Pelajaran 13.9Mikro & nanoBab 13 · Mikro- dan nanofabrikasi

Electrospinning

Menarik semburan polimer menjadi nanofiber dengan tegangan tinggi

Electrospinning memakai tegangan tinggi untuk menarik larutan polimer menjadi serat yang ratusan kali lebih tipis daripada rambut. Serat menumpuk sebagai jaring ringan dan berongga yang disebut mat nanofiber. Mat seperti ini meningkatkan filter udara dan masker wajah, dan berfungsi sebagai perancah untuk menumbuhkan jaringan.

Foto: Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, melalui Wikimedia Commons

electrospinning · setup, zoom kerucut Taylor, dan jaring seratAngka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah; kedua panel berbingkai memperbesar ujung jarum dan jaring jadi.

Cara kerjanya

Siapkan larutan. Polimer dilarutkan dalam pelarut, atau dilelehkan, hingga viskositas yang tepat (seberapa kental dan lambat mengalirnya cairan).
Umpankan setetes. Pompa suntik mendorong larutan perlahan ke ujung jarum logam, tempat setetes cairan menggantung.
Terapkan tegangan tinggi. Catu biasanya 5 hingga 50 kilovolt mengisi muatan tetesan. Gaya listrik mengatasi tegangan permukaan dan menarik tetesan menjadi ujung yang disebut kerucut Taylor.
Semburan dan cambukan. Semburan halus melesat dari ujung kerucut, lalu berputar spiral dan mencambuk liar. Semburan melar ribuan kali sementara pelarut menguap.
Kumpulkan serat. Serat kering mendarat di kolektor yang ditanahkan: pelat datar untuk jaring acak, drum berputar cepat untuk serat yang searah, atau kain bergerak di pabrik. Mat kemudian dikupas, dilaminasi pada penyangga, atau disterilkan untuk penggunaan medis.

Fakta kunci

Material: Larutan atau lelehan polimer: nilon, poliester (PET), PVDF, PAN, PCL yang dapat terurai hayati, PVA, kolagen, selulosa asetat; juga prekursor keramik
Komponen khas: Mat serat nonwoven (seperti felt, tidak ditenun), lapisan filter pada kain, tabung, benang searah
Ukuran komponen: Serat setebal puluhan nanometer hingga beberapa mikron; mat dari sampel laboratorium hingga gulungan industri selebar beberapa meter
Presisi: Tanpa toleransi dimensi sebagaimana lazimnya: resep dan pengaturan mengendalikan diameter serat dan sebarannya
Hasil permukaan: Jaring lembut seperti felt dengan luas permukaan sangat besar dan pori halus yang menjebak partikel sub-mikron
Ukuran batch yang cocok: Gram skala laboratorium hingga lini produksi roll-to-roll selebar beberapa meter
Biaya perkakas dan mesin: Setup laboratorium mulai beberapa ribu dolar; lini industri jauh lebih mahal
Kecepatan: Satu jarum membuat jauh di bawah satu gram serat per jam; lini pabrik tanpa jarum melapisi kain secara kontinu

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Serat ultrahalus dengan luas permukaan sangat besar
Setup laboratorium sederhana dan berbiaya rendah
Pilihan polimer, campuran, dan aditif (obat, partikel) yang sangat luas
Meniru jaringan serat di sekitar sel tubuh, yang membantu sel tumbuh

Batasan

Output rendah dari jarum tunggal
Banyak resep memakai pelarut beracun atau mudah terbakar
Ukuran serat bergeser menurut kelembapan, tegangan, dan jarak
Mat yang lemah biasanya butuh lapisan penyangga; aturan keselamatan tegangan tinggi berlaku

Di mana dipakai

FiltrasiLapisan nanofiber pada ventilasi gedung, udara mesin, dan filter masker wajah
MedisPembalut luka, perancah rekayasa jaringan, cangkok vaskular, plester pelepas obat
EnergiSeparator baterai, membran sel bahan bakar
TekstilMembran tahan air yang bernapas, pakaian pelindung
KosmetikMasker wajah dan plester nanofiber
RisetSensor, katalis, nanofiber keramik

Cara mengenalinya

Serat tunggal tidak terlihat mata; hanya jaringnya yang tampak, sebagai film putih atau tembus cahaya yang setipis bisikan.
Lihat beberapa filter udara, vakum, atau mesin berefisiensi tinggi: lapisan halus pada kain yang lebih kasar yang tampak terlalu ringan untuk bekerja.
Di bawah mikroskop elektron, jaring tampak seperti spageti kusut, dengan untaian yang hampir sama tebal.
Versi medis berakhir di luka atau di dalam tubuh, sebagai pembalut dan perancah yang bisa perlahan larut.

Bandingkan dengan

Ekstrusi3.3mendorong material melalui bukaan die berbentuk; menghasilkan serat dan profil biasa, jauh lebih tebal dan lebih cepat.Wire drawing3.4menipiskan kawat logam padat dengan menariknya melalui die; electrospinning menipiskan semburan cair dengan gaya listrik sebagai gantinya.Two-photon polymerization13.8menempatkan setiap mikro-fitur dengan tepat; electrospinning membuat jaring acak, murah, dengan sedikit kendali atas di mana setiap serat mendarat.

Tonton

Hosein Rostamani · Penelusuran laboratorium sederhana dari larutan hingga mat serat

Inovenso Ltd. Electrospinning Company · Close-up kerucut Taylor dan semburan pada satu nosel

ELMARCO · Semburan industri tanpa jarum naik dari drum berputar

Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · Ikhtisar produk dan kegunaan nanofiber

Lihat foto asli

Wikipedia: Electrospinning — mikrograf elektron nanofiber, diagram setup, dan tabel parameter
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

Gaya listrik yang melakukan peregangan: tetesan, kerucut, semburan mencambuk, serat kering.
Serat setebal puluhan nanometer hingga beberapa mikron, dan jaringnya memiliki luas permukaan yang sangat besar.
Jarum tunggal lambat; pabrik memakai lini tanpa jarum untuk melapisi kain filter.