دانشکده فنی مهندسی
گروه مهندسی نساجی
پایان نامه
برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی تکنولوژی نساجی
بررسی تأثیر قطبیت میدان مغناطیسی خارجی و جهت اختلاف پتانسیل الکتریکی بر فرآیند الکتروریسی
استادان راهنما: دکتر پدرام پیوندی- دکتر محسن هادیزاده
استاد مشاور: دکتر رویا دستجردی
برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چكیده
الکتروریسی یکی از مهم‌ترین فرایندهای تولید نانوالیاف در سال‌های اخیر است. در این فرایند میدان الکتریکی قوی بین نازل حاوی محلول پلیمری و جمع کننده اعمال میشود و جت الکتروریسی را تشکیل میدهد. جت ایجاد شده یک سری ناپایداری‌های خمشی را در فاصله‌ی الکتروریسی تحمل میکند و به دلیل حرکت نامنظم جت، نانوالیاف به طور تصادفی تشکیل لایه‌ای را بر روی جمع کننده می‌دهند که به دلیل سرعت بالای جت، کنترل ناحیه‌ی تجمع مشکل است، اما روشهای مختلفی برای کنترل جت و ناحیه‌ی تجمع وجود دارد. با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی امکان کنترل ناپایداری خمشی وجود دارد.
در این تحقیق بر اساس متغیرهای نمک و قطبیت میدان مغناطیسی، الکتروریسی نانو الیاف صورت پذیرفت. سپس با استفاده از اسکنر تصاویری از وب‌های تولید شده تهیه شد. با استفاده از نرم افزار مطلب مساحت وب‌های تولیدی محاسبه شد و با آزمون چند دامنه دانکن به تجزیه و تحلیل آماری پرداخته شد.
نتایج بدست آمده نشان میدهد که تغییر قطبیت در میدان مغناطیسی خارجی و همچنین به کار گیری کلرید سدیم در محلول پلیمری به طور محسوسی بر مساحت وب‌های تولیدی اثر گذار است.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: اصول مربوط به الکتروریسی و پارامترهای آن. 1
1-1-مقدمه. 2
1-2-الکتروریسی.. 3
1-3- فرآیند شکل گیری جت پلیمر در عملیات الکتروریسی.. 4
1-3-1- مخروط تیلور 6
1-3-2- مسیر مستقیم جت.. 9
1-3-3- ناپایداری‌های جت.. 10
1-4- مدل کردن ناپایداری خمشی.. 14
1-5 پارامترهای مؤثر بر الکتروریسی.. 15
1-5-1-پارامترهای محلول.. 16
1-5-1-1-وزن مولکولی و ویسکوزیته محلول.. 16
1-5-1-2-کشش سطحی.. 17
1-5-1-3-ضریب هدایت الکتریکی محلول.. 18
1-5-1-4-تأثیر محتوای نمک… 18
1-5-2-پارامترهای فرآیند الکتروریسی.. 19
1-5-2-1-ولتاژ و میدان الکتریکی.. 20
1-5-2-2-نرخ تغذیه. 22
1-5-2-3-تأثیر جمع کننده. 22
1-5-2-4- فاصله نازل از جمع کننده. 23
1-5-2-5-اثرات قطبیت بر الکتروریسی.. 24
1-5-3-عوامل محیطی.. 25
1-5-3-1-دما 26
1-5-3-2-رطوبت… 26
1-5-3-3-نوع جوّ. 27
1-5-3-4-فشار. 27
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته. 28
2-1-مقدمه. 19
2-2- جمع کننده سیلندری با سرعت بالا.. 29
2-3- استفاده از یک جفت میدان الکتریکی در الکتروریسی…………………………………… 30
2-4- الکتروریسی با میدان نزدیک… 33
فصل سوم: تجربیات… 39
3-1-بررسیهای تئوری انجام شده 40
3-2- انتخاب سیستم مختصات.. 41
3-3-تأثیر میدان مغناطیسی خارجی بر جت پلیمر…………………………………….42
3-4- بدست آوردن اندازه نیروها 47
3-5-مشخصات مواد مورد استفاده 53
3-6- مشخصات دستگاههای مورد استفاده 55
3-6-1- دستگاه الکتروریسی.. 55
3-6-2- آهنرباهای ایجاد کننده میدان مغناطیسی…………………………………. 56
3-6-3- سنسور اثر هال. 59
3-6-4-دستگاه كوتینگ یا پوششدهنده به روش كندوپاش… 60
3-6-5-دستگاه میكروسكوپ الكترونی روبشیSEM.. 61
3-7- روش انجام آزمایش… 62
3-7-1- تهیه محلول الكتروریسی.. 62
3-7-2- انجام الكتروریسی.. 63
3-8-اندازهگیری چگالی شار میدان مغناطیسی بین نازل و جمع کننده 65
3-9-محاسبه سطح وب نانوالیاف جمع آوری شده 66
فصل چهارم: بحث و نتایج.. 70
4-1- مقدمه. 71
4-2-بررسی مساحت وب های تولید شده………………………….. 71
4-1-نتیجهگیری.. 77
4-2-پیشنهادات.. 78
پیوستها 79
پیوست 1. 80
پیوست 2. 81
مراجع. 82
-1-مقدمه
در سال 1934 Formals فرایندی را ثبت کرد که یک دستگاه آزمایشگاهی برای تولید نانو الیاف پلیمری با استفاده از نیروی الکترواستاتیک طراحی شده بود. وقتی از این روش برای ریسیدن الیاف استفاده شود، به آن اصطلاحاً الکتروریسی گفته میشود. به عبارت دیگر الکتروریسی عملیاتی است که نانو الیاف را به واسطه بار الکتریکی روی جریان شتابدار از محلول پلیمر یا مذاب تولید می‌کنند. با این روش الیاف پلیمری با قطر نانومتر یا زیر میکرون (معمولاً بین 5 تا 100 نانومتر) تولید میشود [1].
الکتروریسی موفقیتهای زیادی در تکنولوژی شکلگیری نانوالیاف از محلولهای پلیمری با گرانروی زیاد، داشته است. روشهای مختلفی برای تولید نانوالیاف وجود دارد. اما هنگامیکه به امکانات تجاری، تنوع پلیمرها و کاربردهای تجاری آنها، سادگی فرآیند تولید و کاربرد آن در تکنولوژیهای مختلف تولید توجه شود، الکتروریسی به عنوان کارآمدترین روش برای تولید نانوالیاف شناخته میشود [2]. از عوامل دیگری که این روش را مورد توجه قرار میدهد کنترل قطر، تولید نانوالیاف با مورفولوژی‌های مختلف، داشتن تنوع در مواد اولیه (پلیمرهای طبیعی، مصنوعی، پلیمرهایی که در روشهای معمولی نمیتوان برای تولید الیاف استفاده کرد) میباشد [3].
1-2-الکتروریسی
الکتروریسی در منابع مختلف به عنوان روشی که در آن نانوالیاف از مایعات پلیمری با استفاده از میدان الکتریکی تهیه میشوند، تعریف شده است. شایان ذکر است که هم محلولهای پلیمری و هم پلیمرهای مذاب میتوانند الکتروریسی شوند. نانو الیاف به علت ظرافت و سطح ویژه زیاد کاربردهای متعددی دارند که به عنوان مثال می‌توان به استفاده از این الیاف در کامپوزیت‌ها [4]، ساخت صافی‌ها [5]، الیاف رسانا [7،6]، حسگرها [9،8]، الیاف سرامیکی [10]، داربست بافت [11]، حمل دارو [12]، زخم پوشش‌ها [13] اشاره کرد [14]. یکی از معایب این روش ناپایداری خمشی جریان شتابدار مایع در آن است، بنابراین لازم است که حرکت جت (جریان شتابدار مایع) در الکتروریسی به نحوی کنترل گردد [15].
در فرایند الکتروریسی معمولی، میدان الکترواستاتیکی قوی بین نازل ظرف حاوی محلول پلیمری متصل به یک پمپ تزریق دقیق و صفحه‌ی جمع کننده اعمال میشود. هنگامیکه نیروی الکتریکی بر کشش سطحی قطره پلیمری در نوك نازل غلبه کند، جت الکتروریسی تشکیل میشود. جت ایجاد شده یک سری ناپایداری‌های خمشی را در حین گذر تا صفحه‌ی جمع کننده (فاصله الکتروریسی) تحمل میکند که این عامل باعث کشش فوق‌العاده‌ی لیف تشکیل شده در جت میشود. این کشش به همراه تبخیر سریع مولکول‌های حلال در فاصله‌ی الکتروریسی منجر به کاهش قطر الیاف شده و الیاف مداوم نسبتاً خشک بر روی صفحه جمع کننده به طور تصادفی تشکیل میشوند. جت پلیمری در میدان الکتریکی به موجب اینکه نیروهای متضاد روی آن اثر میکند، ناپایدار است. کشش سطحی متمایل است که سطح جت را کوچک نماید و دافعه‌ی بارهای الکتریکی همنام موجود در سطح جت آن را نامتعادل میکند و سطح آن را افزایش میدهد. بنابراین یکی از ناپایداریهایی که در طول الکتروریسی اتفاق می‌افتد ناپایداری‌های خمشی است که با چگالی شار الکتریکی سطحی بالا افزایش می‌یابد [16].
اجزاء متداول دستگاه الکتروریسی اساساً شامل یک سرنگ پر از محلول یا مذاب پلیمری، یک صفحه جمع کننده وب نانوالیاف و یک منبع تغذیه ولتاژ بالا برای تأمین نیروی الکتریکی مورد نیاز برای کشیدن جت مایع، میباشد. در شکل 1-1 نمای شماتیکی از الکتروریسی نشان داده شده است.
شکل 1-1-نمای شماتیکی از دستگاه الکتروریسی [17]
1-3- فرآیند شکل گیری جت پلیمر در عملیات الکتروریسی
در فرآیند الکتروریسی یک میدان الکترواستاتیکی بین یک نازل و یک جمع کننده ایجاد میگردد، در حقیقت ولتاژ بالایی به یک پلیمر سیال اعمال میشود تا توسط آن سیال باردار گردد. در اثر نیروی الکتریکی، محلول پلیمری از نازل به سمت جمع کننده خارج میشود بدین ترتیب که وقتی بارهای الکتریکی در سیال به مقداری بحرانی برسد، یک جریان شتابدار محلول که «جت» نامیده میشود از قطره نوک سوزن در اثر شکلگیری مخروط تیلور با شتاب خارج میشود. جت الکتروریسی به سمت منطقه با پتانسیل کمتر، که در بیشتر موارد صفحه جمع کننده‌ای است که به زمین متصل شده، حرکت میکند سپس حلّال از میان جت پلیمر تبخیر میشود، علاوه بر این جت، ناپایداریهایی را تحمل میکند که عمدتاً به وجود آورنده اندازه نانویی قطر لیف هستند و بر مورفولوژی الیاف تولید شده نیز اثر میگذارد [19،18]. با توجه به شکل 1-2 پلیمر در مسیر خود به منظور ریسیده شدن سه مرحله را طی میکند که عبارتند از :
- تشکیل مخروط تیلور و خارج شدن جت از آن
- نازک شدن جت خارج شده از مخروط و حرکت آن به سمت جمع کننده (مسیر مستقیم)
3.ایجاد ناپایداری‌های خمشی در جت پلیمر
شکل1-2- مسیر جت پلیمر در حین الکتروریسی
به این ترتیب قطره پلیمری نوک سوزن باردار شده و با افزایش چگالی بار الکتریکی، شکل کروی قطره را به مخروط تبدیل میکند (مخروط تیلور) و نهایتاً به صورت جت شتابدار در می‌آید.
کروی بودن شکل قطره به دلیل نیروهای کشش سطحی است که محلول را به سمت شکلی با کمترین نسبت سطح به حجم متمایل میکند [19].
به طور کلی نیروهای وارد بر محلول پلیمری عبارتند از :
نیروی کشش سطحی: در ابتدای کار از ایجاد جت جلوگیری نموده و باعث کاهش سطح و جمع شدن محلول میشود.
نیروی ویسکوزیته: از کشیده شدن محلول بین نوک سوزن و جمع کننده جلوگیری میکند.
نیروی کلمبیک: نیروی دافعه بین بارهای همنام روی سطح پلیمر میباشد که سبب کشیده شدن محلول پلیمری میشود.
نیروی الکترواستاتیک: نیرویی که میدان الکتریکی بر جت وارد میکند و سبب شتاب دار شدن محلول پلیمری میگردد.
مخروطی شدن قطره به دلیل نیروهای دافعه کولمبیک و نیروهای الکترواستاتیک است که وقتی که این نیروها بر نیروی کشش سطحی غلبه کرد جت تشکیل میگردد [19].
1-3-1-مخروط تیلور
بین سال‌های 1964 تا 1969، تیلور [1]در یک مجموع از کارهای پیوسته برای بهبود و توسعه کارهای زنلی[2] به بررسی رفتار یک قطره در دو حالت زیر پرداخت:
1 – حالتی که یک قطره بار دار به طور مداوم در پتانسیل معلوم نسبت به زمین قرار داشته باشد.
2- حالتی که یک قطره در میدان الکتریکی یکنواخت قرار داشته باشد.
در حالت اول تیلور نشان داد که افزایش پتانسیل منجر به کشیدگی بیشتر قطره خواهد شد. برای حالت دوم قطره‌ای را درون خازن در نظر گرفت و نشان داد که با افزایش شدت میدان الکتریکی قطره بیشتر و بیشتر کشیده میشود و در میدان الکتریکی بیشتر از یک مقدار بحرانی، قطره شکل پایدار خود را از دست خواهد داد و ناگهان به شکل یک مخروط در خواهد آمد [20].
تیلور با استفاده از یک مخروط نامحدود که توسط یک سیال پیوسته شکل گرفته است به محاسبه نیم زاویه رأس مخروط پرداخت.
او دلایل تجربی مفیدی در مورد مخروط تیلور جمع آوری نمود و شکل مخروط ایجاد شده در نتیجه جت خارج شده از سطح یک مایع را محاسبه نمود. وی همچنین اولین محققی است که تلاش نمود نرخ باز شدگی و آشفتگی را برای یک جت مایع ایجاد شده توسط میدان الکتریکی را با یک تقریب خطی برای حالتی که آشفتگی کوچک است محاسبه نماید و محاسبات خود را برای مایع لزج انجام داد [20].
در سال‌های اخیر رنکر و همکارانش [20] تحقیقات قابل توجهی را به صورت تجربی و تئوری در زمینه رفتار قطره بار دار در میدان الکتریکی و فرایند الکتروریسی انجام داده‌اند. آنها با بررسی داده‌های آزمایشگاهی نشان دادند که قطره مورد بحث مستقل از شکل اولیه‌اش شکل ثابتی به خود خواهد گرفت و این شکل تا زمانی که شدت میدان الکتریکی از مقدار بحرانی فراتر نرود پایدار خواهد ماند. با فراتر رفتن شدت میدان الکتریکی از مقدار بحرانی شکل قطره به شکل مخروطی با نوک گرد شبیه میشود. شعاع انحنای نوک مخروط می‌تواند آنقدر کوچک باشد که با سیستم‌های معمولی تصویر برداری قابل تشخیص نباشد ولی باید توجه داشت که حتماً گرد است زیرا در غیر این صورت اندازه شدت میدان الکتریکی در نوک آن بینهایت خواهد شد [20].
جزییات مربوط به شکل حقیقی نوک مخروط، یک مسئله انتگرال و دیفرانسیل گیری غیر خطی است. همچنین رنکر نشان داد که شکل قطره در نوک سوزن قبل از آن که جت از آن خارج شود هذلولی گون بسیار شبیه به مخروطی با نوک گرد میباشد [20].
رنکر و همکارانش با نوشتن معادلات و حل آنها مقدار نیم زاویه مخلوط تیلور را 33.5 درجه به دست آوردند. آنها برای مقایسه نتایج تئوری و عملی، دو نوع آزمایش طراحی و در هر یک از حالات، از مخروط تیلور تصاویری تهیه نمودند. در حالت اول قطره چسبیده است و در حالت دوم یک قطره آویزان میباشد. در واقع هدف از طرح این دو آزمایش، مشخص نمودن اثر جاذبه بر نیم زاویه مخروط میباشد. شکل 1-3 حالت قطره آویزان و شکل1-4 حالت قطره چسبیده را نشان میدهد.
شکل 1-3- حالت قطره آویزان [20]
شکل 1-4-حالت قطره چسبیده [20]
برای آزمایشات عملی از محلول پلی اتیلن اکساید با وزن ملکولی 400000 در آب با غلظت 6% استفاده نمودند و اختلاف پتانسیل را مرحله به مرحله و در هر مرحله 200 ولت افزایش داده‌اند تا مرحله‌ای که یک جت از نوک مخروط خارج گردد و در هر مرحله از شکل قطره پس از به تعادل رسیدن، تصویر تهیه نمودند [20].
با توجه به شکل1-5 (الف) بدست آمده برای قطره چسبیده میباشد و خط سفید، محور تقارن قطره است. در این تصویر نیم زاویه رأس پیش بینی شده توسط رنکر با خط پر و نیم زاویه رأس پیش بینی شده توسط تیلور با خط چین نشان داده شده است. آنها تاکید نمودند که این تصویر بهبود داده شده یا بریده شده نیست و کاملاً واقعی میباشد. شکل1-5 (ب) توسط نرم افزار Find Edges از aبدست آمده و لبه‌های تصویر توسط این نرم افزار مشخص شده است، و اندازه نیم زاویه را در سه ناحیه مشخص نموده‌اند، در ناحیه A داده مناسبی از نرم افزار استخراج نشده است. برای ناحیه B خطوط مماس نیم زاویه 37.5 درجه ایجاد میکند و خطوط مماس در ناحیه C نیم زاویه 30.5 درجه ایجاد می‌کنند. شکل1-5 (ج) و (و) به طور مشابه برای حالت قطره آویخته بدست آمده است. در ناحیه A نیم زاویه 31.5 درجه و در ناحیه B نیم زاویه 26 درجه بدست آمده است. همه این زوایا به نیم زاویه هذلولی گون 33.5درجه که توسط رنکر به دست آمده است نزدیکتر میباشد تا به نیم زاویه مخروط تیلور که 49.3درجه بدست آورده بود.
شکل1-5 تصاویر قطره‌ها در حالت (الف) و (ب) تصویر بدست آمده برای قطره چسبیده و تصویر (ج) و (و) برای حالت قطره آویخته میباشد [20]
1-3-2-مسیر مستقیم جت
در مرحله دوم از الکتروریسی وقتی که محلول جت از مخروط تیلور به سمت صفحه جمع کننده حرکت میکند جت شتاب می‌گیرد و از سوزن دور میشود در یک مسیر مستقیم حرکت میکند که نمای جت نسبت به زمان تغییری نمی‌کند این مرحله از الکتروریسی را مرحله با ثبات می‌نامند [21].
تعداد صفحه : 102
دانلود رایگان این پایان نامه
برای دیدن لیست بقیه پایان نامه های رشته نساجی اینجا کلیک کنید