوبعدی، با حذف مختص z به مختصات قطبی تبدیل می‌شود. در فیزیک و به ویژه در مباحث الکترومغناطیس و مخابرات به جای r، θ، z به ترتیب از حروف r، φ، z استفاده می‌شود. شکل ۳-۲ مختصات استوانه‌ای را به همراه بردار یکان‌ها نشان می‌دهد.
شکل۳-۲ – مختصات استوانه و جهت بردار یکان‌های آن
همچنین در خصوص ضرب خارجی بردارهای یکان این دستگاه با توجه به متعامد بودن سه جهت:
(۳-۱)
(۳-۲)
(۳-۳)
۳-۳-تأثیر میدان مغناطیسی خارجی بر جت پلیمر
اگر یک میدان مغناطیسی خارجی در اطراف ناحیه الکتروریسی همچنان که در شکل ۳-۳ الف (میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت با جریان) و ب (میدان مغناطیسی خارجی مخالف جهت جریان) دیده می­ شود، قرار داده شود، آن گاه میدان­های مغناطیسی موجود در ناحیه حرکت جت به گونه ­ای که در شکل ۳-۳ نشان داده شده، می­باشد.
شکل۳-۳ -نمای شماتیک الکتروریسی تحت میدان مغناطیسی خارجی (الف)-میدان مغناطیسی خارجی هم‌جهت با جریان (ب)-میدان مغناطیسی خارجی مخالف جهت جریان