Bài 13.9Vi mô và nanoChương 13 · Chế tạo vi mô và nano

Kéo sợi tĩnh điện

Kéo tia polyme thành sợi nano bằng điện áp cao

Kéo sợi tĩnh điện dùng điện áp cao để kéo dung dịch polyme thành sợi mỏng hơn sợi tóc hàng trăm lần. Các sợi chất đống thành mạng nhẹ, xốp gọi là màng sợi nano. Những màng này tăng hiệu quả cho bộ lọc không khí và khẩu trang, và làm giá đỡ để nuôi cấy mô.

Ảnh: Farizat Aidyn, CC BY-SA 4.0, qua Wikimedia Commons

kéo sợi tĩnh điện · bố trí, phóng to nón Taylor và mạng sợiCác số trong vòng tròn khớp với các bước bên dưới; hai khung phóng to đầu kim và mạng sợi thành phẩm.

Cách hoạt động

Chuẩn bị dung dịch. Polyme được hòa tan trong dung môi, hoặc nấu chảy, đến độ nhớt phù hợp (chất lỏng đặc và chảy chậm đến mức nào).
Cấp giọt. Bơm xi lanh đẩy dung dịch chậm đến đầu kim kim loại, nơi một giọt treo lơ lửng.
Đặt điện áp cao. Nguồn thường 5 đến 50 kilôvôn tích điện cho giọt. Lực điện thắng sức căng bề mặt và kéo giọt thành một mũi nhọn gọi là nón Taylor.
Tia phun và dao động. Một tia mảnh bắn ra từ đỉnh nón, rồi xoắn ốc và quất dữ dội. Nó giãn hàng nghìn lần trong khi dung môi bay hơi.
Thu sợi. Sợi khô rơi xuống bộ thu nối đất: tấm phẳng cho mạng ngẫu nhiên, trống quay nhanh cho sợi xếp thẳng hàng, hoặc vải di chuyển trong nhà máy. Sau đó màng được bóc ra, ép lên lớp đỡ hoặc tiệt trùng cho y tế.

Thông số chính

Vật liệu: Dung dịch hoặc polyme nóng chảy: nylon, polyester (PET), PVDF, PAN, PCL phân hủy sinh học, PVA, collagen, cellulose acetate; cũng có tiền chất gốm
Chi tiết thường gặp: Màng sợi không dệt (giống nỉ, không dệt), lớp lọc trên vải, ống, sợi xe thẳng hàng
Kích thước chi tiết: Sợi dày từ hàng chục nanomet đến vài micron; màng từ mẫu phòng thí nghiệm đến cuộn công nghiệp rộng vài mét
Độ chính xác: Không có dung sai kích thước đúng nghĩa: công thức và thông số quyết định đường kính sợi và độ phân tán
Bề mặt hoàn thiện: Mạng mềm, giống nỉ với diện tích bề mặt rất lớn và lỗ xốp mịn giữ lại hạt dưới micron
Số lượng phù hợp: Từ vài gam phòng thí nghiệm đến dây chuyền cuộn-sang-cuộn rộng vài mét
Chi phí khuôn dụng cụ và máy: Bộ thí nghiệm từ vài nghìn đô la; dây chuyền công nghiệp đắt hơn nhiều
Tốc độ: Một kim đơn làm ít hơn một gam sợi mỗi giờ; dây chuyền nhà máy không kim phủ vải liên tục

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm

Sợi siêu mịn với diện tích bề mặt rất lớn
Bộ thí nghiệm đơn giản, chi phí thấp
Nhiều lựa chọn polyme, hỗn hợp và phụ gia (thuốc, hạt)
Bắt chước mạng sợi quanh tế bào cơ thể, giúp tế bào phát triển

Hạn chế

Sản lượng thấp từ kim đơn
Nhiều công thức dùng dung môi độc hoặc dễ cháy
Kích thước sợi trôi theo độ ẩm, điện áp và khoảng cách
Màng yếu thường cần lớp đỡ; áp dụng quy tắc an toàn điện áp cao

Ứng dụng

LọcLớp sợi nano trong thông gió tòa nhà, không khí động cơ và bộ lọc khẩu trang
Y tếBăng vết thương, giá đỡ kỹ thuật mô, mạch máu ghép, miếng dán giải phóng thuốc
Năng lượngMàng ngăn pin, màng pin nhiên liệu
Dệt mayMàng chống nước thoáng khí, quần áo bảo hộ
Mỹ phẩmMặt nạ và miếng dán sợi nano
Nghiên cứuCảm biến, chất xúc tác, sợi nano gốm

Cách nhận biết

Mắt thường không thấy từng sợi; chỉ thấy mạng, như một lớp màng trắng hoặc mờ mỏng như hơi thở.
Hãy nhìn một số bộ lọc không khí, máy hút bụi hoặc động cơ hiệu suất cao: một lớp phủ mỏng manh trên vải thô hơn, có vẻ quá nhẹ để hoạt động.
Dưới kính hiển vi điện tử, mạng sợi trông như mì spaghetti rối, với các sợi có độ dày gần như nhau.
Phiên bản y tế đến trên vết thương hoặc bên trong cơ thể, như băng và giá đỡ có thể tan dần.

So sánh với

Đùn3.3đẩy vật liệu qua khe khuôn định hình; nó tạo sợi và profile thông thường, dày hơn và nhanh hơn nhiều.Kéo dây3.4làm mảnh dây kim loại đặc bằng cách kéo qua khuôn; kéo sợi tĩnh điện làm mảnh tia lỏng bằng lực điện.Polyme hóa hai photon13.8đặt mọi chi tiết vi mô chính xác; kéo sợi tĩnh điện tạo mạng ngẫu nhiên, rẻ, ít kiểm soát từng sợi rơi vào đâu.

Xem video

Hosein Rostamani · Hướng dẫn đơn giản trong phòng thí nghiệm từ dung dịch đến màng sợi

Inovenso Ltd. Electrospinning Company · Cận cảnh nón Taylor và tia phun ở một vòi

ELMARCO · Các tia không kim công nghiệp bay lên từ một trống quay

Foshan MBRT Nanofiberlabs Co.,Ltd · Tổng quan các sản phẩm và công dụng sợi nano

Xem ảnh thật

Wikipedia: Kéo sợi tĩnh điện — ảnh hiển vi điện tử sợi nano, sơ đồ bố trí và bảng thông số
Tìm ảnh trên Wikimedia Commons

Ghi nhớ

Lực điện thực hiện việc kéo giãn: giọt, nón, tia quất, sợi khô.
Sợi dày từ hàng chục nanomet đến vài micron, và mạng có diện tích bề mặt rất lớn.
Kim đơn chậm; nhà máy dùng dây chuyền không kim để phủ vải lọc.