پردازش الکتروهیدرودینامیک پلیمر عامل دار

مدیریت پارامترهای عملیاتی و پیکربندی اسپینر جدید برای پردازش الکتروهیدرودینامیک پلیمرهای عامل دار

مواد کاربردی به محرک های کلیدی در توسعه فناوری های پیشرفته تبدیل شده اند. پردازش الکتروهیدرودینامیک (EHDP) روشی ساده برای تولید پلیمرهای میکرو و نانو ساختار است که به دلیل دارا بودن عملکرد بالا در صنایع مواد غذایی، دارویی، زیست محیطی و زیست پزشکی استفاده می شود. از مزایای EHDP نسبت به سایر فناوری های پردازش پلیمری می توان به تطبیق پذیری بالای آن اشاره کرد که با مونتاژ نهایی آن می توان روش های مختلف ترکیب مواد با خواص متعدد و همچنین در ساختارهای مورفولوژیکی مختلف و استفاده از شرایط پردازش محیط تغییر داد؛ به این معنا که مواد حرارت پذیر را می توان با حداقل فعالیت مینیمال ترکیب کرد. این بررسی پیشینه تاریخی، اصول اولیه فرایند و آخرین پیشرفت‌ های به‌ دست‌ آمده در فناوری EHDP را بیان می کند که با کنترل پارامترهای عملیاتی با هدف بهینه سازی فرآیند پذیری، دستیابی به کیفیت محصول نهایی و همگن حاصل می شود. همچنین بر روی مودهای عملیاتی و تنظیمات اسپینر جدید توسعه ‌یافته تمرکز دارد که منجر به تشکیل طیف وسیعی از میکرو و نانوساختارهایی با عملکردهای مختلف و رفع برخی از محدودیت های تکنیکال می شود. در نهایت، به بحث در مورد کاربردهای بالقوه مواد پلیمری با عملکرد سلسله مراتبی حاصل از فناوری EHDP می پردازد.

بررسی تاریخچه

پردازش الکتروهیدرودینامیک (EHDP) یک تکنیک جدید برای تولید پلیمرهای میکرو و نانوساختار است. پیشرفت های جدید به مرور زمان در سال 1934 ساخت تجهیزات EHDP و تهیه نخ های خام برای صنعت نساجی را فراهم کرد. سال ها بعد، اختراعات فرم هالز در زمینه بهینه سازی الیاف (طول، استحکام و تولید کامپوزیت ها) به ثبت رسیدند. در دهه‌ های 1950 و 1960، ونه‌ گات و تیلور تأثیر میدان ‌های الکتریکی بر روی قطرات مایع در تولید میکرو ذرات از طریق اتمیزاسیون را مورد مطالعه قرار دادند. تا دهه 1990، زمانی که محققان بر پتانسیل نانوتکنولوژی در چندین زمینه تمرکز کرده و شروع به جستجو کردند، تا به امروز افزایش دانش و علاقه به نانوتکنولوژی/نانو ساختارها و مزایای حاصل از کاربرد این تکنیک برای تولید میکرو و نانوساختارها به جای سایر تکنیک های پرکاربرد دیده شده است. همچنین لازم به ذکر است اکثریت قریب به اتفاق نشریات مربوط به EHDP (با توجه به شکل 1؛ بیش از 80 درصد) از تحقیقات اصلی الهام گرفته اند.

شکل 1:

علاوه براین، این تحقیقات با تلاش بیش از 150 مرکز تحقیقاتی یا دانشگاه در بیش از 130 کشور در سراسر جهان انجام شده است (بخش سوم از شکل 1). بخش آخر از همین شکل نشان دهنده برخی علوم مختلف است؛ از علم مواد (25.8 درصد) گرفته تا شیمی (15.6 درصد)، مهندسی (16.9 درصد) و کشاورزی و علوم زیستی.

اصول EHDP

علاوه بر مطالعاتی که بر بهینه سازی و خواص ساختارهای به وجود آمده تمرکز دارند، مطالعات مختلفی در مورد EHDP انجام شده است؛ برخی به بررسی خود فرآیند می پردازند و برخی دیگر ارتباط بین تأثیر پارامتر و ساختارهای به ‌دست ‌آمده را بیان می کنند. این رشد تحقیقاتی در زمینه های مختلف مانند زیست پزشکی، حفاظت از محیط زیست، مهندسی زیستی، فارماکولوژی، علم مواد، مواد غذایی و سایر موارد نشان دهنده تطبیق پذیری EHDP، هم در تکنولوژی و هم در موادی است که می توانند استفاده شوند. یکی دیگر از دلایل تطبیق پذیری EHDP، استفاده از صدها پلیمر در تولید ساختارهای میکرو و نانو با استفاده از این فناوری است. چنین موادی از پلیمرهای ساده تا کامپوزیت های پیچیده شامل پلیمرهای مصنوعی و طبیعی، زیست تخریب پذیر و غیر زیست تخریب پذیر و ترکیب آنها می شود. مواد گزارش شده به کار رفته در تولید الیاف یا ذرات توسط EHDP شامل پلیمرهای پیزوالکتریک برای ساخت داربست های نانوالیافی در مهندسی بافت، بیوپلیمرها برای محصور کردن ترکیبات زیست فعال برای استفاده در صنایع غذایی، پلیمرهای فلورسنت برای کاربرد در حسگرهای نوری نانوالیاف و پلیمرهای کامپوزیت در تهیه نانولوله ها برای کاربردهای مهندسی است. به طور کلی، EHDP یک روش آسان از بالا به پایین در تولید میکرو و نانو ساختارها است. EHDP را می توان به دو روش الکتروریسی که امکان تولید الیاف میکرو و نانو را فراهم می کند و اسپری الکتریکی که میکرو و نانوذرات را تولید می کند انجام داد.

روندهای آینده

EHDP از پتانسیل امیدوارکننده ای برای پذیرش گسترده مواد کاربردی در چندین صنعت، به ویژه صنایع بسته بندی مواد غذایی، دارویی، زیست محیطی، زیست پزشکی، انرژی و الکترونیک برخوردار است. ترکیب مواد مختلف با خواص متنوع و طیف گسترده ای از حالت های عملکرد، امکان توسعه میکرو و نانوساختارهای منحصر به فرد با خواص فعال را فراهم می کند (همچون الیاف یا ذرات چند لایه، هسته-پوسته و جانوس). علاوه براین، امکان پردازش در شرایط محیط تفاوت مهم آن با سایر فناوری های خشک کردن و کپسولاسیون محسوب می شود. از آنجایی که EHDP امکان پردازش ترکیبات حساس به حرارت یا فشار را فراهم می کند، عاملی تشویق کننده ای برای کاربردس گسترده آن در بیوتکنولوژی و حسگرهای زیستی خواهد بود. اگرچه EHDP یک روش ساده و پرکاربرد برای ساخت میکرو و نانوساختارهای پلیمری است، پارامترهای عملیاتی آن یعنی نوع حلال و خواص محلول، شرایط پردازش یعنی سرعت جریان، ولتاژ، فاصله نوک تا کالکتور و شرایط محیط یعنی دما و رطوبت نسبی می توانند شدیدا مورفولوژی و خواص نهایی مواد حاصل شده را تحت تأثیر قرار دهند. یکی از معایب اصلی EHDP را باید تاثیر بالای پارامترهای عملیاتی دانست که منجر به بهینه سازی ماده می شود. با این حال، مطالعات انجام شده در طول دهه گذشته نشان داده اند که احتمال انجام مؤثر بهینه سازی وجود دارد و کنترل پارامترهای EHDP نباید نگران کننده باشد. مسئله دیگری که ممکن است ایجاد شود، به ویژه زمانی که صحبت از روش های جدید توسعه یافته است، همگن بودن محصولات نهایی نیز توان عملیاتی نسبتا پایین آنها را زیر سؤال می برد. با این اوصاف، برخی از روش ‌های عملیاتی جدید EHDP مانند گاز کمکی، اسپینرهای چند سوزنی، الکتروریسی سانتریفیوژی اخیرا توسعه یافته اند که افزایش بهره وری را به دنبال دارند. سایر تکنیک‌ های جدید مانند شبکه ‌سازی الکتریکی و چاپ جت EHD، با موفقیت با مزایای EHDP در سایر تکنیک های جدید ترکیب شده اند. در هر صورت، بیشتر این پیشرفت های جدید در حوزه EHDP هنوز در مراحل اولیه خود هستند، بنابراین به تحقیق و توسعه بیشتری برای تعیین پتانسیل واقعی آنها نیاز خواهند داشت. علاوه براین، میکرو و نانوساختارهای حاصل از EHDP باید از لحاظ ایمنی، سمیت سلولی، قابلیت هضم و فراهمی زیستی اجزای کپسوله شده در حوزه های زیست پزشکی، داروسازی و صنایع غذایی به دقت مورد بررسی قرار گیرند.