تست عنوان
close
باشگاه نانو | آموزش | 0560
EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
0560
filereader.php?p1=main_a7f74322de86ec382

موضوع: نانومواد و نانوساختارها

فصل: نانوالیاف


بخش‌ اول: نانوالیاف و انواع آن
بخش دوم: روش‌های تولید نانوالیاف
بخش سوم: الکتروریسی
بخش چهارم: خواص نانوالیاف
بخش پنجم: کاربردهای نانوالیاف


بخش‌ اول: نانوالیاف و انواع آن


نویسنده: مبینا کلهریان، الهام بدرآبادی



بیندیشیم:
ساقه کرفسی را بردارید و سعی کنید با چاقو آن را از پهنا برش مقطعی بزنید، قسمت‌هایی از آن به راحتی بریده می‌شوند، اما رشته‌هایی که در طول آن کشیده شده و رنگ سبز ملایم‌تری دارند در برابر نیروی اعمالی چاقو مقاومت می‌کنند و به سختی بریده می‌شوند.
تکه‌ای از بافت یک پارجه نخی را بدارید و به دقت به آن نگاه کنید در صورت امکان آن را زیر میکروسکوپ نوری بگذارید و با بزرگنمایی بیشتر به تار و پود آن دقت کنید.
حتما تا به حال تارهای تنیده شده توسط عنکبوت را از نزدیک و یا در تصاویر دیده‌اید، رشته‌هایی چسبناک، بلند و بسیار نازک که توسط عنکبوت برای به دام انداختن طعمه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مثال رشته‌های بلند سلولزی ساقه کرفس، تار و پود تنیده شده جهت بافت پارچه نخی و تارهای پروتئینی تنیده شده توسط عنکبوت، نمونه‌های خوبی از الیاف _رشته‌های بلند و بسیار نازک_ هستند.


1- به چه چیزی لیف (فیبر) می‌گویند؟

الیاف، جمع لیف یا فیبر (fiber) موادی است جامد که درعین انعطاف‌پذیری و ظرافت، طول بسیار بلندتری نسبت به قطرشان دارند؛ این نسبت بایستی بیش از 1000 باشد.
الیاف از نظر فیزیکی به 2 صورت هستند؛ کوتاه و قطعه قطعه یا بلند و یکسره. الیاف از این دیدگاه که ساخته‌ی دست بشر هستند یا نه، به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند؛ به طور مثال الیاف سلولزی پنبه از مهم‌ترین الیاف طبیعی به شمار می‌روند. امروزه صدها نوع لیف مصنوعی در سراسر دنیا تولید می‌شوند که هر یک ویژگی‌های مختص به خود را دارند. الیاف در مقیاس نانومتری (نانوالیاف) خواص و کارایی بسیار موثر و جالب توجهی دارند.


1- نانوالیاف چیستند؟

به‌طورکلی الیاف از نظر ابعاد به سه دسته الیاف معمولی، میکرونی و نانوالیاف طبقه‌بندی می‌شوند. طبق تعریف الیاف میکرونی الیافی هستند که در آنها رشته‌ها کمتر از یک دنیر می‌باشد؛ دنیر واحد اندازه‌‌گیری دانسیته جرمی الیاف است؛ که به‌ صورت جرم در واحد گرم بر ۹۰۰۰ متر تعریف می‌شود (هر دنیر برابر 1.181گرم در هر 9000 متر است).
الیاف با قطر کمتر از یک میکرومتر را نانوالیاف می‌نامند. این الیاف با طول‌‌های نسبتا کوتاه چند میکرونی و با قطر کمتر از ۵۰۰ نانومتر، از انواع ساختارهای تک بعدی هستند.
امروزه نانوالیاف به‌عنوان یکی از مهم‌ترین محصولات فناوری‌های نانو در بسیاری از حوزه‌ها ‌به ویژه در حوزه‌های دارویی، مهندسی بافت، پوشش‌های زخم، صنایع دفاعی و امنیتی، صنایع جداسازی و فیلتراسیون، صنایع شیمیایی، صنایع رنگ و پوشش، صنایع نساجی، صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، صنایع هوافضا، صنایع خودروسازی، صنایع ساختمان، صنایع غذایی، فناوری اطلاعات و ارتباطات، تولید و ذخیره‌سازی انرژی و نیز بهینه‌سازی مصرف انرژی پیل‌های خورشیدی، پیل‌های سوختی، باطری‌های پلیمری، صنایع نانوکامپوزیت و نانوالیاف کربن، انواع حسگرهای زیستی و شیمیایی، حوزه‌های مرتبط با زیست‌فناوری، محیط زیست، کشاورزی و . . . کاربردهای زیادی پیدا کرده‌اند.

2- انواع نانوالیاف

با تغییر شرایط عملیاتی و یا فرآیندی، همچنین اضافه کردن برخی تجهیزات به دستگاه‌های الکتروریسی می‌توان نانوالیاف مختلفی با ویژگی‌های متمایز تولید کرد؛ از این منظر انواع نانومواد به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:
(1) نانوالیاف آرایش‌یافته (2) نانوالیاف بافته‌شده (3) نانوالیاف هیبریدی دو یا چندجزئی (4) نانوالیاف هسته- پوسته (5) نانوالیاف سرامیکی (6) نانوالیاف توخالی (7) نانوالیاف نواری‌شکل (8) نانوالیاف متشکل از دانه‌های تسبیح (9) نانوالیاف متخلخل
از طرفی بر اساس ماده اولیه سازنده نانوالیاف می‌توان آنها را در دسته‌های متعددی جا داد: (1) نانوالیاف پلیمری (2) نانوالیاف کربنی (3) نانوالیاف معدنی (4) الیاف نانوکامپوزیتی و . . .

3-1- نانوالیاف پلیمری

پلیمری که زنجیره‌های آن کاملا مستقیم (یا تقریباً مستقیم) کشیده و پشت سر هم در یک راستا قرار گرفته‌اند را لیف پلیمری می‌نامند. الیاف پلیمری، از محلول پلیمری اولیه‌ای ساخته می‌شوند که قابلیت آرایش یافتن به صورت کریستالی را دارند. محلول‌های مورد استفاده در الیاف باید توانایی به صف شدن جهت ایجاد ساختار لیف مانند را داشته باشند. (در حقیقت، الیاف را می‌توان نوعی کریستال محسوب کرد که بسیار طویل است). نحوه شکل‌گیری نوعی از نایلون (نایلون 6.6 ) مثالی از این مورد است:
پیوندهای هیدروژنی و سایر برهم‌کنش‌های ثانویه‌ی بین زنجیر‌های منفرد، زنجیر‌ها را محکم در کنار هم نگه می‌دارد؛ آنقدر محکم که آنها به لغزش بر روی هم تمایل چندانی ندارند. این ویژگی به این معنی است که اگر شما الیاف نایلون را بکشید، یا اصلا کشیده نخواهند شد یا میزان کشیدگی آنها خیلی زیاد نخواهد بود. به همین دلیل است که الیاف در ساخت طناب و نخ کاربرد دارند.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

3-2- نانوالیاف کربنی

الیاف کربن از مهم‌ترین دسته‌بندی‌های الیاف پیشرفته به حساب می‌آیند که استحکام بسیار بالا (بین 7 تا 10 برابر فولاد ساختمانی بسته به شبکه الیاف)، چگالی پایین (حدود دو سوم آلومینیوم)، رسانایی الکتریکی بسیار خوب، قابلیت بافت و تولید پارچه، قابلیت ساخت کامپوزیت‌های سبک و محکم و پایداری در برابر حرارت، از ویژگی‌های متمایز آنها است. قطر این نانوذرات در حدود 01 تا 500 نانومتر است. مواد اولیه‌ای که در تولید الیاف کربن به کار می‌رود، الیاف اکریلیک ویژه است که بر اساس فناوری‌های پیشرفته و تجهیزات خاص تولید می‌شود. نانوالیاف کربنی کاربردهای بسیاری دارند که رابطه‌ی مستقیمی با قطر آنها دارد؛ البته لازم به ذکر است که کنترل قطر نانوالیاف بسیار زمان‌‌بر و پرهزینه است. این نانوالیاف خواص حرارتی، الکتریکی و مکانیکی خوبی از خود نشان می‌دهند. جهت افزایش خواص نانوالیاف کربنی آنها را تحت عملیات‌های خالص‌سازی، آسیاب گلوله‌ای و عملیات سطحی قرار می‌دهند. نانوالیاف کربنی همانند نانولوله‌های کربنی جهت تقویت زمینه‌های متنوع پلیمری_به منظور تولید نانوکامپوزیت_ مناسب هستند.
نانوالیاف کربنی عمدتا بر اساس روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی تولید می‌شوند؛ چنانچه در بعضی روش‌ها درصد نانولوله کربنی تولیدی و در بعضی دیگر درصد نانوالیاف کربنی حاصل از فرآیند بیشتر خواهد بود. به عنوان مثال در روش‌های تخلیه قوس الکتریکی و سایش لیزری، درصد بیشتر ماده تولیدی نانولوله کربنی است؛ درحالیکه در روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار (CVD) درصد نانولوله تولیدی کمتر از روش تخلیه قوس الکتریکی و یا سایش لیزری خواهد بود. از میان انواع مختلف روش‌های رسوب‌دهی شیمیایی بخار، روش حرارتی و روش پلاسما بیشترین کاربرد را جهت تولید نانوالیاف کربنی دارند. طی فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی بخار، پس از ورود مولکول‌های ماده هیدروکربنی به صورت گازی به محفظه، در دمای بالا تجزیه شده و کربن تولیدی در حضور یک کاتالیزگر که عمدتا از جنس فلزات واسطه است، بر روی یک زیرلایه رسوب می‌کند، رشد الیاف بر روی این بستر، در اطراف ذرات کاتالیزگر انجام می‌گردد. به طور کلی، فرآیند فوق شامل مراحلی از جمله تجزیه گاز، رسوب کربن، رشد الیاف، افزایش ضخامت الیاف، گرافیتی شدن و خالص‌سازی (جدا کردن مواد تولیدی ناخواسته از محصول نهایی) است که نهایتا منجر به تولید الیاف توخالی می‌گردد؛ به عبارت دیگر، قطر نانوالیاف بستگی به ابعاد کاتالیزگر دارد.
فرآیند رسوب‌دهی شیمیایی بخار برای تولید نانوالیاف کربنی به دو دسته کلی (1) فرآیند کاتالیزگر ثابت و (2) فرآیند کاتالیزگر شناور (پیوسته) تقسیم‌بندی می‌شود.
در فرآیند ثابت، مخلوطی از هیدروکربن/هیدروژن/هلیوم که از روی مولایت (یکی از فازهای کریستالی سیلیکات آلومینیوم) عبور داده می‌شود و همراه با رسوبات ریز آهن به عنوان کاتالیست در 1000 درجه سانتیگراد استفاده می‌گردد. هیدروکربن مورد استفاده متان در غلظت 15درصد حجمی است. در عرض 10 دقیقه بعد از ورود گاز به محفظه الیاف با قطر چند سانتیمتر رسوب خواهند کرد. به طورکلی، طول الیاف را می‌توان با زمان حضور گاز در محفظه عملکرد (رآکتور) کنترل کرد. گرانش و جهت جریان گاز بر جهت رشد الیاف تاثیر می‌گذارد.
در فرآیند کاتالیزگر پیوسته یا شناور معمولا، نانوالیاف کربنی با قطر زیر میکرون و طول از چند تا 100 میکرون ایجاد می‌شوند. در این روش، محلولی متشکل از ترکیبات آلی فلزی به عنوان حل شونده و ترکیبات فرار مثل بنزن به عنوان حلال استفاده می‌شوند. در ادامه، با افزایش دما تا 1100 درجه سانتیگراد، مخلوطی از ذرات بسیار ریز کاتالیزگر (5-25 نانومتر در قطر) در گاز ایجاد می‌گردد. رشد الیاف بر روی سطح ذرات کاتالیزگر آغاز می‌شود و آنقدر ادامه می‌یابد تا زمانی که به سطح انرژی پایداری برسد. در حین فرآیند رشد تنها بخشی از ذرات کاتالیزگر که در معرض مخلوط گاز قرار می‌گیرند، منجر به رشد الیاف می‌شوند. به محض قرار گرفتن بخشی از کاتالیزگر در مجاورت مخلوط گاز و پوشیده شدن آنها، رشد متوقف می‌شود؛ به عبارت دیگر گفته می‌شود کاتالیزگر مسموم شده است. غلظت نهایی ذرات کاتالیزگر در نوک الیاف رشد یافته تنها حدود چند ppm (واحدی جهت بیان یک قسمت در هر یک میلیون قسمت) است؛ پس از توقف رشد الیاف، افزایش ضخامت اتفاق می‌افتد.
آهن از پرمصرف‌ترین کاتالیزگرهای مورد استفاده است. آهن اغلب همراه با گوگرد، سولفید هیدروژن و . . . وارد واکنش می‌گردد؛ این عناصر با کاهش نقطه ذوب آهن سبب تسهیل نفوذ آن به منافذ کربن و در نتیجه تولید محل‌های بیشتری برای رشد نانوالیاف کربنی می‌شوند. آهن/نیکل، نیکل، کبالت، منگنز، مس، وانادیم، کروم، مولیبدن و پالادیم نیز به عنوان کاتالیزگر استفاده می‌شوند. استیلن، اتیلن، گاز متان، گاز طبیعی و بنزن نیز از معروف‌ترین گازهای کربنی مورد استفاده در روش رسوب‌دهی شیمیایی بخار جهت تولید نانوالیاف هستند. اغلب طی فرآیند، به منظور افزایش بازدهی کربن از طریق کاهش اکسیدهای آهن، به جریان گازی، مونواکسید کربن (CO) اضافه می‌شود.

3-3- نانوالیاف معدنی

این دسته از الیاف به وسیله فرآیند سل-ژل تهیه می‌شوند. این دسته از الیاف دارای نیروهای الکترواستاتیکی بوده و به همین منظور می‌توانند در کاربردهایی جهت دفع آلودگی مورد استفاده قرار بگیرند؛ به طور مثال برای جذب ویروس‌ها و یا ذرات دیگر.
به منظور تهیه الیاف معدنی از طریق روش سل-ژل، سل درون قالبی ریخته می‌شود و ویسکوزیته آن در یک محدوده مطلوب تنظیم می‌گردد تا زلی مرطوب شکل بگیرد. ژل بعد از خشک شدن به صورت ذرات سرامیکی متراکم درمی‌آید و به این شکل فیلتری حاصل می‌شود که دارای خلل و فرج نانومتر است و می‌توان از آن به عنوان قالب جهت تولید نانوالیاف بهره برد.

4-3- الیاف نانوکامپوزیتی

هنگامی که برای تقویت الیاف نانومتری از نانوذرات و یا نانولوله‌ها استفاده شود الیافی مستحکم‌تر دارای خواص مکانیکی و فیزیکی جدیدی حاصل می‌شود که به این الیاف، الیاف نانوکامپوزیتی می‌گویند.
به طور مثال امروزه از ذرات سیلیکا جهت تقویت الیاف نانومتری پلی اتیلن اتر تالات (PET)، گرافیت در الیاف نانومتری نایلون و نانولوله‌های کربنی در پلی متال متاکریلیت (PMMA)، پودرهای نانومتری فلزات و یا اکسید فلزی در الیاف سلولزی، جهت تولید الیاف نانوکامپوزیتی بهره می‌برند.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • 1. کتاب نانومواد: خواص،تولید و کاربردها؛ تالیف فتح اله کریم زاده، احسان قاسمعلی، سامان سالمی زاده
-Y.K.Kim , A.F.Lewis , Nano composit fibers, NTC project
- Z.M.Huang, Y.Z.Zhang, M.Kotaksi, S.Ramakrishna, a review on polymer Nanofibers by electrospinning & their application in Nano composites
-www.nanocore.com
-www.nanophase.com
-www.wikipedia.org
-www.fnm.ir