نانوالیاف: خواص، روش های تولید و کاربردها

[fariba54896]

نانوالیاف: خواص، روش های تولید و کاربردها
الیاف ها معمولا به سه دسته الیاف های معمولی، الیاف های میکرونی و نانو الیاف ها تقسیم می شوند. همانطور که می دانید الیاف باقطر کمتر از یک میکرومتر را نانوالیاف مینامند. خود نانو الیاف ها به سه گروه زیر تقسیم بندی می شوند:

1. نانو الیاف پلیمری
2. نانو الیاف کربنی
3. نانو الیاف معدنی

قطر الیاف نانو به پارامترهای مختلفی همچون غلظت پلیمر، ولتاژ الکتریکی اعمال شده، فاصله، دبی، دما، رطوبت محیط، ویسکوزیته، قطر سوزن و نوع جمع‌کننده بستگی دارد. لایهای که توسط نانوالیاف تولید میشود دارای خواص متمایز نسبت به سایر بیبافت ها می باشد زیرا با کمترین جرم بیشترین میزان لایه و سطح تولید میگردد به‌طوریکه تنها با یک گرم پلیمر میتوان ۳۲۰۰۰ کیلومتر الیاف ۱۰۰ نانومتری تولید کرد. به همین خاطربه‌راحتی میتوان به اهمیت استفاده از نانوالیاف در کاربردهایی نظیر فیلتراسیون، لباسهای محافظ، غشاءها، پایه‌های کاتالیست و نیز داربستهای مهندسی بافت پی برد. نانو الیاف معدنی در زیست فیلتراسیون برای آلودگی زدایی هم به کار می رود.



خواص نانو الیاف ها:
کشسانی:
الیاف دارای مقاومت کششی بالایی هستند یعنی در صورت اعمال کشش از خود مقاومت نشان می‌دهند. بنابراین الیاف دارای الاستیسیته یا کشسانی کمی هستند.

استحکام:
الیاف معمولا فقط در یک جهت مقاوم هستند، یعنی جهتی که در آن راستا آرایش یافته‌اند. برخلاف مقاومت کششی بالا، الیاف در اثر اعمال نیروی فشاری، عملکرد ضعیفی از خود نشان می‌دهند و مقاومت فشاری کمتری دارند. به عبارت دیگر استحکام الیاف در راستایی که آرایش یافته‌اند بسیار زیاد و در جهت عمود بر آن بسیار کم است.

ساختار متخلخل پیچیده نانوالیاف پلیمری:
نانوالیاف پلیمری معمولا دارای ساختاری متخلخل _ حفره حفره _ هستند، به خصوص نانوالیاف تولیدی به روش الکتروریسی. این حفرات ابعادی از ۵۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر دارند و علت ایجاد آن را می‌توان در ساختار زنجیره‌ای پلیمر یافت. این به صف شدن زنجیره‌های مولکولی می‌تواند یکی از دلایل ایجاد حفرات باشد. در مورد روش الکترویسی، کشش شدید محلول پلیمری می‌تواند دلیل دیگری برای ایجاد حفرات باشد؛ محلول به شدت پرتاب شده و ایجاد حباب‌های گازی درون آن حین پرتاب و کشش سبب ایجاد تخلخل می‌گردد؛ این مساله در مورد روش اکتروژن و کشش نیز تا حدی صادق است اما به اندازه روش الکتروریسی نمود ندارد.

ساختار متخلخل پیچیده ی الیاف پلیمری؛ سبب می‌شود که گزینه مناسبی جهت استفاده در کاربردهای فیلتراسیون و غشاهای زیستی باشند.

نظم بالای الیاف الکتروریسی شده در سطح مولکولی:
دلیل نظم مولکولی بسیار زیاد این دسته از الیاف آن است که حین فرآیند الکتروریسی، زنجیره‌های پلیمری محلول اولیه به وسیله نیروهای الکترواستاتیکی به شدت تحت اعمال کشش و نیروی برشی قرار می‌گیرند. همین امر در کنار انجماد سریع الیاف تولیدی سبب می‌شود تا از بازگشت زنجیره‌های پلیمری به حالت قبلی و ساختار تعادلیشان جلوگیری شده و ساختاری متحدو بسیار منظمی ایجاد شود.

طول بسیار زیاد نانوالیاف الکتروریسی شده:
نانوالیاف عمدتا طول زیادی دارند اما در این میان روش الکتروریسی در ایجاد طول بسیار زیاد و حتی تا چند کیلومتر بر سایر روش‌ها برتری دارد. طول زیاد نانوالیاف الکتروریسی شده این مزیت را به آنها می‌دهد تا بصورت پیوسته برای ایجاد کامپوزیت‌های مقاوم و سبک مورد استفاده قرار بگیرند. یکی از کاربردهای آنها در ساخت بدنه هواپیماها و فضاپیماها به خصوص قسمت بال آنها است.

نسبت سطح به حجم بسیار بالا :
الیاف به دسته از مواد دارای نسبت قطر بسیار کم به طول گفته می شود. همین مساله بیانگر نسبت سطح بسیار بالای الیاف به حجم آنها است؛ حال وقتی الیاف در مقیاس نانومتری تولید می‌شوند این مقیاس بسیار بیش از پیش می‌گردند چرا که قطر به مراتب کوچکتر از قبل شده است. از طرفی در میان انواع نانوالیاف تولیدی، نانوالیاف الکتروریسی شده به علت قطر کمتر و همینطور نانوالیاف توخالی نسبت به نانوالیاف معمولی دارای نسبت سطح به حجم بیشتری هستند.

روش های تولید نانو الیاف ها:
به‌طورکلی چندین روش برای تولید نانوالیاف وجود دارد که برخی از آنها در برگیرنده روش کشش، جداسازی الیاف چندجزئی، روش قالب، جدایش فازی ، خودآرایی ماکرومولکولها، الکتروریسی و دمش می‌باشد. ریسندگی الکتریکی (الکتروریسی)، روشی برای تولید الیاف پلیمری با قطر زیر نانومتری است که ایده آن برای اولین بار توسط زلنی مطرح شد. در این روش هم از محلول مذاب و هم محلول پلیمری می‌توان استفاده کرد. در این میان نتایج تحقیقات صورت گرفته توسط محققین فعال در حوضه فناوری تولید نانوالیاف، حاکی از برتری فرایند الکتروریسی نسبت به سایر روشها است. فرایند الکتروریسی از لحاظ سرعت تولید، تنوع، پیوستگی، سادگی، هزینه و تجاری‌سازی بر سایر روشها برتری دارد. تاکنون بیش از ۱۰۰ نوع ماده پلیمری، کوپلیمری، و مواد کامپوزیتی توسط این فرایند با موفقیت به نانوالیاف تبدیل شده‌است.

کاربردهای نانو الیاف:
نانو الیاف به عنوان یکی از محصولات مهم فناوری نانو، در بسیاری از زمینه ها همچون پزشکی، دارویی و بهداشتی (مهندسی بافت، ماسک‌ها و فیلترهای پزشکی، پوشش‌های زخم، سامانه‌های کنترل‌شده رهش و غیره)، صنعتی شامل 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 بهینه‌سازی مصرف انرژی (پیل‌های خورشیدی، پیل‌های سوختی، باطری‌های پلیمری و غیره)، صنایع نانوکامپوزیت و نانوالیاف کربن، انواع حسگرهای زیستی و شیمیایی، حوزه‌های مرتبط با زیست‌فناوری، محیط زیست، کشاورزی کاربرد دارد.

کاربرد نانو الیاف در پزشکی:

کاربرد نانو الیاف در پزشکی
نانو الیاف کاربر زیادی در صنعت پزشکی دارد. چند نمونه از این کاربردها در برگیرنده تحویل دارو و ژن، رگ‌های خونی مصنوعی، اندام‌های مصنوعی و ماسک‌های صورت است. کاربرد پزشکی دیگر نانوالیاف استفاده از نانوالیاف بی‌بافت، در مهندسی بافت است. نقش مواد زیستی(آلی) در مهندسی بافت، به این صورت است که می‌توانند به عنوان داربست برای سلول‌ها عمل کنند تا آنها به بافت مورد نظر متصل شوند و در آن آرایش پیدا کنند. به کارگیری نانوالیاف پلیمری برای بستن زخم هم مورد مطالعه قرار گرفته است.به اگر از ماتریس نانوالیاف بانداژی تولید کنیم و از آن برای پوشاندن زخم استفاده کنیم، چون اندازه حفره‌های ماتریس نانوالیاف بسیار کوچک است، به باکتری و عوامل میکروبی بیرونی اجازه ورود به منطقه زخم را نمی‌دهند، اما اکسیژن قابلیت نفوذ دارد به این معنی که به راحتی از حفره‌های ماتریس نانوالیاف عبور کرده و به زخم می‌رسد، بنابراین مشکلی در تنفس پوست به وجود نخواهد آمد.

فیلتراسیون:
الیاف سلولز از نانوالیاف بزرگتر هستند و فضای خالی بیشتری بین الیاف سلولز وجود دارد که منجر به ورود آلودگی‌ها در عمق قطعه شده و مسیر عبور هوا را مسدود می‌کنند، بنابراین ظرفیت کاری فیلتر کاسته می‌شود.

حسگرها:
نانو الیاف به خاطر نسبت سطح به حجم بالا و فعالیت سطحی زیادی که دارند قابلیت استفاده به عنوان حسگر _ به خصوص حسگرهای گازی _ را خواهند داشت. در این میان نانوالیاف توخالی به علت قابلیت نفوذ سطحی زیاد و تراکم کم، توانایی تشخیص بیشتری نسبت به سایر انواع نانوالیاف را دارند.

حامل آنزیم‌ها و کاتالیست‌ها:
نانوالیاف سرامیکی و پلیمری الکتروریسی شده غیربافتی می‌توانند به عنوان حامل کاتالیزگرها و آنزیم‌های کاتالیزی مورد استفاده قرار گیرند. این موضوع بدین خاطر است که هم نسبت سطح به حجم بالایی دارند و هم بازایابی آن ها راحت تر است. بازیابی راحت از مزایای استفاده از نانوالیاف به جای نانوذرات به عنوان حامل کاتالیزور است. بازیابی حامل به این معنی است که بعد از انجام فرآیند، حامل (در اینجا الیاف نانومتری) به راحتی از سیستم واکنش خارج می‌شوند.

مهندسی بافت:
نانو الیاف ساخته شده از biopolymers (کلاژن، پلی اتیل اسید، پلی کاپرولاکتون و غیره) بسترهای ممکن برای رشد سلول ها هستند. به کمک خواص مکانیکی و ساختاری مواد نانو الیاف، می توان داربست هایی که برای کاشت انواع مختلف سلول ها مناسب می باشند را آماده کرد. بسترهای نانو الیاف به طور موثر از تکثیر سلول ها کمک می گیرند و جایگزین بافت که از سلول های بیمار به دست آمده است را فراهم می کنند. در طول آماده سازی داربست های نانو الیاف، می توان از مواد مختلف زیست فعال به عنوان مثال، فاکتور رشد، و در نهایت سایر مواد دارویی استفاده کرد.

برای اطلاعات بیشتر در زمینه فناوری نانو کلیک کنید