نازک تر از تارمو

در سالهای اخیر، نانو الیاف به علت دارا بودن ویژگی های منحصر به فرد در صنایع مختلف از جمله فیلتراسیون هوا مورد توجه قرار گرفته اند.

کد خبر: ۱۳۳۱۱۴

در یک طرح پژوهشی دوساله ، لایه های مختلفی از الیاف نانو با قطر و ضخامت مختلف به روش الکتروریسی تهیه شده و در یک سیستم آزمایشگاهی آزمون فیلتر که برای تعیین ویژگی های فیلتر طراحی و ساخته شده بود، بررسی و آزمایش شد. نتایج به دست آمده از این طرح تحقیقاتی که از سوی محققان واحد علوم و تحقیقات دانشگاه آزاد اسلامی انجام شد، نشان می دهد فیلترهای ساخته شده از الیاف نانو قابلیت بسیار بالایی در فیلتراسیون ذرات آلوده دارند و از راندمان بالاتری در مقایسه با فیلترهای سلولزی معمولی برخوردارند. با استفاده از الیاف نانو می توان فیلترهای تمیز شونده با راندمان بالا و وزن کمتر طراحی و تولید کرد که در نتیجه سبب می شود تفاوت محسوسی را در روش فیلتراسیون نسبت به استفاده از فیلترهای متداول لیفی ایجاد کنیم.

با کاهش قطر الیاف پلیمری از میکرومتر به نانومتر، خواص منحصر به فردی مانند نسبت سطح به حجم بسیار بالا، انعطاف پذیری و خواص مکانیکی عالی در الیاف ایجاد می شود که سبب گسترش کاربرد آنها خواهد شد. به طور کلی ، نانو ذرات یا نانو مواد به موادی گفته می شود که حداقل یک بعد نانو داشته باشند.

نانوالیاف ها نوید دهنده انقلابی بزرگ در فناوری هستند که زمانی مشابه آن را فیبرهای نوری ایجاد کردند

الیاف نانومتری دارای قطر نانومتری هستند، در حالی که طول آنها به چندین کیلومتر هم می رسد. از آنجایی که الیاف تولید شده به روش الکتروریسندگی دارای قطری در محدوده 50 - 500 نانومتر هستند، در حیطه نانو فناوری مورد توجه قرار گرفته اند.
تاکنون روشهای متعددی برای تولید الیاف نانومتری در نظر گرفته شده است که از میان آنها روش الکتروریسندگی علاوه بر سادگی از بازده بالاتری برخوردار است و می توان گفت این روش تنها روشی است که در آینده می توان از آن برای تولید نانو الیاف به صورت هم جهت و پیوسته استفاده کرد. در روشهای محصول تولید الیاف با قطر بزرگتر ابتدا مذاب پلیمری با اعمال نیروهای مکانیکی تحت کشش قرار می گیرد و از داخل حدیده خارج می شود و در نهایت رشته ای از الیاف به دست می آید. در فرآیند الکتروریسندگی نیز مانند روشهای تولیدی معمول ، سیال مورد نظر به صورت مذاب و یا محلول پلیمری تحت کشش قرار می گیرد. اما این کشش برخلاف روشهای معمول که از طریق نیروی مکانیکی خارجی ایجاد می شود، به کمک نیروهای الکترواستاتیک و باردار کردن محلول و یا مذاب پلیمری ایجاد خواهد شد. نوع پلیمر انتخاب شده به کاربرد آن بستگی دارد.

از تصور تا واقعیت

به گفته مهندس شمیم ضرغام و مهندس امیر توکلی ، دانش آموختگان کارشناسی ارشد مهندسی نساجی دانشگاه آزاد اسلامی ، در این طرح تحقیقاتی علاوه بر بررسی فرآیند الکتروریسندگی و تولید نانوالیاف نایلونی ، متغیرهای موثر بر فرآیند نیز بررسی شد.
قطر الیاف نانو به پارامترهای مختلفی مانند غلظت پلیمر، ولتاژ الکتریکی اعمال شده ، فاصله ، دبی جریان ، قطر سوزن و نوع جمع کننده بستگی دارد. این پژوهشگران با بهینه سازی شرایط فرآیندی موثر بر تولید الیاف نانو در شرایط آزمایشگاهی ، موفق به تولید الیافی با قطر کمتر از 100 نانومتر شدند. هر چه الیاف تولیدی ظریف تر باشند، خواص مطلوب تری از خود بروز می دهند. به دلیل همراستا بودن الیاف در این نمونه ، استحکام مکانیکی آن نیز افزایش یافت. یکی از مشکلات فرآیند تولید الیاف نانو به روش الکتروریسندگی ، نبود یکنواختی در میزان کشیدگی الیاف است که با کنترل پارامترهای تاثیرگذار می توان این مشکل را از میان برداشت.
مطالعات انجام شده نشان می دهد با توجه به امکانات و قابلیت های موجود در کشور، دستیابی به دانش فنی تولید این مواد در مقیاس صنعتی و نیمه صنعتی امکان پذیر خواهد بود.

فیلترهایی از جنس نانو الیاف

به گفته توکلی ، یکی دیگر از طرحهای پژوهشی در این زمینه کاربرد نانو الیاف پلیمری در فیلتراسیون هواست که پس از مطالعه متغیرهای موثر بر فیلتراسیون هوا و براساس تجارب به دست آمده در فرآیند تولید نانوالیاف ، عوامل مختلف انتخاب و بررسی شد. برای بررسی ارتباط میان متغیرهای فیلتر با متغیرهای وابسته به آن لازم است تاثیر متغیرهای فوق را با استفاده از یک دستگاه آزمون بررسی کنیم.
بنابراین ، دستگاه آزمون فیلتر مناسبی در مقیاس آزمایشگاهی برای نخستین بار در کشور طراحی و ساخته شد و سپس نمونه ها در شرایط معین مورد آزمایش قرار گرفتند. در این طرح پژوهشی ، قابلیت الیاف نانو در فیلتراسیون با فیلترهای متداول و مکانیزم عملکرد آنها مقایسه شد. آزمایش های گوناگون نشان داد الیاف نانو از قابلیت بسیار بالایی برای استفاده در فیلتراسیون برخوردارند و می توانند به عنوان یک لایه مکمل به انواع فیلترها اضافه شوند. برخلاف فیلترهای معمولی ، لایه الیاف نانو توانایی فیلتراسیون ذرات در مقیاس میکرون را دارد که با استفاده از آن می توان فیلترهای ارزان قیمت و با کارایی بالا به دست آورد.
مکانیزم فیلتراسیون الیاف نانو با الیاف معمولی متفاوت است. همین ویژگی سبب گسترش محدوده کاربرد این الیاف در جوانب مختلف زندگی روزمره انسان ها شده است

به گفته ضرغام ، در این پژوهش به کمک فرآیندهای طراحی شده ، اثر پارامترهای تاثیرگذار و مهم بررسی شد و چگونگی تنظیم آنها برای تولید محصولی قابل قبول مورد مطالعه قرار گرفت. از دستاوردهای این پژوهش می توان به طراحی و ساخت تجهیزات الکتروریسندگی برای تولید الیاف بی بافت و کاربرد این الیاف در ساخت فیلتراسیون های مورد استفاده در صنایع مختلف اشاره کرد.

نانو الیاف در خدمت فناوری

ویژگی متمایز این الیاف سبب می شود نانو الیاف پلمیری به عنوان مواد مناسبی در زمینه های مختلف صنعتی استفاده شوند که از آن جمله می توان به کاربرد این الیاف در ساخت نانو کامپوزیت های پلیمری ، صنایع فیلتراسیون ، نظامی و پزشکی اشاره کرد.
امروزه استفاده از الیاف نانو برای ساخت لباسهای محافظ در مقابل عوامل شیمیایی و بیولوژیکی ، ساخت فیلترهایی با ویژگی های متفاوت و همچنین نانو کامپوزیت های پلیمری به صورت کاربردی مطرح شده است. پیش بینی می شود استفاده از این الیاف در فیلتراسیون تحول عظیمی را در این بخش به وجود آورد.
به گفته توکلی ، اگر از یک فیلتر با کیفیت بالا در فرآیند فیلتراسیون هوا استفاده شود، ذرات تا مقیاس 300 نانومتر در این سطح محبوس خواهند شد و بازده این فرآیند به 99.97 درصد ارتقاء خواهد یافت.
هر چند اندازه منافذ قرار گرفته روی این گونه فیلترها کوچک و ضخامت فیلتر در محدوده ای است که اجزای فوق العاده کوچک را نیز به دام می اندازد؛ اما در این نوع فیلتراسیون لازم است جریان هوا با فشار وارد شود. در غیر این صورت توانایی فیلتراسیون کاهش می یابد و همانند یک فیلتر معمولی عمل می کند.با استفاده از لایه نازکی از الیاف نانو می توان فرایند فیلتراسیون را در فشار هوای معمولی و جریان هوای کم با کیفیتی مشابه فیلترهایی از جنس الیاف شیشه ای انجام داد.
به گفته ضرغام ، قطر الیاف نانوی مورد استفاده در این نوع فیلترها به کمتر از یک میکرون می رسد که همین امر باعث زیاد شدن نسبت سطح به حجم ، کوچک شدن منافذ و در نهایت تخلخل بالا می شود. این فیلترها می توانند با وجود کارایی بسیار بالا در فیلتراسیون ذرات ریز، افت فشار را نیز به حداقل برساند. این ویژگی سبب افزایش کارایی فیلتر، کاهش افت فشار و افزایش طول عمر آن می شود.
برای مثال ، نانو فیلترهای مورد استفاده در صنایع خودروسازی سبب صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی ، سوختن کامل بنزین در موتور، کاهش آلودگی هوا و مشکلات زیست محیطی و کاهش هزینه ها می شود. این در حالی است که با ورود هوای تمیز به داخل موتور اتومبیل ، بازده موتور افزایش و ورود ذرات آلوده به داخل موتور کاهش می یابد.

آینده در تسخیر نانو

انسان ها در معرض یک انقلاب اجتماعی قدرتمند و تسریع شده قرار گرفته اند که تا حدودی ناشی از توسعه نانو فناوری در زمینه های مختلف زندگی است. در آینده ای نه چندان دور، دانشمندان قادر به ساخت اولین آدم آهنی در مقیاس نانو می شوند که حتی می تواند همانندسازی کند و طی چند سال با تولید 5 میلیارد تریلیون نانو روبات ، تقریبا تمامی فرآیندهای صنعتی و نیروی کار کنونی از رده خارج خواهد شد. با این تحول عظیم ، کالاهای مصرفی به وفور یافت می شود، در حالی که ارزان ، شیک و بادوام خواهد بود. دارو درمانی جهشی سریع و کوانتومی را تجربه می کند، سفرهای فضایی مقرون به صرفه خواهد شد و به طور کلی سبک زندگی در جهان به صورت زیربنایی متحول شده و الگوهای رفتاری انسان ها نیز بناچار تحت تاثیر این روند قرار خواهد گرفت.