Elektroketrus

Allikas: Vikipeedia
Elektroketruse mõtteline skeem

Elektroketrus on meetod polümeerfiibrite tootmiseks, kasutades kõrgepingevälja. See seisneb lähteaine elektrilises laadimises lahuses ja selle kollektori poole suunamises, mille järel tõmbab vastaslaenguga kollektor polümeerimolekuli enda pinnale, solvent aurub ja tekib ühtlane fiiber üksikdiameetriga nanomeeter kuni mõni mikromeetrit. Elektroketrus on 21. sajandi algusest saanud palju tähelepanu ja kogunud populaarsust nii teaduses kui ka tööstuses. Meetod on mitmekülgne ning sobiv eri polümeeride töötlemiseks, samuti hea korratavuse ja ühtlase produktiväljastusega. Kuna elektroketruseks sobivaid süsteeme saab koostada väga erinevate polümeeride ning solventidega, on produktid kasutatavad ka paljudes rakendustes, nagu filtrid, rakukasvatuskeskkonnad, haavakatted, energeetika. [1]

Aparatuur[muuda | muuda lähteteksti]

Kommertsiaalne elektroketruse aparatuur

Klassikaline elektroketruse aparatuur koosneb kolmest põhikomponendist, milleks on kõrgepingevälja toiteallikas, lähteainemahuti ja kollektor, mida võib kasutada nii vertikaal- kui ka horisontaalasendis. Lähteaine hoiustamiseks ja kollektori poole suunamiseks kasutatakse üldjuhul süstalt, mille ühtlaseks manustamiseks kasutatakse elektroonilist pumpa, tagamaks kontrollitud ja ühtlase ainevoolu. Mahuti ning väljutava nõela suurust, kuju ja ka nõelade arvu saab vastavalt tootmismahule ja vajadusele varieerida. Kõrgepingeallika kontaktid ühendatakse mahuti ning kollektori külge – kuna mõlemad komponendid peavad olema elektrijuhid, ongi sobivad variandid näiteks süstlanõel ja kollektorina fooliumpaber. Kollektori kuju, suurust ning struktuuri saab kasutusalale kohandamiseks muuta: on võimalik kasutada nii planaarseid, silindrilisi kui ka võrkkollektoreid. Ohutuse tagamiseks on tavaline elektroketruse süsteem isoleerida, vältimaks kõrgepingest tulenevat ohtu. Elektroketruse aparatuure on täislahendusena kommertsiaalselt saadaval nii teadustöö kui tootmise otstarbeks, kuid kõrge hinna ning madala tootevarieeruvuse tõttu komplekteerib enamik kasutajaid oma süsteemi ise. [2][3][4]

Isemonteeritud elektroketruse aparatuur

Tootmisprotsess[muuda | muuda lähteteksti]

Protsessi käivitamiseks initsieeritakse kõrgepinge ja käivitatakse polümeerilahust kollektori sihis suunav süsteem. Läbi nõela voolav lähtelahus laetakse elektriliselt kontakti abil ning väljudes tekib ajutiselt sfääriline tilk, mida hoiab koos pindpinevus. Kui vastaslaengutega nõela ja kollektori vahel mõjuv elektrostaatiline jõud ületab lahuse pindpinevuse, tõmmatakse näiliselt peenikese niidina lahusevoogu kollektori suunas. Voo lendumisel kogumisaluseni aurustub solvent, mille tagajärjel jääb pinnale vaid fiiberstruktuur. [1][2]

Mõjutavad parameetrid[muuda | muuda lähteteksti]

Elektroketruse protsess on väga tundlik paljudele parameetritele, mida klassifitseeritakse lahuse-, protsessi- ja keskkonnaparameetriteks. Kombineerides eri süsteeme, mõjuvad eri aspektid varieeruval määral ja nende mittesobivuse korral ei formuleeru tulemusena fiiberstruktuuri. Seega on sobivad tingimused aluseks elektroketruse toimimisele ning lisaks saab sobivate parameetrite omavahelisel kombineerimisel mõjutada saaduse olemust. [1]

Lahuseparameetrid[muuda | muuda lähteteksti]

Elektroketruse lahus peab olema elektrit juhtiv, solvent peab lähteaine suutma täielikult lahustada ning see peab olema piisavalt kergesti lenduv ühtlase fiiberstruktuuri tekkimiseks. Sobivuse korral võib kasutada ka süsteeme eri polümeeridest ja lahustitest. Lahuse optimaalne viskoossus on tähtis, tagamaks ühtlast süsteemi laadimist voogu. Viskoossuse kasvades suureneb pindpinevusjõud, mis muudab voo stabiilsuse säilitamise raskemaks kuni selle ummistumise ning protsessi peatumiseni. Optimaalse viskoossuse saavutamisega on omakorda seotud lahuse kontsentratsioon ja polümeeri molekulmass. Suure molekulmassi ehk pika polümeerahelaga ainete lahustuvus on halvem kui väiksematel polümeeridel ning nendega moodustuvad viskoossemad lahused: vajalik on väiksema kontsentratsiooniga lahuste moodustamine. Fiibrit iseloomustavaid parameetreid mõjutavad samuti polümeeri molekulmass ning lahuse kontsentratsioon. Koostades sama kontsentratsiooniga lahused ja viies nendega läbi elektroketruse protsessi, on tuvastatud, et suurema molekulmassiga ahelatest moodustuvad suurema diameetriga fiibrid. Samuti muutub fiibri diameeter, suurenedes lineaarselt lahuse kontsentratsiooni tõstes. Fiibri struktuuri muudab ka juhtivus: suurema lahuse juhtivuse korral väheneb moodustuva fiibri diameeter. [1][5]

Protsessiparameetrid[muuda | muuda lähteteksti]

Protsessi toimivus ja iseloom sõltuvad suuresti aparatuurist ja sellega seotud parameetrite sobivast kasutusest. Fiibri sobivaks moodustumiseks peab kaugus mahuti ning kollektori vahel olema selline, et elektrostaatiline jõud suudaks lahuse lähtepunktist kogumispinnale tõmmata ja läbitud teekonna jooksul solvent täielikult aurustuda jõuaks. Olukorras, kus kaugus on liiga suur, ei pruugi kõrgepinge polümeeri pinnale tõmmata, kuid vähese kauguse korral jäävad fiibrisse lahustitilgad, mis häirivad struktuuri ühtlust ning edasist kasutust. Kontaktide vahele suurema kõrgepinge rakendamisel tekib tugevam elektriväli, misjuhul võib vahekaugus olla vastavalt pikem. Eeltoodud muutujatega on seotud ka lahuse pealelaskmise kiirus. Mida rohkem lahust suudab süsteem ajaühikus töödelda, seda kiirem on fiibri massi suurenemine, kuid liigse kiiruse korral hakkab elektrostaatika kollektorile tõmbama sarnaselt liiga väikese kauguse olukorraga solvenditilkasid, mis jällegi struktuuri häirivad. Ühtlase ja praktilise fiibri tootmise eeliseks on kõikide protsessiparameetrite sobiv kombineerimine. Üldtuntumatel juhtudel on mahuti ning kollektori vahekaugus mõnekümne sentimeetri suurune, rakendatud elektriväli 10–25 kilovolti ja lahuse pealekandmise kiirus üks kuni kümme milliliitrit tunnis. [1][5]

Keskkonnaparameetrid[muuda | muuda lähteteksti]

Elektroketrus on suurel määral mõjutatav ümbritseva keskkonna olemusest. Enim mõjutavad protsessi õhuniiskus ja temperatuur. Kõrge õhuniiskus raskendab solvendi aurustumise protsessi, mille tagajärjel võib fiibrisse sattuda palju mittetahetud tilku. Temperatuur mõjutab enamasti lahuse olemust: temperatuuri kasvades tõuseb polümeeri lahustuvus, lahusti lenduvus ning alaneb lahuse viskoossus. [1]

Skaneeriva elektronmikroskoobi pildid eri PCL (polükaprolaktoon) polümeeri elektroketruse teel toodetud fiibritest. Piltide võrdlusel saab aimu eri parameetrite mõjust fiibri struktuurile. Üleval toodud kasutatud kõrgepinge, vasakul vahekaugus mahuti ning kollektori vahel ning pumpamiskiirus, piltidel toodud keskmine fiibri diameeter.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Bhardwaj N., Kundu S. (2010). Biotechnology Advances Volume 28, Issue 3. Khargapur:  Department of Biotechnology, Indian Institute of Technology.
  2. 2,0 2,1 Dias J. R., dos Santos C., Horta J. (2017). A new design of an electrospinning apparatus for tissue engineering applications. International Journal of Bioprinting, volume 3. Singapore: Whoice Publishing
  3. "Tong Li Tech: Electrospinning URL = http://www.electro-spinning.com/".
  4. Mõisavald K., Siimon K. (2016). Lisandite mõju glükoosiga ristsidestatud želatiinkanga omadustele. Tartu: Loodus- ja täppisteaduste valdkond, Tartu Ülikool.
  5. 5,0 5,1 Siimon K. (2016). Electrospun gelatin cross-linked by glucose. Tartu: Loodus- ja täppisteaduste valdkond, Tartu Ülikool.