به طور کلی عمل مخروط تیلور در فرایند الکتروریسی برای تبدیل الیاف ممتد به الیاف با قطر خیلی کم کافی است. اما سیالاتی که عموماً در این فرایند کاربرد دارند از نازل تا جمع کننده به اندازه کافی جامد نمی‌شوند که بتوانند پس از برخورد با جمع کننده حالت لیفی خود را حفظ کنند پس یکی از مکانیسم‌های اصلی و ضروری در فرایند الکتروریسی، ناپایداری خمشی سریع جت سیال محسوب میشود.
بر اساس مشاهدات، پس از خارج شدن جت سیال مستقیم از نوک مخروط تیلور، بعد از یک مرحله کوتاهی که ناپایداری خمشی در جهت جلو و عقب حرکت می‌کند، با افزایش دامنه رشد، جت یک مسیر سه بعدی خمشی، مارپیچی و حلقه‌ای را طی خواهد کرد. هر حلقه جت از نظر طولی و ظرافت رشد می‌کند و به این ترتیب قطر و محیط حلقه‌ها افزایش مییابد. هر سیکل ناپایداری خمشی را میتوان در سه مرحله توصیف کرد:
بخش هموار یا کمی خمیده که به طور ناگهانی به آرایه‌ای از خمش ها تبدیل میشود.
در هر خمش جت پلیمری کشیده شده و آرایه خمش ها به حلقه‌های مارپیچ مانند با قطرهای افزایشی تبدیل می‌شوند.
همچنان که محیط حلقه‌ها بیشتر شده و مقطع عرضی جت تشکیل دهنده حلقه‌ها کوچکتر میشود، شرایط برای مرحله (۱) در مقیاس کوچکتر فراهم شده و سیکل بعدی ناپایداری خمشی آغاز میگردد.
تکرار این سیکل ادامه مییابد، قطر جت پلیمری هر چه بیشتر کاهش یافته تا نانوالیاف تشکیل شوند.
در شدت‌های پایین میدان الکتریکی، مانند آنچه که در شکل ۱-۷-و نشان داده شده است یک جت نازک یکنواخت از نازل به سمت جمع کننده خواهیم داشت. ولی در شدت‌های بالای میدان بعد از یک فاصله کوتاه جت ناپایدار میگردد. شکل۱-۷-ب تصویر گرفته شده ناحیه ناپایدار جت را که شبیه به یک مخروط معکوس است و حاکی از جت چندگانه است را نشان میدهد. ولی به وسیله عکس‌برداری سریع، نشان داده شده است که مخروط معکوس در واقع یک جت است که دارای حرکت مارپیچی با سرعت بالا میباشد شکل۱-۷-الف تصویر حرکت مارپیچی جت را نشان میدهد. فرکانس حرکت سریع جت به قدری زیاد است که به نظر می‌رسد جت به چند فیلامنت تبدیل میشود. ناپایداری خمشی یکی از انواع ناپایداری است که به احتمال فراوان برای جت محلول پلیمری در فرایند الکتروریسی رخ میدهد. عکس‌برداری با سرعت بالا از نمای نزدیکتر نشان میدهد که جت سیال دارای یک حرکت مارپیچی است و چند فیلامنت جدا از یکدیگر نیست شکل۱-۸ (الف) و (ب) عکس‌های هستند که با فریم‌های متفاوت از جت سیال گرفته شده‌اند [۲۲].
شکل۱-۷-الف) نمای نزدیکی از شروع ناپایداری ب) جت ناپایدار ج)جت پایدار [۲۲]
شکل۱-۸- الف) عکس‌برداری با سرعت ۴۵۰۰ فریم بر ثانیه ب) عکس‌برداری با سرعت ۳۰ فریم بر ثانیه [۲۲]
۱-۴-مدل کردن ناپایداری خمشی:
اختلال و آشفتگی عمدتاً ایجاد ارتعاش بیرونی می‌کند، در نتیجه غیر ممکن است که مسیر دقیق جت محلول را مدل کرد و این حالت تعدیل میشود با توجه به این حقیقت که تحت پارامترهای فرایند یکسان، مایع مشابه و تاثیرات محیطی یکسان، مسیر جت محلول یکسان نیست. به عبارت ساده، ردیابی تجربی مسیر جت محلول و مسیر شبیه سازی شده جت محلول بر اساس تک تک اصول به دلیل اختلافات گوناگون ممکن نمی‌باشد. بهر حال، مشخصات بقایی از قبیل طول مستقیم جت محلول، نصف زاویه پوشش مخروطی شکل و قطر متوسط نانو الیاف و … میتوانند به صورت معقولانه ای مدل سازی شوند. در حالی که اختلال در هر جایی در امتداد مسیر جت محلول صورت گیرد، ناپایداری تنها در فاصله‌ای معین دور از نوک سوزن صورت می‌گیرد. یکی از فاکتورهای مهمی که منجر به نقطه بحرانی میگردد کاهش سفتی خمشی است که در اثر کاهش قطر جت محلول در امتداد مسیر اتفاق می‌افتد [۲۲].
فرض کنید مقطع عرضی مارپیچی جت مدور باشد، پس سفتی خمشی برای محلول پلیمری مشخصی به سرعت با تنزل در شعاع جت محلول کاهش مییابد. با توجه به شکل ۱-۹ گره هایX,Y,Z هر کدام نشان دهنده یک بار الکتریکی درون جت هستند که در یک راستا قرار دارند و به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند. زمانی که گره Y در اثر اختلال و آشفتگی به Y’ حرکت می‌کند، دو نیروی X و Z آنرا دورتر فشار می‌دهند، از آنجایی که هر نیروی کولمبی در امتداد خطوط XY’ و ZY’ عبارتست از :
(۱-۱)
در جائیکه e بار الکتریکی و l فاصله دو بار الکتریکی از یکدیگر میباشد.
بنابراین جزء افقی نیروی ناشی از هر دو نیروی کلمبی را میتوان به صورت زیر بیان کرد.
| (۱-۲) |
بهر حال، کشش سطحی بر ناپایداری خمشی تأثیر می‌گذارد زیرا حالت خمشی همیشه باعث افزایش مساحت سطح جت محلول میشود. در این قبیل موارد، زمانی که نیروهای ناپایداری بزرگتر از نیروی کشش سطحی می‌شوند، ناپایداری شروع میشود، در حالی که حضور مداوم مقاومت جانبی از زیاد بزرگ شدن منحنی توسط اختلال در X,Y,Z جلوگیری می‌کند [۲۲].
شکل ۱-۹-نیروهای کولمبی اعمال شده توسط قطعات X,Z روی Y’
۱-۵-پارامترهای مؤثر بر الکتروریسی
طیف گستردهای از پارامترها که شامل پارامترهای محلول، پارامترهای فرایند و پارامترهای محیطی است بر فرایند الکتروریسی و خصوصیات وب نانوالیاف در آن اثر می گذارد [۲۷-۳۲].
خصوصیات الیاف، همچنین تأثیرگذاری یک یا تعدادی پارامتر بر ابعاد الیاف و خصوصیات وب تولید شده در الکتروریسی، توسط گروه های تحقیقاتی زیادی بررسی شده است.
معمولاً عواملی که بر الکتروریسی اثر میگذارند را میتوان به سه دسته تقسیم نمود:
اولین دسته از عوامل مربوط می شود به پارامترهای محلول مانند غلظت، ویسکوزیته، کشش سطحی، محتوای نمک موجود و رسانایی محلول پلیمری
دومین دسته مربوط می شود به عوامل فرایند مانند ولتاژ بکار رفته، اندازه نازل و نرخ تغذیه، نوع جمع کننده و فاصله بین نوک نازل و جمع کننده (TCD)[3]
سومین دسته مربوط می شود به عوامل محیطی مانند: دما، رطوبت و فشار هوای اطراف دستگاه
۱-۵-۱-پارامترهای محلول
خصوصیات محلولهای پلیمری بیشترین تأثیر را بر فرایند الکتروریسی و مورفولوژی الیاف بدست آمده دارد که در ادامه به آنها اشاره میگردد [۲۶،۲۳].
۱-۵-۱-۱-وزن مولکولی و ویسکوزیته محلول
ویسکوزیته محلول نقش مهمی در تعیین اندازه لیف و مورفولوژی آن طی الکتروریسی الیاف از مایع پلیمری دارد. با ویسکوزیته بسیار پایین شکل گیری الیاف ممتد به وقوع نخواهد پیوست همچنین ویسکوزیته پایین سبب تشکیل دانه تسبیحی در وب جمعآوری شده، می شود. از طرفی هنگامیکه ویسکوزیته بالا باشد پرتاب جت از محلول پلیمری دشوار میشود، همچنین ویسکوزیته بالا سبب گیر کردن محلول در نوک سوزن شده و حتی ممکن است محلول در نوک سوزن و قبل از شروع الکتروریسی خشک شود. از این رو، ویسکوزیته مناسب برای الکتروریسی یک امر ضروری است [۵]. نتایج بسیاری از تحقیقات نشان میدهد که مورفولوژی لیف به شدت به ویسکوزیته سیال پلیمری وابسته است [۲۹،۲۶].
در مواردی که مایع پلیمری تنها شامل یک پلیمر و یک حلال می شود، ویسکوزیته با غلظت نسبت مستقیم دارد، اما چون ویسکوزیته به تمامی برهم کنشهای بین مولکولی در محلول بستگی دارد، نوع حلال و افزودنیهای ممکن مانند نمک نیز احتمالاً بر آن تأثیر می گذارد [۲۶].
وزن مولکولی پلیمر تعداد درگیریهای زنجیرههای پلیمر در محلول و در نتیجه ویسکوزیته محلول را نشان میدهد. شبکه های درگیر شده زنجیره پلیمری نقش مهمی را در فرایند الکتروریسی ایفا می کند. از این رو حتی وقتی غلظت پلیمر پایین است، وزن مولکولی بالا می تواند تعداد کافی از این شبکه های زنجیری پلیمری را تأمین کند. همچنین در صورتیکه واکنشهای بین مولکولی بتواند جایگزینی برای رسانایی بین زنجیرهها که از طریق شبکه های زنجیری فراهم می شود باشد، وزنهای مولکولی بالا برای فرایند الکتروریسی ضروری نیست [۳۴،۳۳].
وزن مولکولی پلیمر همچنین نقش بسزایی بر سایر خصوصیات مکانیکی و الکتریکی نظیر کشش سطحی، و رسانایی محلول دارد [۲۴].
در هر حال افزایش ویسکوزیته مایع پلیمری، چه در اثر وزن مولکولی بالای پلیمر و چه در اثر افزایش غلظت محلول، قطر لیف نهایی را افزایش میدهد، به جز هنگامیکه روزنه نازل کمی گرفته شده یا جریان به طریقی کاهش یافته باشد بطوریکه یک قطره کامل برای انجام فرایند در دسترس نباشد [۲۷].
۱-۵-۱-۲-کشش سطحی
شروع الکتروریسی به محلول باردار شده نیاز دارد، تا بر کشش سطحی آن غلبه کند. در حین الکتروریسی وقتی جریان به سمت صفحه جمع کننده حرکت می کند، کشش سطحی ممکن است باعث شکل گرفتن دانه تسبیحی‌ها در طول جت گردد. کشش سطحی، سطح بر واحد جرم سیال را کاهش میدهد. در این مورد، هنگامیکه تراکم مولکولهای آزاد حلّال زیاد است، مولکولهای محلول بیشتر تمایل دارند تا دور هم جمع شوند و یک شکل کروی (در اثر کشش سطحی) را به وجود آورند. بنابراین میتوان با افزایش غلظت محلول (ویسکوزیته)، تا حدودی بر این کشش سطحی غلبه نمود [۲۳].
۱-۵-۱-۳-ضریب هدایت الکتریکی محلول
در عملیات الکتروریسی در اثر بارهای الکتریکی، کشش بر سطح محلول اعمال شده و ذرات محلول از هم فاصله میگیرند. بنابراین اگر ضریب هدایتی محلول افزایش یابد، بار بیشتری به وسیله جت الکتروریسی می تواند حمل شود [۲۳]. اکثر پلیمرها رسانا هستند، به جز تعداد کمی از آنها که دی الکتریک هستند. یونهای باردار در محلول پلیمری تأثیر زیادی در تشکیل جت دارند. رسانایی محلول به طور عمده به وسیله نوع پلیمر و حلّال بکار رفته و قابلیت یونیزه شدن نمکها، مشخص می شود [۲۴]. با افزایش رسانایی الکتریکی محلول، کاهش قابل توجهی در قطر نانوالیاف الکتروریسی شده به وجود می آید، به طور کلی نانو الیافی با قطر کم با رسانش الکتریکی بالا بدست میآیند در حقیقت با محلولی با رسانایی کم ازدیاد طول کافی برای یک جت با نیروی الکتریکی فراهم نمی شود تا بتواند تشکیل لیف بدهد، و امکان مشاهده دانه تسبیحی‌ها نیز زیاد است. محلولهای با رسانش بالا به شدت در حضور میدانهای الکتریکی ناپایدارند که منجر به ناپایداری خمشی بیشتر شده و طول مسیر عبور جت آنها افزایش مییابد [۲۴،۲۳].
۱-۵-۱-۴-تأثیر محتوای نمک
مرور مقالات نشان میدهد که تأثیر نمک موجود در محلول یک موضوع کاملاً مبهم باقی مانده است. Zong و همکارانش تأثیر یونها را با افزودن نمکهای یونی بر مورفولوژی و قطر لیف الکتروریسی شده بررسی نموده اند و دریافتند که با افزودن نمکهای یونی مانند NaCl، الیاف بدون دانهتسبیحی با قطر نسبتاً کم در حدود ۲۰۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر تولید می شود. افزایش رسانایی محلول با بهره گرفتن از افزودن نمک برای سایر پلیمرها هم استفاده شده است مانند POE توسط Fong و همکارانش ، ۱-POE نوع کلاژن توسط Huang و همکارانش (۲۰۰۲)، PA6 توسط Mit-Uppatham و همکارانش، PVA توسط Zhang و همکارانش، PAA توسط Kim و همکارانش. با بهره گرفتن از نمکها یکنواختی الیاف افزایش یافته و در کل دانه تسبیحی‌ها کاهش مییابند [۲۴]. اما در تحقیق Heikkilو همکارانش نمک درون محلول به طور ناگهانی و غیر منتظره قطر لیف را افزایش داده است [۲۶].
مشاهداتی که نشان میدهد افزودن نمک در محلول باعث کاهش قطر لیف می شود، بیشتر از مشاهداتی است که نتایج آنها مبنی بر افزایش قطر با افزایش نمک است. توضیحات مختلفی برای این تناقض وجود دارد:
اولاً نمکهای متفاوت با فرمول شیمیایی و اندازه مولکولی متفاوت میتوانند به طور متفاوتی نیز عمل کنند و بدین ترتیب اثر مفیدی که در نتیجه استفاده از یک نمک معین تولید شده احتمالاً با نمک دیگر نبایستی ایجاد شود. نمکهای متفاوت احتمالاً اثرات متقابل متفاوتی با مولکولهای پلیمر و حلال دارند، و این تأثیرات متقابل است که می تواند ویسکوزیته محلول را تحت تأثیر قرار داده و بدین ترتیب به طور غیر مستقیم قطر لیف را نیز تحت تأثیر خود قرار دهد. ثانیاً مقدار نمکی که به محلول ریسندگی اضافه شده است از چند صدم درصد تا چند در صد متغیر بوده است. از سوی دیگر، اثر نمک بر روی قطر ممکن است به نوع پلیمر نیز وابسته باشد [۲۶].
۱-۵-۲-پارامترهای فرایند الکتروریسی
عوامل مهم دیگری که روی فرایند الکتروریسی تأثیر می گذارد عواملی خارجیای است که روی جریان شتابدار محلول الکتروریسی اعمال می شود. این عوامل شامل ولتاژ، نرخ تغذیه، نوع صفحه جمع کننده، قطر سوزن و فاصله بین نوک سوزن و صفحه جمع کننده میباشد. این پارامترها، با اینکه تأثیر مشخصی روی مورفولوژی لیف دارند اما اثر آنها نسبت به تأثیر پارامترهای محلول از اهمیت کمتری برخوردار است.
۱-۵-۲-۱-ولتاژ و میدان الکتریکی
یکی از عناصر مهم الکتروریسی، ولتاژ بالایی است که برای ریسیدن محلول بکار رفته است. ولتاژ قوی بار الکتریکی لازم را روی محلول القا کرده و همراه با میدان الکتریکی خارجی، فرایند الکتروریسی را، زمانی که نیروهای الکترواستاتیکی درون محلول بر کشش سطحی محلول غلبه می کند، آغاز مینماید [۲۳].
