Một lượng lớn các sợi có thể được sản xuất bằng quy trình mạ điện. Mặt cắt ngang của sợi thơng qua q trình mạ điện phần lớn phụ thuộc vào các dung dịch polymer. Sợi tròn, sợi hạt, sợi phân nhánh, sợi ruy băng phẳng, ruy băng có hình dạng khác và sợi phân tách có thể được sản xuất bằng các dung dịch polymer khác nhau. Các sợi có tiết diện cũng đã được sản xuất bởi một số polyme bằng cách kiểm sốt thích hợp các tham số quy trình, sợi với kích thước và hình dạng khác nhau có thể được chế tạo. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) thường được sử dụng để phân tích kích thước sợi quang (đường kính), tính đồng nhất và hình thái. Nếu các thơng số xử lý khơng được kiểm sốt thích hợp, thay vì sợi nano, sợi có kích thước micron hoặc submicron (nhỏ hơn micron) có thể được sản xuất.
Hình 20 . Hình ảnh SEM cho thấy các sợi nano PAN đồng nhất được kết hợp với polyme PEG.(polyethylene glycol)
Hình 21. Hình ảnh SEM cho thấy các sợi nano PVP phân nhánh.
Trong số các tham số xử lý, nồng độ dung dịch polymer là tham số quan trọng nhất. Demir cùng cộng sự đã chứng minh rằng tồn tại mối quan hệ chặt chẽ giữa đường kính sợi và nồng độ dung dịch polymer. Theo nghiên cứu của họ, đường kính sợi tỷ lệ với lập phương của nồng độ dung dịch. Nếu nồng độ quá cao, một tia thứ hai gồm các sợi nhỏ hơn cũng có thể được tạo ra với các sợi sơ cấp, khi nồng độ dung dịch vượt quá một giá trị ngưỡng nhất định. Điện áp kéo sợi (trường tĩnh điện) cũng ảnh hưởng đến đường kính sợi. Nói chung, đường kính sợi giảm khi điện áp kéo sợi tăng lên. Hình 20, 21, 22 hiển thị ảnh SEM của một số sợi điện cực[3] .Sự hiện diện của các lỗ rỗng và các hạt là một vấn đề phổ biến trong quay điện [3]. Sự hiện diện của các hạt cũng phụ thuộc vào các thơng số xử lý.Khi tăng điện áp quay, sau đó vận tốc phản lực tăng
Hình 22. Hình ảnh SEM cho thấy sợi nano PCL có đính hạt.
và dung dịch được đẩy ra khỏi spinneret nhanh hơn, dẫn đến lượng giọt nhỏ hơn khi nó đạt đến đầu của spinneret (1 cơ quan để tạo sợi). Hình nón Taylor trở nên khơng ổn định, vì vậy điều này dẫn đến sự hình thành các hạt. Ở độ nhớt dung dịch cao (nồng độ dung dịch), sự cân bằng giữa lực tĩnh điện và sức căng bề mặt bị xáo trộn, dẫn đến hình thành hạt. Tuy nhiên, các dung dịch đậm đặc đã được chứng minh là tạo ra sợi có ít hạt hơn. Hình thái và hình dạng của các hạt thay đổi khi nồng độ dung dịch tăng lên. Các hạt trở nên giống như trục chính từ hình cầu, khi nồng độ dung dịch tăng lên.
Các đặc tính của sợi nano khác nhau về tỷ lệ bề mặt trên thể tích, độ xốp, hình thái và hình dạng của chúng. Các đặc tính này có thể được điều chỉnh và thay đổi để điều chỉnh tính phù hợp của polyme đối với ứng dụng dự kiến của nó. Các đặc tính của sợi nano bị ảnh hưởng bởi các thơng số quy trình (tức là điện trường được áp dụng, khoảng cách giữa kim và bộ thu, tốc độ dòng chảy, đường kính kim), các thơng số hệ thống (nghĩa là dung môi, nồng độ polyme, độ nhớt, độ dẫn điện) và các thông số môi trường (tức là độ ẩm, nhiệt độ).Các thơng số này ảnh hưởng đến hình thái sợi và bằng cách kiểm sốt thích hợp các thơng số này, các sợi có hình thái và đường kính mong muốn có thể được tạo ra.
Thông số hệ thống:
Polyme, trọng lượng phân tử, và các loại dung môi và dung môi phân cực
Độ nhớt, độ dẫn điện, liên kết ngang và sức căng bề mặt của polyme.
Thơng số quy trình:
Tiềm năng điện, tốc độ dòng chảy và nồng độ polymer;
Khoảng cách giữa màn hình mao dẫn và màn hình thu gom;
Thơng số mơi trường:
Nhiệt độ mơi trường
Độ ẩm môi trường
Thông số hệ thống:
Hầu hết các polyme có thể được đốt điện trong các dung mơi khác nhau là tinh khiết hoặc sau khi pha trộn với các polyme hữu cơ và vơ cơ. Nói chung, polymer đối với kỹ thuật electrospinning nên có trọng lượng phân tử vừa phải để tránh hạt hình thành trên bề mặt của các sợi. Nếu trọng lượng phân tử thấp, lỗ trên bề mặt, vi hạt và hạt sẽ được hình thành. Mặt khác, nếu trọng lượng phân tử quá cao, việc mạ điện sẽ là khơng thể hoặc các cấu trúc đính cườm (xâu thành chuỗi) có thể được hình thành. Độ hịa tan của polymer trong dung mơi thích hợp là một vấn đề quan trọng. Polyme nên được hịa tan trong một dung mơi thích hợp để tạo thành một phương pháp đồng nhất một pha. Độ nhớt đóng một vai trị quan trọng trong q trình mạ điện. Nó có ảnh hưởng rõ rệt đến đường kính sợi. Độ nhớt cao thường dẫn đến đường kính sợi lớn. Các cấu trúc lỗ trên bề mặt sợi và hạt ít có khả năng hình thành trong cấu trúc của sợi khi độ nhớt quá cao. Nếu độ nhớt thấp, phản lực chất lỏng sẽ tách thành nhiều giọt, dẫn đến bắn tung tóe.
Nồng độ dung dịch cũng đóng một vai trị quan trọng trong việc hình thành sợi. Ở
nồng độ thấp, hiện tượng electrospraying (phun điện như phun sương) xảy ra do độ nhớt thấp và sức căng bề mặt của dung dịch cao. Nếu nồng độ cao hơn một chút, sợi được bao quanh bởi các hạt và lỗ trên bề mặt sợi được hình thành . Tuy nhiên, nếu nồng độ thích hợp, các sợi có bề mặt hoặc ko có lỗ trên bề mặt và đều đặn có thể được hình thành. Nồng độ polyme thấp có thể khiến chuỗi polyme bị đứt trước khi đến bộ thu, trong khi nồng độ polyme cao hơn có thể làm khơ dung dịch ở đầu kim (Haider và cộng sự, 2018). Nói chung, độ nhớt của dung dịch được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh nồng độ dung dịch. Các dung môi khác nhau có sức căng bề mặt khác nhau. Tuy nhiên, sức căng bề mặt thấp thích hợp cho quay điện bởi vì độ dẫn điện cao có thể ảnh hưởng xấu đến lực tĩnh điện trong việc hình thành các dung dịch cao phân tử để tiếp tục quay điện. Một dung môi có sức căng bề mặt thấp cần ít trường tĩnh điện hơn để quay điện. Đường kính sợi chủ yếu liên quan đến độ nhớt của dung dịch quay điện theo phương trình sau :
d= 19.49η^0,43
trong đó η là độ nhớt của dung dịch và d là đường kính của sợi (nm).
Độ dẫn điện của dung dịch cũng ảnh hưởng đến đường kính của sợi vi mơ và sợi
nano. Polyme chủ yếu là dẫn điện, với một số ngoại lệ của vật liệu điện mơi và các ion 29
tích điện trong dung dịch polyme có ảnh hưởng lớn đến sự hình thành phản lực. Các ion làm tăng khả năng mang điện của phản lực, do đó làm cho nó chịu lực căng cao hơn với điện trường tác dụng. Nói chung, các sợi có đường kính nhỏ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng phương pháp dẫn điện cao. Độ dẫn điện của dung dịch phụ thuộc vào loại polyme và cấu trúc dung mơi. Nói chung, các polyme tự nhiên có bản chất là polyelectrolytic (các polime mà các đơn vị lặp lại mang một nhóm chất điện li,Các nhóm này phân ly trong dung dịch nước, làm cho các polyme mang điện tích.). Do đó, trong các polyme tự nhiên, các ion làm tăng khả năng đốt cháy than đá của phản lực polyme trong một điện trường chịu sức căng bề mặt cao, do đó dẫn đến sự hình thành sợi kém và trái ngược với các polyme tổng hợp. Hơn nữa, độ dẫn điện của dung dịch polymer có thể tăng lên bằng cách thêm axit, bazơ và muối ion loãng, chẳng hạn như NaCl, H2SO4,HCl, NaOH, KOH, FeCl3 và KH2PO4 .
Tính bay hơi của dung mơi:
Vì quay điện liên quan đến sự bay hơi nhanh chóng của dung mơi và sự phân tách pha do làm lỗng tia, áp suất hơi dung mơi quyết định rất nhiều đến tốc độ bay hơi và thời gian làm khô. Sự bay hơi của dung mơi đóng một vai trị quan trọng trong việc hình thành cấu trúc nano bằng cách ảnh hưởng đến quá trình phân tách pha. Bognitzki và cộng sự. nhận thấy rằng việc sử dụng các dung môi dễ bay hơi như dichloromethane đã tạo ra các sợi PLLA với kích thước lỗ rộng 100 nm và dài 250 nm dọc theo trục sợi.[23] Lee và cộng sự. đã đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích dung mơi đến đường kính sợi và hình thái của sợi PVC điện tử. [24]Đường kính sợi trung bình giảm khi lượng DMF (Dimethyl Formamide) trong dung môi hỗn hợp THF / DMF tăng lên. Lee và cộng sự. nhận thấy bản chất điện ly của dung môi là một thông số quan trọng trong quá trình quay điện. [24]Megelski và cộng sự. nghiên cứu các đặc tính của sợi điện phân đối với các tính chất vật lý của dung mơi. Ảnh hưởng của áp suất hơi rõ ràng khi sợi PS quay với các kết hợp THF / DMF khác nhau dẫn đến hình thái cấu trúc vi mơ và cấu trúc nano ở độ bay hơi dung môi cao hơn và cấu trúc vi mô giảm đi nhiều ở độ bay hơi dung môi thấp hơn[25].
Thơng số quy trình:
Trong quay điện, điện áp đặt (quay) là một yếu tố quan trọng khác. Khi điện áp đặt vào đạt đến giá trị ngưỡng của nó, một phản lực tích điện phát ra từ hình nón Taylor. (electrospray được sử dụng cho một thiết bị sử dụng điện để phân tán chất lỏng hoặc cho khí dung tốt từ q trình này. Điện áp cao được đặt vào một chất lỏng được cung cấp qua bộ phát (thường là mao quản bằng thủy tinh hoặc kim loại). Lý tưởng nhất là chất lỏng chạm tới đỉnh đầu phát tạo thành hình nón Taylor, phát ra một tia chất lỏng qua đỉnh của nó. Sóng biến đổi trên bề mặt phản lực chất lỏng dẫn đến sự hình thành các giọt chất lỏng nhỏ và tích điện cao, bị phân tán triệt để do lực đẩy Coulomb.) Đường kính
phản lực chất lỏng ngày càng mỏng hơn khi nó tiến tới màn hình thu do dung môi bay hơi và biến thành dạng dẻo dưới lực tĩnh điện. Đường kính sợi quang giảm khi điện áp đặt vào tăng lên. Đường kính sợi có liên quan đến điện thế áp dụng (các tham số khác không đổi) theo quan hệ sau :
d~V^-½
trong đó ‘‘ V ’’ là điện thế. Hendricks đã xác định mức tối thiểu tiềm năng như: V=300 √20γπr
trong đó ‘‘ r ’’ là bán kính của hình nón và ‘‘ γ ’’ là sức căng bề mặt của dung dịch cao phân tử. Taylor đã thiết lập một mối quan hệ tương tự đối với điện thế tới hạn như được chỉ ra bên dưới :
trong đó '' Vc '' là điện áp tới hạn, '' H '' là khoảng cách giữa ống mao dẫn và mặt đất, '' L '' là chiều dài của ống mao dẫn, '' R '' là bán kính của ống mao dẫn, và '' γ '' là sức căng bề mặt của chất lỏng.
Tốc độ dòng chảy: Tốc độ dòng chảy của dung dịch polyme là một thơng số quan
trọng khác trong điện quay vì nó ảnh hưởng đến vận tốc phản lực và tốc độ truyền vật liệu. . Hình thái và đường kính của sợi phụ thuộc vào tốc độ dịng chảy. Khi tốc độ dòng chảy cao, các sợi được bao quanh bởi các lỗ và hạt do thời gian làm khô ngắn hơn khi tiếp cận màn hình thu và lực tĩnh điện kéo dài thấp. Nói chung, tốc độ dịng chảy thấp được khuyến nghị để tạo ra các sợi mỏng hơn do thực tế là tia sẽ có đủ thời gian để phân cực và kéo dài.
Khoảng cách giữa máy thu và ống mao dẫn: Khoảng cách giữa máy thu màn hình
và đầu mao mạch (spinneret) cũng ảnh hưởng đến hình thái và đường kính của sợi vì phụ thuộc vào thời gian lắng đọng, tốc độ bay hơi và khoảng thời gian đánh bông hoặc mất ổn định. Nếu khoảng cách q ngắn, các sợi sẽ khơng có đủ thời gian để đơng đặc và độ giãn dẻo của tia sẽ bị hạn chế, dẫn đến các sợi có đường kính lớn. Tuy nhiên, nếu khoảng cách quá dài, các cấu trúc cườm sẽ hình thành. Khoảng cách tối ưu thường được khuyến nghị để tạo ra các sợi mịn khơng có lỗ và hạt và các giải pháp polyme dạng nước cần nhiều khoảng cách hơn để hình thành sợi khơ so với các hệ thống sử dụng dung mơi hữu cơ dễ bay hơi. Q trình quay điện thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng trong điều kiện khí quyển bình thường. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tăng nhiệt độ có lợi cho việc giảm đường kính sợi. Một số nhà nghiên cứu sử dụng máy hút ẩm để kiểm soát độ ẩm và sản xuất sợi ở kích thước nano. Luồng khơng khí trên cao sẽ làm tăng tốc độ bay hơi do đối lưu nhiệt và sẽ giúp giảm đường kính sợi.
Thơng số mơi trường xung quanh
Ngồi giải pháp và các thơng số xử lý, cịn có các thơng số mơi trường xung quanh bao gồm độ ẩm, nhiệt độ. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sợi polyamide-6 đã được nghiên cứu từ 25 ° C đến 60 ° C và người ta đã chứng minh được rằng với sự gia tăng nhiệt độ, sẽ có sản lượng sợi có đường kính sợi giảm, và họ cho rằng sự suy giảm đường kính này đến sự giảm độ nhớt của dung dịch polyme ở nhiệt độ tăng.
Ảnh hưởng của độ ẩm đến sự hình thành sợi polystyrene đã được nghiên cứu bởi Casper và cộng sự. Họ đã xác định rằng sự thay đổi độ ẩm trong khi kéo sợi các dung dịch polystyrene đã chỉ ra rằng khi độ ẩm tăng lên sẽ xuất hiện các lỗ tròn nhỏ trên bề mặt sợi; sự gia tăng độ ẩm hơn nữa dẫn đến sự kết tụ của các lỗ rỗng. Ở độ ẩm rất thấp, dung mơi bay hơi khơ nhanh chóng vì sự bay hơi của dung môi nhanh hơn.