NANOFIBERLER ve ELEKTROEĞİRME

14 Temmuz 201915 Temmuz 2019 Nanotechelectrospinning, energy harvesting system, fiber, high voltage, polimer, polymer

Bilgilendirme

Elektrospinleme; polimer, kompozit ve seramik içeren çeşitli materyallerden ultra ince bir fiber üretmek için basit ama kapsamlı bir işlemdir. Elektrospinleme düzeneği, yüksek voltajlı güç kaynağı, metal iğneli bir şırınga ve iletken bir kolektör olmak üzere üç ana bileşenden oluşur. Aslında, çok karmaşık görülse de, nano fiber üreten basit bir işlem mekanizmasıdır. Elektrospinning işlemi, Liu ve arkadaşlarına göre titreşim elektrospinleri, manyeto elektrospinleri, Siro elektrospinleri ve kabarcık elektrospinleri gibi çeşitli tekniklere ayrılabilir [1]. Dolum sıvısı jeti şırınga ucundan toplayıcıya doğru hareket ettikçe, akım akış şekli ohmikten konvektif akışa doğru değişmekte ve yük fiber yüzeyi yerine hareket etmektedir. Yavaş ivmelenme ohmik akışın bir özelliğidir çünkü Taylor konisinin geometrisi yüzey geriliminin elektrostatik itme oranına bağlı olarak kontrol edilir [2]. Ohmik akış-a başarıyla gerçekleştikden sonra, jet sıvıdan kuru katıya geçiş bölgesine hızlı bir hareket başlar. Jet kollektör [3, 4, 5]. “Taylor Cone” isimli sadece iğne ucunda oluşturulan konik şekli temsil eder (Şekil 1).

Şekil 1. Şırınga İğne Ucu'ndan Taylor Koni oluşumlarının gösterimi [6].

1964 yılında Sir Geoffrey Ingram Taylor, bu koniyi [7] Zeleny [7] 'nin yüksek elektrik alanlarına maruz kalan bir konik jetin oluşumu üzerine çalışmanın devamı olarak tanımladı. Wilson ve Taylor, Nolan ve Macky [7] dahil olmak üzere pek çok kişi bu alanda araştırmaya devam etti. Ancak, damlacıklar ve elektrik alanlar arasındaki etkişimleri daha fazla araştırmış olan Taylor'dı. Taylor’ın elde ettiği sonuçlar iki varsayıma dayanmaktadır: (1) koninin yüzeyinin eş potansiyel bir yüzey olduğu ve (2) koninin sabit durum dengesinde mevcut olduğudur. Deşarj edildikten ve Taylor konisinin aktif hale gelmesinden hemen sonra, polimer jeti, çözücünün buharlaştığı, yerleştirilen bir topraklanmış metal elek üzerinde rastgele bir şekilde yüklü bir polimer fiberinin çökeltme işlemi [8] gerçekleşir. Eriyik söz konusu olduğunda, boşaltılan jet havada hareket ettiğinde katılaşır ve topraklanmış metal elek üzerinde toplanır [7]. Fridrikh ve diğerleri, [9], “kamçılama” jetinin (ht) terminal çapının, denklemde verilen şekilde akış hızı (Q), elektrik akımı (I) ve akışkan yüzey gerilimi (γ) tarafından kontrol edildiğini teorik olarak tanımladılar.

Burada ε¯ dielektrik sabitidir, (x) yer değiştirmedir. Denk. (1); çırpma jetinin terminal çapının, akış hızı, elektrik akımı ve akışkanın yüzey gerilimi tarafından kontrol edildiğini, elastik etkileri ve akışkan buharlaşmasının dikkate alınmadığını minimum jet incelmesi hakkında bir tahmin önerir.

2. Elektrospinning kurulumları

2.1. Elektrospinning işlemi

Elektrospinning aparatı sadece üç ana bileşen taşıyan basit bir işlemdir: yüksek voltajlı bir güç kaynağı, bir akışkan kontrol pompası veya akışsız bir polimer çözeltisi haznesi (örneğin küçük çaplı iğneli bir şırınga) ve metal toplama ekranı. Ayarlanabilir kontrollü yüksek voltajlı bir güç kaynağı 50 kV'a kadar DC çıkış sağlayabilir ve elektrospinning jetleri sayısına bağlı olarak, bağımsız olarak çalışan çoklu çıkışlara ihtiyaç duyulabilir. Polimerik çözelti bir rezervuar içinde tutulur ve yüklü bir polimer jet oluşturmak için bir güç kaynağına bağlanır. Polimer çözeltisinin yüklenmesi, metal iğneli bir şırınga veya polimer çözeltisinde metal uçlu bir kılcal ile yapılabilir. Şırınga yatay olarak yerleştirilmezse (dikey konumlandırılırsa), polimer akışı yerçekimi ile tahrik edilebilir. Bununla birlikte, deneysel değişkenleri kaldırmak için, kesin akış hızını kontrol etmek için bir şırınga pompası kullanılır. Fiber toplama ekranının iletken olması istenir ve sabit bir plaka veya dönen bir platform veya substrat kullanılabilir. Plaka dokunmamış fiberler üretebilirken, dönen bir platform hem dokunmamış hem de hizalı fiber üretebilir.

Halen, yerçekiminin etkisinin incelenmesi için farklı açılarla üç yeni elektrospinning ayarı ile dikey ve yatay olmak üzere iki standart elektrospinleme düzeni mevcuttur. Bu teknolojiye artan ilginin bir sonucu olarak, birçok araştırma grubu daha karmaşık nano lif yapılarının daha kontrollü ve verimli bir şekilde üretilebildiği karmaşık mekanizmalar geliştirmiştir [10, 11], bkz (Şekil 2). Örneğin, motor kontrollü çoklu jet ve fiber toplama hedefleri, her biri farklı bir polimer tipinden elde edilen, çoklu tabakalardan oluşan tek bir nano lifli iskelenin üretilmesi için bir yöntemdir. Ayrıca, bu teknoloji, her tabakanın fiberlerinin çeşitli polimer tiplerinin bir kombinasyonunu temsil ettiği polimer kompozit yapı iskelelerinin imalinde kullanılabilir.

Şekil 2. Elektrospinning kurulumu ve kontrol edilebilir elektrospinning işlem parametreleri [12].

3. Nanofiber oluşum için mekanizma ve teknik

Elektrospinning işlemi yoğun olarak çalışılmıştır [13]. Mekanizma, çözeltinin yüzey gerilimi, uygulanan bir elektrik alanı ile aşıldığında meydana gelir, böylece yüzeyden küçük püskürtmeler çıkarır. Taylor [14], bu bozulmanın meydana gelebileceği kritik bir voltaj ile tanımlamıştır:

Vc kritik voltaj ise, H, kılcal ve toprak arasındaki ayrımdır, L, kılcalın uzunluğu, R, kılcalın yarıçapıdır ve γ, sıvının yüzey gerilimidir. Carson ve ark. [15], bir kılcal borudan yarım küre şeklindeki bir damla kolyeden potansiyel elektrostatik püskürtme için çalışmışlarını ilerletmişlerdir:

Burada V'nin bir elektrik alanı olduğu, γ sıvının yüzey gerilimi ve r ise kolye damlasının yarıçapıdır [15]. Küçük bir sıvı yelpazesini araştırırken, Taylor elektrostatik kuvvetler ile 49.3 ° lik denge açısına sahip dengeli bir yüzey gerilimi belirledi. Fiber oluşturma işleminde ince hız gradyanlarının başlangıcını tanımladığı için Taylor konileri, elektrospinleme için gereklidir. V> Vc olduğunda, çözeltinin ince bir jeti koni yüzeyinden patlar ve zıt kutuba doğru yani elektriksel zemine en yakın elektrota doğru ilerler. Bunu tarif etmenin bir yolu olarak, elektrospinleme jeti, bir ucu başlangıç noktasına bağlı ve diğer ucu serbest bırakılan, viskoelastik bir ortamla bağlanmış yüklü elemanların bir dizisidir. Yüzey gerilimi ile bir kılcal halinde tutulan bir polimer çözeltisi elektriksel bir alana maruz kaldığında, sıvı yüzeyinde bir yük meydana gelir [16]. Karşılıklı yük itme, yüzey gerilimi kuvvetlerine karşı bir kuvveti oluşturur ve akışkanda kayma gerilmeleri kurulur. Elektrik alanındaki yoğunluğun artmasıyla, benzer polarite çözeltisindeki iyonlar damlanın yüzeyinde birikmeye zorlanacaktır. Kararlı jetin uzunluğu artan voltajla artar. Viskoelastik jet Taylor’ın konisinden uzaklaşmaya başladıktan sonra başlangıçta doğrusal bir yoldan geçer. Jet kademeli olarak bu doğrusal yoldan uzağa doğru bükülmeye başlar ve elektrospinleşen jet içindeki yüklü elemanlarda oluşan itici kuvvetlerden karmaşık şekil değişiklikleri oluşabilir [17]. Jet, kesit alanı içinde önemli ölçüde indirgemelere uğrayabilir ve spiral halkalar ondan büyüyebilir. Bu fenomene genellikle çırpma dengesizliği denir. Sonuç olarak, kılcak boru ucundaki çözeltinin yarım küre yüzeyi Taylor konisi olarak adlandırılan bir koni oluşturarak uzar (Şekil 3). Oldukça yüksek elektrik alanlarında (V> Vc), solüsyonun yüklü bir jeti Taylor konisinin ucundan dışarı atılır ve zıt kutuplu (veya elektriksel topraklamalı) (-) bir elektroda gider.

Figür 3. Bir kılcal içindeki bir çözeltiye uygulanan elektrik alanın etkilerinin şematik gösterimi.

Berry sayısı (Be) [18, 19] adı verilen boyutsuz bir parametre, çeşitli araştırma grupları tarafından fiberlerin çaplarını kontrol etmek için bir işlem indeksi olarak kullanıldı. Be sayı aşağıdaki formul ile tanımlanır:

Burada η, spesifikt vizkozitenin, sonsuz dilüsyondaki (seyreltiminde-sulandırmasındaki) konsantrasyonuna oranıdır, yani polimerin iç viskozitesidir. C ise polimer çözeltisinin konsantrasyonudur. İçsel viskozite, polimer molekül ağırlığına bağlıdır. Ayrıca, bir çözeltideki polimer zincirlerinin dolaşma seviyesini de tarif eder. Yüksek oranda seyreltilmiş çözeltiler düşünüldüğünde, Be değeri birden az olduğunda, polimer molekülleri seyrek olarak çözelti içinde dağıtılır. Tek tek moleküllerin birbirleriyle dolaşma olasılıkları düşüktür.

Be değeri birden büyük olduğunda, polimer konsantrasyonu ve ayrıca moleküler dolaşma seviyesi de artar ve bu durum lif/fiber oluşumu için daha elverişli koşullara yol açar [20]. Deney, çözelti viskozitesi arttıkça, fiber çapının da (yaklaşık orantılı olarak) jet uzunluğunun da arttığını gösterir. Baumgarten, aşağıdaki denklemde belirtilen lif çapı ile çözelti viskozitesi arasındaki ilişkiyi ayrıntılı olarak açıklamıştır:

Burada D, fiber çapıdır ve η ise, hareketsiz haldeki (dengedeki) çözelti viskozitesidir. Ayrıca, fiber çapının uygulanan elektrik alanına büyük ölçüde bağımlı olduğu da kanıtlanmıştır. Uygulanan voltajdaki bir artış, daha küçük çaplı fiber üreten elektrostatik stresini (gerilimini) arttırır. [7, 21]. Huang ve diğerlerine göre. [22] elektrik alanındaki daha fazla artış, elektrostatik itme kuvveti yüzey gerilimi ile ilgilendiğinde ve sıvının yüklü jeti Taylor konisinin ucundan çıkarıldığında elde edilen kritik bir değerdir. İşlemde, çözücü buharlaşarak yüklü polimer fiber oluşumuna katkıda bulunur. Eriyike gelince, şırıngadan tahliye edilen jet havada hareket ettiğinde katılaşır. Pham ve arkadaşları tarafından yapılan çalışmanın bulgularına dayanarak [23], altlığın (tabanın) şekli sıvının yüzey gerilimine ve elektrik alanın kuvvetine bağlıdır; Jetler, elektrik alanı yeterince yüksekse, çoğunlukla düz olan yüzeylerden çıkarılabilir. Polimer jetindeki çözücü, toplayıcı süzgecin hareketinde buharlaşır, böylece jet üzerindeki yüzey yükü artar. Elektrik alanından geçerken, yüzey yükündeki bu artış polimer jetindeki kararsızlığı tetikler [24]. Polimer jet, geometrik olarak, önce iki pete bölünür, daha sonra, işlem bu dengesizliği telafi etmek için kendisini tekrar ettikçe daha çok bölünmeye ayrılır. Nano lifler/fiberler, polimer damlacıklarının sürekli bölünmesi üzerindeki elektrostatik kuvvet tarafından verilen eğirme kuvveti hareketiyle meydana gelir. Dokuma olmayan bir nano fiber mat oluşturan metal hedef plaka üzerinde birbiri ardına bir tabaka biriktirilir. Nano fiberlerin oluşturulduğu, çok daha az kontrolsüz olan mekanizmalar henüz tamamen açıklığa kavuşturulmamasına rağmen, elektrospreyleme / elektrospinleme teknolojisi uzun bir süredir kullanılmıştı. Çok fazla teorik netlik sağlanamamış olmakla birlikte, iskele tasarımını tekrar üretilebilir bir şekilde kontrol etmek için fiber oluşum mekanizmasının araştırılması için çeşitli çalışmalar yapılmıştır ve halen yapılmaktadır. Üniform bir fiber yapı, sadece elektrospinleme işlemi sırasında optimize edilmiş işletim altında yaratılır. Nano liflerin yapısal morfolojisi hem dışsal hem de içsel parametrelerden etkilenir [16]. Bilgilendirici nano liflerin üretilmesi için uygulanan voltaj, çalışma mesafesi ve iletkenlik ve polimer çözeltisinin iletkenliği de dahil olmak üzere iç parametrelere ek olarak çevresel nem ve sıcaklık gibi dış parametrelerin optimize edilmesi gerekmektedir. İçsel parametreler nanofiber yapının genel anlamda belirlenmesinde daha çok önem taşımaktadır.

4.Elektrospinning için çalışma parametreleri

Çözelti parametreleri, işlem parametreleri ve ortam parametreleri olan üç ana parametre, elektrospinleme işlemini etkileme eğilimindedir. Bu çalışma parametreleri, üretilen elektrospun fiberının istenen kalitesini belirlemede büyük rol oynamaktadır [25, 26]. Birçok uygulamada en çok tercih edilen, ölçek olarak 10-1000 nm çapında bir çapa ve pürüzsüz bir yüzey morfolojisine sahip bir fiberdir. Çözelti özelliklerinin Lu ve Ding [25] e göre değiştirilmesi zordur, çünkü bir parametre arasındaki ilişki diğer parametreleri sürükleyecektir; ve ayrıca, kontrol edilebilir bir parametre olarak izole etmek işlemi çok zordur. Li ve Wang [27], elektrospinleme işlemini ve işlemi yöneten çalışma parametrelerinin etkilerini araştırdılar ve bu parametrelerin fiber morfolojilerini ve çaplarını etkileyebileceğini keşfettiler. Parametrelerin nanofiber çap üzerine etkileri üzerine yaptıkları çalışmada Thompson ve ark. [28], jet yarıçapının elektrospun fiber üretimi üzerinde bir etki bırakabileceğini keşfettiler.(ÖNEMLİ TESPİT) Çalışmalarında, bir dizi parametre, diğer parametrelere kıyasla fiber oluşumunu önemli ölçüde etkiledi. Örneğin, Formhals [29] tarafından yapılan ilk elektrospinning yöntemi bazı teknik dezavantajlara sahipti, çünkü iplikçilik ve toplanma bölgeleri çok kısa bir mesafeye sahip olduğundan, elektrospinleme işleminden sonra fiberlerin tamamen kurutulması kolay değildi; bu daha az toplanmış bir ağ yapısına yol açtı [29]. Bununla birlikte, 5 yıl sonra Formhals [30], öncü çalışmasında, elektrospun fiberlere daha uzun bir mesafede daha fazla kuruma süresi vermek için nozül ve toplayıcı (kollektör) arasındaki mesafeyi değiştirdi [31].

4.1. Polimer / çözelti parametreleri

4.1.1. Viskozite / konsantrasyon

Nano fiberli yapının yapısal morfolojisini kontrol etmedeki en kritik faktör, polimer çözeltisinin konsantrasyonuyla doğrudan orantılı olan bir parametre olan polimer çözeltisi viskozitesidir. Fiber oluşumu için, kullanılan polimerin ve çözücünün türüne bağlı olarak, polimer viskozitesinin belirli bir aralıkta olması gerekir. Zeng J ve ark. PLA nano fiberi üretmek için, Şekil 4'te gösterildiği gibi ağırlıkça % 1 ila % 5 arasında değişen farklı konsantrasyonlarda veya viskozitelerde, boncuklar veya boncuklu fiberler için % 3'ün altında ve sürekli nano fiberlar için % 3 ve üzerinde [32] oranlar kullanmıştır. Bu aralığın altında nano fiber yapısı içeren bir boncuk oluşturulmuştur. Küresel boncuklar uzamış ve viskoziteye sahip, iğ şeklinde olanlara dönüşmüş ve yapıdaki boncukların sayısı azalmıştır. Aynı şekilde, Liu ve arkadaşları, ayrıca selülozdan oluşan üniform nano liflerin oluşumu için uygun hale getirilen farklı bir özel viskozite aralığından bahsettiler [33]. Son çalışmalarda, Deitzel ve arkadaşları [34] ile Demir ve diğelerinin yaptığı çalışmalara göre [35], ek olarak, daha viskoz bir polimer çözeltisinin daha büyük lifler oluşturabildiğini göstermişlerdir. Özetle, bu çalışmalar, elektrospinleme için polimere özgü, optimal viskozite değeri olduğunu kanıtlamıştır.

Şekil 4. Farklı konsantrasyonlarda PLA olan nano fiberların elektrospinlenmesi FESEM'i. (a)% 5, (b)% 4, (c)% 3, (d)% 2 ve (e)% 1 [32].

Sill ve Von Recum'a göre [36], polimer konsantrasyonu, bir çözeltinin dönebilirliğini belirler. Zincir dolaşmalarının gerçekleşmesi için, çözelti yeterince yüksek polimer konsantrasyonuna sahip olmalıdır. Bununla birlikte, çözelti ya fazla seyreltilmiş ya da fazla konsantre olmamalıdır. Hem çözeltinin viskozitesi hem de yüzey gerilimi polimer konsantrasyonundan etkilenir.

4.1.2. İletkenlik

Yüksek iletkenliğe sahip polimer çözeltilerinin yük taşıma kapasitesi, düşük iletkenliğe sahip olan çözeltilerden daha büyüktür. Bu nedenle, yüksek iletkenlikli bir çözeltiden üretilen fiber jet, uygulanan bir gerilime maruz kaldığında daha yüksek çekme kuvvetine sahip olma eğiliminde olacaktır. Gözlem yoluyla, çözelti iletkenliğindeki bir artış, nano fiber çapında önemli bir düşüşe neden olur; ve ayrıca, açıkça nanofiber jetin yarıçapı, çözeltinin elektrik iletkenliğinin küp kökü ile ters ilişkilidir [7, 37, 38].

Belirli bir hücrenin iletkenliği Eşitlikten sonraki molar iletkenlik ile bir bağlantıya sahiptir. (6) [39], burada k, mS / cm birimlerle iletkenliktir, c, mol / L birimlerle iyon konsantrasyonudur ve bu nedenle molar iletkenlik (Λ) S cm2 / mol birimlere sahiptir.

Chitral ve Shesha [40], polietilen oksit (PEO) / su çözeltisinin iletkenliğindeki değişimin, elektrospinleme işlemi ve fiber morfolojisi üzerindeki etkilerinin kapsamlı bir araştırmasının sonuçlarını yayınladı. PEO çözeltisinin iletkenliğinin jet akımı ve jet yolu üzerindeki etkileri, NaCl ‘ü çözeltiye ilave edilerek, Şekil 5'te gösterildiği gibi, fiber yüzeyi üzerinde çıkıntı oluşmasına neden olur. Burada, Polietilen oksit (PEO) çözeltisinin iletkenliğinin jet akımı ve jet yolu üzerindeki etkileri de dikkate alınmıştır.

Şekil 5 Bir dizi iletkenlik için elektrospinleme PEO / NaCl fiber numunelerinin FESEM görüntüleri. (a) 5 g / 0 g, (b) 5 g / 0.1 g, (c) 5 g / 0.2 g, (d) 5 g / 0.5 g, (e) 5 g / 1.25 g ve (f) 5 g / 2 g [40].

Zong ve arkadaşları [37], elektrospinleme işleminde poli (L-laktik asit) (PLLA) çözeltilerine çeşitli türlerde tuz eklemenin etkisini görmek için bir çalışma yaptılar. KH2P04, NaH2P04 ve NaCl çalışıldı ve her biri, % 1 W / V'de PLLA çözeltilerine ayrılarak ilave edildi. Elde edilen elektrospun nano fiberler, pürüzsüz, boncuksuz ve ayrıca, tuzu olmayan çözeltilerden elde edilen nano fiberlerin elektrospun'larından daha küçük çaplara sahiptiler. Solüsyon içeren KH2PO4−, en büyük çapa sahip nano fiber üretirken, NaCl içerenler en küçük çapa sahip nano fiber üretti. İyon boyutunun da nano fiber çapını belirlediği tespit edilmiştir. Daha küçük yarıçaplara sahip olan iyonlar daha yüksek şarj yoğunluğuna sahipti ve böylece elektrospun nano fiberlerde daha büyük uzama kuvvetleri verdiler [41].

4.1.3. Moleküler ağırlık

Polimerin moleküler ağırlığı, elektrospinleme fiberlerinin morfolojileri üzerinde de büyük bir etki bırakmaktadır. Polimer zincirlerinin çözeltilerde dolanması, yani çözelti viskozitesi, temel olarak moleküler ağırlığın bir yansımasıdır. Konsantrasyonu sabit tutmak ve polimerin moleküler ağırlığını azaltmak, pürüzsüz fiber yerine boncuk oluşturma yeteneğine sahiptir. Moleküler ağırlığın arttırılmasıyla pürüzsüz fiber elde edilecektir. Ayrıca dikkat edilmesi gereken, çok yüksek molekül ağırlığının düşük konsantrasyonda bile mikro şerit oluşumunu desteklediğidir [42, 43]. Çiğdem A ve diğerleri. [44], moleküler ağırlığın (MW), suda çözündüğü zaman 89000 ila 186.000 g / mol arasında değişen moleküler ağırlığa sahip elektrospun poli (vinil alkol) (PVA) 'nın fiber yapısı üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Bakınız Şekil 6

Şekil 6. Çeşitli moleküler ağırlıklar için elektrospun PVA polimerindeki tipik yapıyı gösteren FESEM. (a) 89000-98.000 g / mol; (b) ~ 125,000 g / mol; ve (c) 146.000-186.000 g / mol (çözelti konsantrasyonu: ağırlıkça% 25) [44].

4.1.4. Yüzey gerilimi

Solüsyonun solvent bileşimlerinin fonksiyonu olarak, yüzey gerilimi elektrospinlenmede önemli bir faktördür. Yang ve diğerleri [45], elastik, N, N-dimetilformamid (DMF) ve solvent olarak diklorometan (MC) içeren bir model olarak PVP'li elektrospun ürünlerinin morfolojileri üzerindeki yüzey gerilimlerinin etkisi üzerine bir çalışma yürütmüştür. Bu süreçte, farklı çözümlerin farklı yüzey gerilimlerine katkıda bulunabileceği keşfedildi. Konsantrasyon sabit ve çözeltinin yüzey gerilimi ile, azaltılmış boncuklu fiberler pürüzsüz fiberlere dönüştürülebilir.

4.1.5. Çözücü seçimi

Belirli bir polimerin çözünmesi ve elektrospinleme işlemi yoluyla nano fiberlere dönüştürülmesi için çözücü seçimi çok önemlidir. Polimerin çözücü içindeki çözünürlüğü ve çözücünün uçuculuğunu tamamen gösteren, kaynama noktası, bir çözücü seçmeye gelince dikkate alınması gereken iki ana özelliktir. Uçucu çözücüler, daha düşük kaynama noktalarından dolayı, kılcal uçtan kollektör yüzeyine yörünge sırasında nano fiberlerin dehidrasyonunu sağladıkları ve daha hızlı bir buharlaşma hızlarına neden oldukları için daha uygun bir seçimdir. Bununla birlikte, çok düşük kaynama noktalarına sahip olan yüksek uçucu çözücüler, kılcal uçta buharlaşabileceğinden ve ayrıca polimer çözeltisinin akış hızının tıkanmasına ve tıkanmasına yol açabileceğinden kullanılmamalıdır. Yüksek kaynama noktalarına sahip olan çözücüler, kollektöre ulaşmadan önce tamamen susuz kalmayabilir, böylece bu drum şerit benzeri, yassı, nanofiber morfolojileri veya nanofiberlerin sınırlarda toplanmasına neden olur [36, 46]. Elektrospinning polivinilpirolidonun (PVP) Yang ve Coworkers [45] tarafından kabiliyetleri farklı solventlerle araştırıldı. İncelenen çözücüler MC, etanol ve DMF idi, boncuklu nano fiberler PVP'nin DCM ve DMF çözeltilerinden oluşturulmuş, etanol kullanımı PVP nano fiberleri üretmiştir. Etanol ve DMF'nin entegrasyonundan elektrospun olan nano fiberler, 20 nm'lik küçük çaplara sahipken, etanol ve DCM'nin bir kombinasyonu, 300 nm'lik çaplara sahip nano fiberlerin oluşumuyla sonuçlanmıştır (bkz. Şekil 7). Bu nedenle, nanofiber morfolojisi ve gözenekliliğinin, çözücülerin savunulabilir kullanımı veya bir çözücü kombinasyonu ile düzenlenebileceği sonucuna varılmıştır.

Şekil 7 PEO nano fiberlerin TEM görüntüleri elektrospun farklı çözücüler kullanır. (a) kloroform (% 3), (b) Etanol (% 4), (c) DMC (% 5), (d) Su (% 7) [47].

4.2. Elektrospinning parametreleri

4.2.1. Gerilim kaynağı

Yük yoğunluğunu oluşturan polimer damlacıklarının birim yüzey alanı başına yük miktarı uygulanan voltaj, çalışma mesafesi ve polimer çözeltisinin iletkenliği ile belirlenir. Uygulanan voltaj, polimer damlacıklarına bir yük vererek fiberleri döndürmek için itici güç sağlamak için kullanılır. Uygulanan gerilime ek olarak, şırınganın ucu ile toplama plakası arasındaki mesafe olan çalışma mesafesi, nano fiberlerin yapısal morfolojisini etkileyebilir. Demir ve diğerleri [35], daha yüksek voltajlar uygulandığında, daha büyük çaplı bir fiber oluşturmak için daha fazla polimer püskürtülmesini önermiştir.

Benzer şekilde, yüksek voltaj koşulları da daha sert bir fiber yapısı yaratmıştır. Boncuk oluşumunu azaltmak için, Zong ve arkadaşları [37], tuz parçacıkları ekleyerek damlacık yüzeyindeki yük yoğunluğunu artırmak için bir yaklaşım önermiştir. Bununla birlikte, yüksek yük yoğunluğunun, Demir ve arkadaşları [35]. Ile Pham ve arkadaşları [23], düşük voltajlı alan kuvveti durumunda, tipik olarak, iğnenin ucunda bir damlanın askıya alındığını ve bir koninin boncuksuz eğirme üreten Taylor elektriğinden kaynaklanacağını göstermektedir (elektrik alanı kuvvetinin yüzey gerilimini gidermek için yeterli olduğu varsayımıyla). Hao Shao ve diğerleri [48], yüksek voltajın etkisini incelemiş ve Şekil 8'de gösterildiği gibi yüksek voltajdaki bir değişimin bir sonucu olarak morfolojideki değişimi gözlemlemişlerdir.

Şekil 8 Farklı uygulanan voltajlarda hazırlanan PVDF nano fiberlerin SEM görüntüleri [48].

4.2.2. İğne çapı (meme)

İğne boyutunun nano fiber çapları üzerinde belli bir etkisi vardır. Elektrospun nano fiberlerin çaplarındaki bir azalmanın, iğnenin iç çapındaki bir azalmadan kaynaklandığı keşfedilmiştir. Meme (genellikle şırınga iğnesi için ayarlanmış) ortaya çıkan polimer eriyiği miktarını belirler; bu da, oluşan damlanın boyutunu ve ayrıca eriyiği dışarı itmek için pompanın ihtiyaç duyduğu basıncı veya kuvvet miktarını etkiler. Polimer eriyiği daha az viskoz ise, ağızlıktan kolayca akabilir. Polimer eriyiği genellikle kalın, yüksek viskoziteli bir sıvıdır. Bu nedenle, eğer meme çok küçükse ve eriyik çok viskoz ise, eriyik dışarı zorlanamaz. Bu nedenle uygun bir meme kullanılmalıdır. Yıllar boyunca farklı tipte nozullar veya memecikler kullanılmıştır [49]. İğne çaplarının, ortaya çıkan elektrospun poli (metil metakrilat) (PMMA) ortalama nanofiber çapları üzerindeki etkisi, Javier Macossay ve arkadaşları [49] tarafından ortaya konulmuştur. Bu fiberler düzenli yüzey morfolojileri sunarken, Şekil 9'da birkaç nanofiber demet belirgindir.

Şekil 9 PMMA nano fiberlerin SEM'i, iç çap iğnesi kullanılarak. (a) 0,83 mm, (b) 0,4 mm, (c) 0,1 mm [49].

4.2.3. Uç ile toplayıcı arasındaki mesafe

İğneden toplayıcıya olan mesafe çok önemlidir, çünkü bu mesafe düşürülerek elektrik alanı artar; ve ayrıca bu germe kuvveti yapar ve fibrin üretilen alandan geçme süresi daha düşüktür ve bu da fiber çözücünün yeterli buharlaşmasına neden olur. Sonuçta, iğne ile toplayıcı arasındaki mesafenin azaltılması durumunda fiberlerin büyümesi ve kabarcıklar gibi yapısal deformasyonlara maruz kalabilmesini ortaya çıkarır. Yüksek voltaj 15 kV'da olarak ve iğnenin ucundan toplayıcıya olan mesafe 9 cm ila 21 cm arası olarak seçildiğinde, fiberlerin morfolojisi, Şekil 10'daki SEM görüntülerinden değerlendirilebilir; en kısa mesafe (9 cm) için, fiber toplayıcıya ulaşmadan önce çözücünün eksik buharlaşmasını takiben kesişme noktalarında bir araya gelir. Kullanılan diğer dört mesafe için, fiberler benzer görülmüştür ve ortalama fiber çapı, kollektöre olan mesafe ile biraz artmıştır. Uç ile toplayıcı arasında kurulan mesafe, uçuş süresi ve elektrik alan şiddeti üzerinde doğrudan bir etkiye yol açmıştır. Fiberlerin oluşması için, elektrospinleme jetine buharlaştırılacak çözücülerin çoğu için yeterli zaman verilmelidir. Elektrik alan gücü aynı anda artacaktır ve bu, jetin kollektöre ivmesini artıracaktır. Sonuç olarak, çözücülerin toplayıcıya ulaştıklarında buharlaşması için yeterli zaman olmayabilir.

Şekil 10 Farklı eğirme mesafelerinde hazırlanan PVDF nano fiberlerin SEM görüntüleri [48].

4.2.4. Akış hızı

Bir diğer önemli parametre işlemi, şırınga içindeki polimer çözeltisinin akış hızıdır. Polimer çözeltisinin polarizasyon için yeterli zamana sahip olması için, düşük akış hızı daha çok tercih edilir. Akış hızı çok yüksekse, toplayıcıya ulaşmadan önce kısa kuruma süresi nedeniyle ve ayrıca düşük germe kuvvetlerinden dolayı ince çaplı pürüzsüz fibrler yerine, kalın çaplı boncuk fiberler oluşacaktır. Besleme hızında bir artış olduğunda, iğne ucundan çıkan daha büyük bir çözelti hacminin bir sonucu olarak, fiber çapında veya kabarcık büyüklüğünde buna bağlı bir yükseliş vardır. Şekil 11'de gösterildiği gibi, Shamim Z ve diğerleri [50], diğer parametrelerle akış hızı düştüğünde, sabit tutulduğunu; Blobun boyutunda bir azalma ve nanofiber çapında bir artış vardır. Buradaki çıkarım, akış oranındaki düşüşle birlikte, boncuksuz yapı elde edilinceye kadar lekelerin boyutunun daha küçük olabileceğidir.

Şekil 11 PVA farklı debi oranlarının SEM görüntüleri. (a) 0.1 ml / saat, (b) 0.5 ml / saat, (c) 1 ml / saat, (d) 1.5 ml / saat [51].

4.2.5. Kollektör

Nano fiberlerin oluşumu, dokuma ve dokuma olmayan nano fiberlere ayrılabilir. Kullanılan toplayıcı tipi, tip veya nanofiber hizalamalarının ayırt edilmesinde büyük rol oynar. Yönlendirmeli toplayıcının yanı sıra statik çift topraklı toplayıcının [2] kullanılması, hizalanmış dokuma nano liflerin geliştirilmesinde kullanılan yöntemleri oluşturur. Döner tambur toplayıcı, hizalanmış dizilerin nano fiberlerini toplamak için kullanılırken döner disk tek eksenli olarak hizalanmış nano fiberleri toplamak için kullanılır. Döner tamburdan elde edilen hizalama fiberleri tambur [2] üzerine uygulanan dönme hızına karşılık gelir. Bu tip elektrospinleme yöntemi daha karmaşıktır, çünkü dönme hızının bu kadar iyi bir hizalamaya sahip nano fiber üretmek için çok düzgün bir şekilde kontrol edilmesi gerekir. Dönen disk toplayıcı ayrıca sürekli nano fiber toplamaya da hizmet eder, çünkü diskin kenarında uygulanan büyük elektrik alanını çok fazla çekebilirler [2].

Şekil 12'de görüldüğü gibi, Wang X ve arkadaşlarının çalışacağı tel örgü dahil birçok rapor için çeşitli kolektörlerin SEM görüntüleri geliştirilmiştir. [52], Sundaray B ve arkadaşları [53], Li D ve arkadaşları [54], Xu CY ve arkadaşları tarafından incelenen paralel veya ızgaralı çubuk ve döner çubuklar veya tekerlek. [55] ve Ki CS ve arkadaşları [56], Kim ve diğerleri [57], kollektörde kullanılan farklı bileşim tiplerinin poli (L-laktid) (PLLA) ve poli (laktid-ko-glikolid) (PLA50GA50) fiberlerinin yapısını etkilediğini kanıtladı.

Şekil 12 Değişik kolektörlü elektrospun ürünlerinin SEM görüntüleri. (a) Tel Ekran, (b) Pim, (c) Izgara Çubuğu, (d) Paralel Çubuk, (e) Dönen Tekerlek ve (f) Sıvı Banyosu [52, 53, 54, 55, 56].

4.3. Ortam parametreleri

Fiber çapları ve morfolojileri de Nem ve sıcaklık gibi ortam parametrelerinden etkilenebilir. Mituppatham ve arkadaşları [58] örneğin, Şekil 13'te gösterildiği gibi çözelti viskozitesi ve sıcaklık arasındaki ters ilişki için daha ince fiber çapını poliamid-6 fiber ile destekler. Nem bakımından, düşük nem çözücüyü tamamen kurutabilir ve hızı artırabilir Çözücü buharlaştırma işleminin aksine, yüksek nem kalın fiber çapına yol açar, çünkü jet üzerindeki yükler nötrleştirilebilir ve germe kuvvetleri küçük hale gelir.

Şekil 13 Electrospun PA-6-32 fiberlarının farklı sıcaklıklarda SEM görüntüleri. (a) 30ᴼ ve (b) 60ᴼ [58].

Nem çeşitliliği, ayrıca Casper ve diğerleri tarafından gösterildiği gibi, elektrospun PS fiberlerinin yüzey morfolojilerini de etkileyebilir. [59]. Nezarati ve diğerleri [60], düşük nem oranının (% 5 RH), ince fiberlerle bağlanmış boncuklarla sonuçlandığını, ancak RH'nin (% 20-75 RH’e) arttırılmasının poli (etilen glikol) (PEG) için düzgün fiberlerle sonuçlandığını gözlemledi. Ek olarak, bağıl nem% 50-75'ten artırıldıkça, fiber yoğunluğu azaldı, bakınız (Şekil 14).

Şekil 14. % 5 ila 75 arasında değişen nispi nemde (RH) poli (etilen glikol) (PEG) elektrospun SEM görüntüleri [60].

References

[1] Liu Y et al. Controlling numbers and sizes of beads in electrospun nanofibers. Polymer International. 2008;57(4):632-636

[2] Baji A et al. Electrospinning of polymer nanofibers: effects on oriented morphology, structures and tensile properties. Composites Science and Technology. 2010;70(5):703-718

[3] Cavaliere S et al. Electrospinning: Designed architectures for energy conversion and storage devices. Energy & Environmental Science. 2011;4(12):4761-4785

[4] Chronakis IS. Novel nanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofibers using electrospinning process—A review. Journal of Materials Processing Technology. 2005;167(2):283-293

[5] Bognitzki M et al. Nanostructured fibers via electrospinning. Advanced Materials. 2001; 13(1):70-72

[6] Haslauer CM et al. Collagen–PCL sheath–core bicomponent electrospun scaffolds increase osteogenic differentiation and calcium accretion of human adipose-derived stem cells. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 2011;22(13):1695-1712

[7] Baumgarten PK. Electrostatic spinning of acrylic microfibers. Journal of Colloid and Interface Science. 1971;36(1):71-79

[8] Larrondo L, St John Manley R. Electrostatic fiber spinning from polymer melts. I. Experimental observations on fiber formation and properties. Journal of Polymer Science, Polymer Physics Edition. 1981;19(6):909-920

[9] Fridrikh SV et al. Controlling the fiber diameter during electrospinning. Physical Review Letters. 2003;90(14):144502

[10] Kidoaki S, Kwon IK, Matsuda T. Mesoscopic spatial designs of nano-and microfiber meshes for tissue-engineering matrix and scaffold based on newly devised multilayering and mixing electrospinning techniques. Biomaterials. 2005;26(1):37-46

[11] Stankus JJ et al. Microintegrating smooth muscle cells into a biodegradable, elastomeric fiber matrix. Biomaterials. 2006;27(5):735-744

[12] Ke P et al. From macro to micro: structural biomimetic materials by electrospinning. RSC Advances. 2014;4(75):39704-39724

[13] Buchko CJ et al. Processing and microstructural characterization of porous biocompatible protein polymer thin films. Polymer. 1999;40(26):7397-7407

[14] Taylor G. Electrically driven jets. In: Proceedings of the Royal Society of London, Ser. A; 1969;313(1515):453-475

[15] Carson R et al. Photomicrography of electrically sprayed heavy particles. AIAA Journal. 1964;2(4):733-737 Nanofibers and Electrospinning Method http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.72060 207

[16] Doshi J, Reneker DH. Electrospinning process and applications of electrospun fibers. In: Industry Applications Society Annual Meeting, 1993. Conference Record of the 1993 IEEE. IEEE; 1993

[17] Reneker DH et al. Bending instability of electrically charged liquid jets of polymer solutions in electrospinning. Journal of Applied Physics. 2000;87(9):4531-4547

[18] Berry G. Thermodynamic and conformational properties of polystyrene. II. Intrinsic viscosity studies on dilute solutions of linear polystyrenes. The Journal of Chemical Physics. 1967;46(4):1338-1352

[19] Hager B, Berry G. Moderately concentrated solutions of polystyrene. I. Viscosity as a function of concentration, temperature, and molecular weight. Journal of Polymer Science, Polymer Physics Edition. 1982;20(5):911-928

[20] Ko F et al. Electrostatically generated nanofibres for wearable electronics. In: Wearable Electronics and Photonics. Woodhead Publishing in Textiles; 2005. p. 1340

[21] Bronstein LM, Nalwa HS. Encyclopedia of nanoscience and nanotechnology. American Scientific Publishers. 2004;7:193-206

[22] Huang Z-M et al. A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites. Composites Science and Technology. 2003;63(15):2223-2253

[23] Pham QP, Sharma U, Mikos AG. Electrospinning of polymeric nanofibers for tissue engineering applications: a review. Tissue Engineering. 2006;12(5):1197-1211

[24] Taylor G. Electrically driven jets. In: Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. The Royal Society; 1969

[25] Lu P, Ding B. Applications of electrospun fibers. Recent Patents on Nanotechnology. 2008;2(3):169-182

[26] Maleki M, Latifi M, Amani-Tehran M. Optimizing electrospinning parameters for finest diameter of nano fibers. World Academy of Science, Engineering and Technology. 2010;64:389-392

[27] Li Z, Ce Wang. One-dimensional nanostructures: Electrospinning technique and unique nanofibers. Heidelberg, New York, Dordrecht, London. 2013

[28] Thompson C et al. Effects of parameters on nanofiber diameter determined from electrospinning model. Polymer. 2007;48(23):6913-6922

[29] Subbiah T et al. Electrospinning of nanofibers. Journal of Applied Polymer Science. 2005;96(2):557-569

[30] Formhals A. Method and Apparatus for Spinning. 1939. US Patent No. 2160962

[31] Pelipenko J et al. The impact of relative humidity during electrospinning on the morphology and mechanical properties of nanofibers. International Journal of Pharmaceutics. 2013;456(1):125-134 208 Novel Nanomaterials - Synthesis and Applications

[32] Zeng J et al. Poly-L-lactide nanofibers by electrospinning–influence of solution viscosity and electrical conductivity on fiber diameter and fiber morphology. e-Polymers; 2003:3(1)

[33] Liu H, Hsieh YL. Ultrafine fibrous cellulose membranes from electrospinning of cellulose acetate. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 2002;40(18):2119-2129

[34] Deitzel J et al. The effect of processing variables on the morphology of electrospun nanofibers and textiles. Polymer. 2001;42(1):261-272

[35] Demir MM et al. Electrospinning of polyurethane fibers. Polymer. 2002;43(11):3303-3309

[36] Sill TJ, von Recum HA. Electrospinning: applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials. 2008;29(13):1989-2006

[37] Zong X et al. Structure and process relationship of electrospun bioabsorbable nanofiber membranes. Polymer. 2002;43(16):4403-4412

[38] Huang L et al. Engineered collagen–PEO nanofibers and fabrics. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 2001;12(9):979-993

[39] Stanger JJ. Charge transfer mechanisms in electrospinning. University of Canterbury. 2008

[40] Angammana CJ, Jayaram SH. Analysis of the effects of solution conductivity on electrospinning process and fiber morphology. IEEE Transactions on Industry Applications. 2011;47(3):1109-1117

[41] Garg K, Bowlin GL. Electrospinning jets and nanofibrous structures. Biomicrofluidics. 2011;5(1):013403

[42] Koski A, Yim K, Shivkumar S. Effect of molecular weight on fibrous PVA produced by electrospinning. Materials Letters. 2004;58(3):493-497

[43] Zhao Y et al. Study on correlation of morphology of electrospun products of polyacrylamide with ultrahigh molecular weight. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 2005;43(16):2190-2195

[44] Akduman Ç, Kumabasar EPA, Çay A. Effect of molecular weight on the morphology of electrospun poly (vinyl alcohol) nanofibers. 2014

[45] Yang Q et al. Influence of solvents on the formation of ultrathin uniform poly (vinyl pyrrolidone) nanofibers with electrospinning. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 2004;42(20):3721-3726

[46] Lannutti J et al. Electrospinning for tissue engineering scaffolds. Materials Science and Engineering: C. 2007;27(3):504-509

[47] Son WK et al. The effects of solution properties and polyelectrolyte on electrospinning of ultrafine poly (ethylene oxide) fibers. Polymer. 2004;45(9):2959-2966

[48] Shao H et al. Effect of electrospinning parameters and polymer concentrations on mechanical-to-electrical energy conversion of randomly-oriented electrospun poly(vinylidene fluoride) nanofiber mats. RSC Advances. 2015;5(19):14345-14350 Nanofibers and Electrospinning Method http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.72060209

[49] Luo C et al. Electrospinning versus fibre production methods: from specifics to technological convergence. Chemical Society Reviews. 2012;41(13):4708-4735

[50] Zargham S et al. The effect of flow rate on morphology and deposition area of electrospun nylon 6 nanofiber. Journal of Engineered Fabrics & Fibers (JEFF). 2012;7(4)

[51] Rodoplu D, Mutlu M. Effects of electrospinning setup and process parameters on nanofiber morphology intended for the modification of quartz crystal microbalance surfaces. Journal of Engineered Fibers and Fabrics. 2012;7(2):118-123

[52] Wang X et al. Formation of water-resistant hyaluronic acid nanofibers by blowingassisted electro-spinning and non-toxic post treatments. Polymer. 2005;46(13):4853-4867

[53] Sundaray B et al. Electrospinning of continuous aligned polymer fibers. Applied Physics Letters. 2004;84(7):1222-1224

[54] Li D, Wang Y, Xia Y. Electrospinning nanofibers as uniaxially aligned arrays and layerby-layer stacked films. Advanced Materials. 2004;16(4):361-366

[55] Xu C et al. Aligned biodegradable nanofibrous structure: a potential scaffold for blood vessel engineering. Biomaterials. 2004;25(5):877-886

[56] Ki CS et al. Electrospun three-dimensional silk fibroin nanofibrous scaffold. Journal of Applied Polymer Science. 2007;106(6):3922-3928

[57] Kim HS et al. Morphological characterization of electrospun nano-fibrous membranes of biodegradable poly (L-lactide) and poly (lactide-co-glycolide). In: Macromolecular Symposia; 2005. Wiley Online Library

[58] Mituppatham C, Nithitanakul M, Supaphol P. Ultrafine electrospun polyamide-6 fibers: Effect of solution conditions on morphology and average fiber diameter. Macromolecular Chemistry and Physics. 2004;205(17):2327-2338

[59] Casper CL et al. Controlling surface morphology of electrospun polystyrene fibers: Effect of humidity and molecular weight in the electrospinning process. Macromolecules. 2004;37(2):573-578

[60] Nezarati RM, Eifert MB, Cosgriff-Hernandez E. Effects of humidity and solution viscosity on electrospun fiber morphology. Tissue Engineering, Part C: Methods. 2013;19(10): 810-819

[/pl_text]
[/pl_col]
[/pl_row]