نازک تر از تارمو

در سالهاي اخير، نانو الياف به علت دارا بودن ويژگي هاي منحصر به فرد در صنايع مختلف از جمله فيلتراسيون هوا مورد توجه قرار گرفته اند. در يک طرح پژوهشي دوساله ، لايه هاي مختلفي از الياف نانو با قطر و ضخامت مختلف به روش الکتروريسي تهيه شده و در يک سيستم آزمايشگاهي آزمون فيلتر که براي تعيين ويژگي هاي فيلتر طراحي و ساخته شده بود، بررسي و آزمايش شد. نتايج به دست آمده از اين طرح تحقيقاتي که از سوي محققان واحد علوم و تحقيقات دانشگاه آزاد اسلامي انجام شد، نشان مي دهد فيلترهاي ساخته شده از الياف نانو قابليت بسيار بالايي در فيلتراسيون ذرات آلوده دارند و از راندمان بالاتري در مقايسه با فيلترهاي سلولزي معمولي برخوردارند. با استفاده از الياف نانو مي توان فيلترهاي تميز شونده با راندمان بالا و وزن کمتر طراحي و توليد کرد که در نتيجه سبب مي شود تفاوت محسوسي را در روش فيلتراسيون نسبت به استفاده از فيلترهاي متداول ليفي ايجاد کنيم. با کاهش قطر الياف پليمري از ميکرومتر به نانومتر، خواص منحصر به فردي مانند نسبت سطح به حجم بسيار بالا، انعطاف پذيري و خواص مکانيکي عالي در الياف ايجاد مي شود که سبب گسترش کاربرد آنها خواهد شد. به طور کلي ، نانو ذرات يا نانو مواد به موادي گفته مي شود که حداقل يک بعد نانو داشته باشند.
نانوالياف ها نويد دهنده انقلابي بزرگ در فناوري هستند که زماني مشابه آن را فيبرهاي نوري ايجاد کردند.الياف نانومتري داراي قطر نانومتري هستند، در حالي که طول آنها به چندين کيلومتر هم مي رسد. از آنجايي که الياف توليد شده به روش الکتروريسندگي داراي قطري در محدوده 50 - 500 نانومتر هستند، در حيطه نانو فناوري مورد توجه قرار گرفته اند.تاکنون روشهاي متعددي براي توليد الياف نانومتري در نظر گرفته شده است که از ميان آنها روش الکتروريسندگي علاوه بر سادگي از بازده بالاتري برخوردار است و مي توان گفت اين روش تنها روشي است که در آينده مي توان از آن براي توليد نانو الياف به صورت هم جهت و پيوسته استفاده کرد. در روشهاي محصول توليد الياف با قطر بزرگتر ابتدا مذاب پليمري با اعمال نيروهاي مکانيکي تحت کشش قرار مي گيرد و از داخل حديده خارج مي شود و در نهايت رشته اي از الياف به دست مي آيد. در فرآيند الکتروريسندگي نيز مانند روشهاي توليدي معمول ، سيال مورد نظر به صورت مذاب و يا محلول پليمري تحت کشش قرار مي گيرد. اما اين کشش برخلاف روشهاي معمول که از طريق نيروي مکانيکي خارجي ايجاد مي شود، به کمک نيروهاي الکترواستاتيک و باردار کردن محلول و يا مذاب پليمري ايجاد خواهد شد. نوع پليمر انتخاب شده به کاربرد آن بستگي دارد.

از تصور تا واقعيت

به گفته مهندس شميم ضرغام و مهندس امير توکلي ، دانش آموختگان کارشناسي ارشد مهندسي نساجي دانشگاه آزاد اسلامي ، در اين طرح تحقيقاتي علاوه بر بررسي فرآيند الکتروريسندگي و توليد نانوالياف نايلوني ، متغيرهاي موثر بر فرآيند نيز بررسي شد. قطر الياف نانو به پارامترهاي مختلفي مانند غلظت پليمر، ولتاژ الکتريکي اعمال شده ، فاصله ، دبي جريان ، قطر سوزن و نوع جمع کننده بستگي دارد. اين پژوهشگران با بهينه سازي شرايط فرآيندي موثر بر توليد الياف نانو در شرايط آزمايشگاهي ، موفق به توليد اليافي با قطر کمتر از 100 نانومتر شدند. هر چه الياف توليدي ظريف تر باشند، خواص مطلوب تري از خود بروز مي دهند. به دليل همراستا بودن الياف در اين نمونه ، استحکام مکانيکي آن نيز افزايش يافت. يکي از مشکلات فرآيند توليد الياف نانو به روش الکتروريسندگي ، نبود يکنواختي در ميزان کشيدگي الياف است که با کنترل پارامترهاي تاثيرگذار مي توان اين مشکل را از ميان برداشت.مطالعات انجام شده نشان مي دهد با توجه به امکانات و قابليت هاي موجود در کشور، دستيابي به دانش فني توليد اين مواد در مقياس صنعتي و نيمه صنعتي امکان پذير خواهد بود.

فيلترهايي از جنس نانو الياف

به گفته توکلي ، يکي ديگر از طرحهاي پژوهشي در اين زمينه کاربرد نانو الياف پليمري در فيلتراسيون هواست که پس از مطالعه متغيرهاي موثر بر فيلتراسيون هوا و براساس تجارب به دست آمده در فرآيند توليد نانوالياف ، عوامل مختلف انتخاب و بررسي شد. براي بررسي ارتباط ميان متغيرهاي فيلتر با متغيرهاي وابسته به آن لازم است تاثير متغيرهاي فوق را با استفاده از يک دستگاه آزمون بررسي کنيم.بنابراين ، دستگاه آزمون فيلتر مناسبي در مقياس آزمايشگاهي براي نخستين بار در کشور طراحي و ساخته شد و سپس نمونه ها در شرايط معين مورد آزمايش قرار گرفتند. در اين طرح پژوهشي ، قابليت الياف نانو در فيلتراسيون با فيلترهاي متداول و مکانيزم عملکرد آنها مقايسه شد. آزمايش هاي گوناگون نشان داد الياف نانو از قابليت بسيار بالايي براي استفاده در فيلتراسيون برخوردارند و مي توانند به عنوان يک لايه مکمل به انواع فيلترها اضافه شوند. برخلاف فيلترهاي معمولي ، لايه الياف نانو توانايي فيلتراسيون ذرات در مقياس ميکرون را دارد که با استفاده از آن مي توان فيلترهاي ارزان قيمت و با کارايي بالا به دست آورد.
مکانيزم فيلتراسيون الياف نانو با الياف معمولي متفاوت است. همين ويژگي سبب گسترش محدوده کاربرد اين الياف در جوانب مختلف زندگي روزمره انسان ها شده است ,به گفته ضرغام ، در اين پژوهش به کمک فرآيندهاي طراحي شده ، اثر پارامترهاي تاثيرگذار و مهم بررسي شد و چگونگي تنظيم آنها براي توليد محصولي قابل قبول مورد مطالعه قرار گرفت. از دستاوردهاي اين پژوهش مي توان به طراحي و ساخت تجهيزات الکتروريسندگي براي توليد الياف بي بافت و کاربرد اين الياف در ساخت فيلتراسيون هاي مورد استفاده در صنايع مختلف اشاره کرد.

نانو الياف در خدمت فناوري

ويژگي متمايز اين الياف سبب مي شود نانو الياف پلميري به عنوان مواد مناسبي در زمينه هاي مختلف صنعتي استفاده شوند که از آن جمله مي توان به کاربرد اين الياف در ساخت نانو کامپوزيت هاي پليمري ، صنايع فيلتراسيون ، نظامي و پزشکي اشاره کرد.امروزه استفاده از الياف نانو براي ساخت لباسهاي محافظ در مقابل عوامل شيميايي و بيولوژيکي ، ساخت فيلترهايي با ويژگي هاي متفاوت و همچنين نانو کامپوزيت هاي پليمري به صورت کاربردي مطرح شده است. پيش بيني مي شود استفاده از اين الياف در فيلتراسيون تحول عظيمي را در اين بخش به وجود آورد.
به گفته توکلي ، اگر از يک فيلتر با کيفيت بالا در فرآيند فيلتراسيون هوا استفاده شود، ذرات تا مقياس 300 نانومتر در اين سطح محبوس خواهند شد و بازده اين فرآيند به 99.97 درصد ارتقاء خواهد يافت.هر چند اندازه منافذ قرار گرفته روي اين گونه فيلترها کوچک و ضخامت فيلتر در محدوده اي است که اجزاي فوق العاده کوچک را نيز به دام مي اندازد؛ اما در اين نوع فيلتراسيون لازم است جريان هوا با فشار وارد شود. در غير اين صورت توانايي فيلتراسيون کاهش مي يابد و همانند يک فيلتر معمولي عمل مي کند.با استفاده از لايه نازکي از الياف نانو مي توان فرايند فيلتراسيون را در فشار هواي معمولي و جريان هواي کم با کيفيتي مشابه فيلترهايي از جنس الياف شيشه اي انجام داد.به گفته ضرغام ، قطر الياف نانوي مورد استفاده در اين نوع فيلترها به کمتر از يک ميکرون مي رسد که همين امر باعث زياد شدن نسبت سطح به حجم ، کوچک شدن منافذ و در نهايت تخلخل بالا مي شود. اين فيلترها مي توانند با وجود کارايي بسيار بالا در فيلتراسيون ذرات ريز، افت فشار را نيز به حداقل برساند. اين ويژگي سبب افزايش کارايي فيلتر، کاهش افت فشار و افزايش طول عمر آن مي شود.براي مثال ، نانو فيلترهاي مورد استفاده در صنايع خودروسازي سبب صرفه جويي در مصرف سوخت و انرژي ، سوختن کامل بنزين در موتور، کاهش آلودگي هوا و مشکلات زيست محيطي و کاهش هزينه ها مي شود. اين در حالي است که با ورود هواي تميز به داخل موتور اتومبيل ، بازده موتور افزايش و ورود ذرات آلوده به داخل موتور کاهش مي يابد.

آينده در تسخير نانو

انسان ها در معرض يک انقلاب اجتماعي قدرتمند و تسريع شده قرار گرفته اند که تا حدودي ناشي از توسعه نانو فناوري در زمينه هاي مختلف زندگي است. در آينده اي نه چندان دور، دانشمندان قادر به ساخت اولين آدم آهني در مقياس نانو مي شوند که حتي مي تواند همانندسازي کند و طي چند سال با توليد 5 ميليارد تريليون نانو روبات ، تقريبا تمامي فرآيندهاي صنعتي و نيروي کار کنوني از رده خارج خواهد شد. با اين تحول عظيم ، کالاهاي مصرفي به وفور يافت مي شود، در حالي که ارزان ، شيک و بادوام خواهد بود. دارو درماني جهشي سريع و کوانتومي را تجربه مي کند، سفرهاي فضايي مقرون به صرفه خواهد شد و به طور کلي سبک زندگي در جهان به صورت زيربنايي متحول شده و الگوهاي رفتاري انسان ها نيز بناچار تحت تاثير اين روند قرار خواهد گرفت.