SUPERVISOR
Seyed-Abdolkarim Hoseini,Ahmad Reza Pishevar
سیدعبدالکریم حسینی (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Afsaneh Valipouri
افسانه ولی پوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388
TITLE
Enhancement and Modeling of Nanofiber Manufacturing Process Based on Electro-Centrifuge Spinning
This study presents a method for the fabrication of ultrafine polymeric nano?bers utilizing centrifugal and electrostatic forces simultaneously. To reduce the diameter and variability of polyacrylonitrile (PAN) and poly-L-lactic acid (PLLA) nanofibers, a unique electro-centrifuge spinning device was designed using rotating nozzle and collector, whereas the fabrication process (spinning head) was skillfully sealed from ambient airflow. The polymer solution was continuously delivered by a rotating nozzle and the nanofibers were collected by a rotating cylindrical collector at the same rotational speed as the nozzle. Field emission scanning electron microscope (FESEM) results demonstrated that this method has a significant effect on the quality and fineness of nanofibers. The diameters of nano?bers were controlled by adjusting the rotation speed of spinning head. The effect of the rotation speed on the morphology of the nanofibers fabricated by this device was also evaluated. In order to provide a useful context for the current nanofiber production method, nanofibers obtained in this method were compared with those produced by other methods. The results show that air-sealed-centrifuge-electrospinning system (ASCES) is a facile method for the fabrication nano?bers with smaller diameters and high uniform structures. The Taguchi method was adopted to optimize the fabrication condition of solid state polymerized polyamide ( PA66) nanofibers with respect to minimize nanofiber diameter. Air-sealed centrifuge electrospinning (ASCES) was used for preparing high quality nanofibers. In this study, solution concentration, rotational speed, syringe content, and applied voltage were selected as key parameters a?ecting the diameter of the fabricated nanofibers. The morphology of the electrospun nanofibers was analyzed by using the field emission scanning electron microscope (FESEM). Nanofiber diameters ranging from 20 to 250 nm were successfully controlled by the Taguchi method, and the statistical data based on experimental results indicated that the syringe content and rotational speed had greater in?uences (35.76% and 23.93%, respectively) on nanofiber diameter than did solution concentration and voltage (21.36% and 11.49%, respectively). Lower syringe content as well as higher rotational speed decreased the nanofiber diameter. The minimum concentration decreased the diameter of PA66 nanofibers. Also, applied voltage had no significant effect on nanofiber diameter. Centrifuge spinning suffered from a strong air resistance which leads to a more deflected jet as well as its rapidly solvent evaporation resulting in thicker nanofibers. A comparison was drawn between the trajectory of Newtonian jets fabricated by centrifuge spinning and air-sealed centrifuge spinning. The captured images of the jet trajectory using a high speed camera showed that non-isolated jets were more curved than isolated jets due to air resistance. A non-linear analysis of the Navier-Stokes equations was carried out and one-dimensional equations were derived using asymptotic techniques. The experimental results were compared to numerical solutions of equations. There was fairly good agreement between the isolated jet trajectory and the model-predicted one, but there were differences between the non-isolated jet trajectory and the simulation results. The non-isolated jet curved more compared to the others due to air drag. Simulation results showed that decreasing the Roy number which can be translated to an increase in angular velocity, reduced the overall size of the fiber radius, contracted the trajectory, and increased the tangential velocity and thus the production rates. The centrifugal force was increased significantly by increasing the speed of rotation. Thus, the higher the centrifugal force, the greater the extension of polymeric jet, which results in thinner ?ber diameters. The simulation provided an insight into the behavior expected during fiber formation with the inclusion of viscosity. The influence of the Reynolds number showed that decreasing the Reynolds number which related to an increase in viscosity, increased the fiber radius, contracted the trajectory, and reduced the tangential velocity and thus production rates. Actually higher viscosity makes the extension of the jet more difficult and results in the formation of a thicker fiber. Also, it was found that there is no difference between radius, trajectory, and tangential velocity of fibers fabricated at various Weber numbers. Simulation results showed that there is no effect of applied voltage on radius, trajectory, and tangential velocity of fibers. Keywords: Nanofibers, Morphology, Air-sealed-centrifuge-electrospinning system, Taguchi method, Curved liquid jet, Navier-Stokes equations, Non-linear analysis, Asymptotic expansions
در این تحقیق یک روش ارتقاء یافته برای تولید نانوالیاف پلیمری بسیار ظریف ارائه شده است که به طور همزمان نیروی الکتریکی و نیروی گریز از مرکز را بکار می گیرد. سیستم ریسندگی ارتقاء یافته متشکل از یک واحد ریسندگی است که شامل یک نازل و جمع کننده ی چرخان است که با یک سرعت دورانی در حال چرخش می باشند. واحد ریسندگی بطور هوشمندانه ای از هوای محیط ایزوله شده است. با استفاده از این سیستم به ریسندگی نانوالیاف پلی اکریلونیتریل و پلی ال لاکتیک اسید در سرعت های چرخشی مختلف پرداخته شد. در ضمن سیستم ارتقاء یافته با روش ریسندگی الکتروسانتریفیوژ و الکتروریسی تک نازله مقایسه شد. تصاویر FESEM حاصل از آزمایشات نشان داد که سیستم ارتقاء یافته توانایی تولید الیاف ظریفتر و یکنواخت تر نسبت به دو سیستم دیگر را دارد. به منظور بررسی تأثیر برخی پارامترها بر قطر نانوالیاف در فرایند ارتقاء یافته، طرح آزمایش تاگوچی مورد استفاده قرار گرفت. پارامترهای انتخابی عبارتند از: غلظت محلول، سرعت چرخشی واحد ریسندگی، ارتفاع محلول درون مخزن و ولتاژ. تصاویر FESEM حاصل از آزمون ها نشان دادند که مهمترین پارامتر تأثیر گذار بر قطر نانوالیاف ارتفاع محلول درون مخزن است و بعد از آن سرعت چرخشی واحد ریسندگی در مرتبه دوم قرار می گیرد. غلظت محلول و ولتاژ در مرتبه های سوم و چهارم قرار می گیرند. کمترین ارتفاع محلول درون مخزن و بیشترین سرعت چرخشی منجر به تولید ظریفترین نانوالیاف می گردد. کمترین غلظت نیز برای دستیابی به نانوالیاف با کمترین قطر ضروری می باشد. ولتاژ اثر معنی داری بر قطر نانوالیاف نداشته است. یک جریان شدید هوا در ریسندگی گریز از مرکز مبنا ایجاد می گردد که منجر به انحراف بیشتر جت و تبخیر سریع حلال می شود که نهایتاً منجر به تولید نانوالیاف ضخیم تر می گردد. در این تحقیق یک مقایسه بین جت سیال نیوتنی تولید شده در دو سیستم ریسندگی گریز از مرکز مبنا و ریسندگی گریز از مرکز ایزوله شده از هوای محیط انجام شد. تصاویر تهیه شده از مسیر جت توسط دوربین با سرعت بالا نشان داد که جت ایزوله نشده نسبت به جت ایزوله شده منحرف می شود. دلیل این رویداد وجود مقاومت هوا در سیستم ایزوله نشده است. یک آنالیز غیر خطی از معادلات ناویر ـ استوکس انجام شد و معادلات یک بعدی با استفاده از روش های تقریبی استخراج گردیدند. معادلات به روش عددی حل گردیدند. نتایج نشان داد که توافق خوبی بین جت ایزوله شده و پیش بینی جت توسط مدلسازی وجود دارد، در حالی که تفاوت هایی بین جت ایزوله نشده و نتایج شبیه سازی وجود دارد. همچنین نتایج شبیه سازی نشان می دهد کاهش عدد Rb که می تواند به مفهوم افزایش سرعت زاویه ای واحد ریسندگی باشد، منجر به کاهش قطر لیف، انحراف بیشتر جت و افزایش سرعت محوری جت می شود که افزایش میزان تولید را به دنبال دارد. افزایش سرعت زاویه ای (کاهش Rb) منجر به افزایش نیروی گریز از مرکز بعنوان نیروی کششی جت می شود. بنابراین هرچه نیروی گریز از مرکز بیشتر باشد، کشیدگی جت افزایش یافته و در نتیجه لیف ظریف تری تشکیل می گردد. شبیه سازی نشان می هد که کاهش عدد Re که به مفهوم افزایش ویسکوزیته است منجر به افزایش قطر لیف، انحراف بیشتر جت و کاهش سرعت محوری جت و در نتیجه کاهش میزان تولید می گردد. در واقع ویسکوزیته های بیشتر موجب می گردد که کشیده شدن جت به سختی صورت پذیرد و در نتیجه الیاف ضخیم تری ایجاد می گردد. همچنین نتایج نشان داد که تغییر عدد We (کشش سطحی) تأثیری بر دینامیک جت ندارد. نتایج شبیه سازی نشان داد که تغییر ولتاژ اعمالی تأثیری بر قطر، مسیر و سرعت محوری جت ندارد. کلمات کلیدی: نانوالیاف، مورفولوژی، سیستم ریسندگی الکتروسانتریفیوژ ایزوله شده از هوای محیط، ، روش تاگوچی، جت مایع خمیده، معادلات ناویر ـ استوکس، آنالیز غیر خطی، بسط تقریبی.