SUPERVISOR
Mohammad Ghane,Seyed-Abdolkarim Hoseini
محمد قانع (استاد راهنما) سیدعبدالکریم حسینی (استاد راهنما)
STUDENT
Zahra Ahmadi
زهرا احمدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Study on the physical properties of PAN nanofiber produced by the needleless electrospinning system
Up to now, much research carried out about nanofibres properties and their applications. Because nanofibers have unique properties they are known as advanced materials. Therefore, there have bee many different way for producing nanofibers, such a drawing, phase separation, self-assembly, template synthesis, centrifugal and electrospinning. In the past decade, electrospinning as an effective method for producing nanofibers, has attracted attention of many researchers and industrialists. From the beginning of this century, researchers have done many studies about electrospinning process. Furthermore, electrospinning is a more inexpensive method than others. However, one of the existent drawbacks of this method i low production rate. The applications of nanofibers, are in different area such as filtration, tissue engineering, drug delivery and carbon nanofibers. Hence researchers have tried to design electrospinning systems with high production rate. The needless electrospinning technology was first patented at the Technical University of Liberec in 2003. In 2004, with the help of Elmarco Company, this idea was attempted to be commercialized for the mass production of nanofibers. Although, appearance of the needleless electrospinning systems as suitable methods for producing nanofibers in recent years was a revolution but the lack of comprehensive information is a challenge about physical and mechanical properties of nanofibers produced with this systems. The main purpose of this study is evaluate the physical and mechanical properties and morphology of fibers produced by the needleless electrospinning system. Eventually the results of this study were compared with the results of nanofibers produced in the conventional electrospinning system. For this reason, experiments were designed with the Taguchi method to investigate the cases mentioned above. In these experiments a group of parameters as variable parameters and others were considered as a response parameters, and the influence of variable parameters on the conditions of production and the response parameters were studied and analyzed. Variable parameters were concentration, distance to the collector and needles rotary speed. Change on the variable parameters were investigated, and their impact on the response parameters such as stress, elongation, modulus and fibers diameter. The results showed that the concentration has the greatest impact on the stress and elongation and distance to the collector is most effective parameter for the elastic modulus. Also, the stress for fibers produced by needleless electrospinning system was lower compared to conventional electrospinning system. In addition, the investigation showed needleless electrospinning system used in this study has the ability to produce very fine fibers. After these experiments, in order to improve the mechanical properties of electrospun fibers, single wall carbon nanotubes were used. The results showed that the stress of the fibers produced with carbon nanotubes has improved in compare to the fibers produced with pure polymer. Also the elongation of samples with carbon nanotubes were increased in compare to the samples without carbon nanotubes, and in some cases it shows higher elongation than the fibers produced by conventional electrospinning system. In general, the modulus of samples with carbon nanotubes was very close to the modulus of fibers produced by conventional electrospinning system, and in some cases, their modulus were increased significantly. Fibers diameter is important parameter among the others. The results showed that high concentrations of polymer and carbon nanotubes produced larger diameter fiber. Key Words: Needleless electrospinning, Taguchi method, Physical and mechanical properties, Carbon nanotube, Fibers diameter
تا به امروز تحقیقات زیادی در رابطه با خواص و کاربردهای نانو الیاف انجامگرفته است. این الیاف به دلیل برخوردار بودن از خواص منحصربهفرد در گروه مواد پیشرفته قرار میگیرند. به همین جهت روشهای مختلفی برای تولید نانو الیاف ازجمله کشش، جداسازی فاز، خود تشکیلی، سنتز قالب، سانتریفیوژ و الکتروریسی وجود دارد. در دهه گذشته الکتروریسی بهعنوان روش مؤثر برای تولید نانو الیاف، توجه بسیاری از محققان و صنعتگران را به خود جلب کرده است. به همین منظور از آغاز این قرن محققان، مطالعات بسیاری بر روی فرآیند الکتروریسی انجام دادهاند. علاوه بر این، الکتروریسی ازجمله ارزانترین روشها بهحساب میآید. هرچند یکی از موانع موجود در این روش، نرخ پایین تولید میباشد. باوجود کاربردهای زیاد نانو الیاف، در عمل بهطور گسترده مورداستفاده قرار نمیگیرند و با توجه بهکاربردهای فراوان آنها در زمینههای مختلف ازجمله فیلتراسیون، مهندسی بافت و رهایش دارو روش تولید این الیاف از اهمیت بالایی برخوردار است. ازاینرو بسیاری از محققان درصدد برآمدند تا دستگاههای الکتروریسی با توان تولید بالا را طراحی نمایند. در سال 2003 روش الکتروریسی بدون نازل برای اولین بار در دانشگاه لیبریک ابداع شد. در سال 2005 تلاش شد تا این ایده به کمک شرکت المارکو برای تولید عمده نانو الیاف تجاریسازی شود . ظهور دستگاههای الکتروریسی بدون نازل بهعنوان روشهای مناسب برای تولید نانو الیاف، نیاز به اطلاعات جامع در خصوص خواص فیزیکی و مکانیکی نانوالیاف تولیدشده در این دستگاهها را بوجود آورده است. ازاینرو هدف عمده در این تحقیق بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی و مورفولوژی الیاف تولیدشده به کمک الکتروریسی بدون نازل میباشد. درنهایت نتایج بهدستآمده از این تحقیق با نتایج آزمایشهای مشابه در الکتروریسی متداول مقایسه شده است. به همین منظور با کمک روش تاگوچی، آزمایشهای لازم برای بررسی موارد گفتهشده در بالا طراحی گردید. در این آزمایشها گروهی از عوامل بهعنوان عامل متغیر و گروهی دیگر بهعنوان عامل پاسخ در نظر گرفته شد و تاثیر عوامل متغیر بر شرایط تولید و همچنین بر عوامل پاسخ، موردمطالعه و تحلیل قرار گرفت. ازجمله عوامل متغیر میتوان به غلظت محلول الکتروریسی، فاصله سوزنها تا صفحه جمع کننده و سرعت چرخش سوزنها اشاره نمود. با تغییر این عوامل تاثیر آنها بر عوامل پاسخ همچون استحکام، درصد ازدیاد طول، مدول الاستیک و قطر الیاف تولیدشده مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد غلظت، بیشترین تاثیر را بر استحکام و درصد ازدیاد طول دارد و فاصله سوزنها تا جمع کننده موثرترین عامل بر مدول الاستیک میباشد. همچنین میزان استحکام برای الیاف تولیدشده با دستگاه الکتروریسی بدون نازل در مقایسه با الکتروریسی متداول کمتر میباشد. مطابق با نتایج بهدستآمده، دستگاه الکتروریسی بدون نازل استفادهشده در این تحقیق، از قابلیت تولید نانوالیاف با قطری کمتر از 300 نانومتر برخوردار است. پس از انجام آزمایشهای فوق بهمنظور بهبود خواص مکانیکی الیاف، از نانولولههای کربنی تک جداره استفاده شد. نتایج نشان داد استحکام برای الیاف تولیدشده با نانولولههای کربنی نسبت به الیاف تولیدشده با پلیمر خالص بهبود پیداکرده است. همچنین درصد ازدیاد طول نمونههای دارای نانولولههای کربنی در مقایسه با نمونههای بدون نانولولههای کربن افزایش داشته و در برخی موارد حتی میزان بالاتری را نسبت به مقادیر موجود در روش الکتروریسی متداول را نشان میدهد. بهطورکلی مقادیر مدول الاستیک الیاف دارای نانولولههای کربن به مقادیر مدول الاستیک الیاف در روش الکتروریسی متداول نزدیک بوده و حتی در برخی موارد مدول الاستیک به میزان چشمگیری افزایش داشته است. ازجمله عوامل مهم دیگر قطر الیاف میباشد. نتایج نشان داد در غلظتهای بالا از پلیمر و نانولولههای کربنی الیاف با قطر بزرگتر تولید میشوند. کلمات کلیدی : الکتروریسی بدون نازل، روش تاگوچی، خواص فیزیکی و مکانیکی، نانولولههای کربن، قطر الیاف