Condizioni di processo

In seguito sono riportati le condizioni di processo che caratterizzano la tecnica dell’electrospinning.

• Differenza di potenziale (DDP)

La differenza di potenziale prodotta dal generatore induce il movimento delle cariche presenti nella soluzione polimerica e questo induce una certa forza elettrostatica. Se il voltaggio supera un valore critico, la forza elettrostatica prodotta risulta maggiore della tensione superficiale della soluzione e consente pertanto la formazione del cono di Taylor. In base alla portata impostata sulla pompa volumetrica, si adatta il valore della differenza di potenziale affinché il cono si mantenga stabile. A causa delle forze di repulsione generate nella soluzione e del campo elettrico prodotto tra l’ago e il collettore, il getto è stirato e si assottiglia. Pertanto il voltaggio influisce direttamente sul diametro della fibra che viene prodotta dall’elettrofilatura. In generale, un voltaggio maggiore produce un campo elettrico più intenso, aumentando quindi lo stiramento della fibra e diminuendone il diametro. Tuttavia, se la differenza di potenziale è troppo elevata, causa un’accelerazione del getto tale da ridurre notevolmente il tempo con cui il getto transita verso il collettore; ciò riduce il tempo per l’elongazione delle fibre. Ne conseguono fibre caratterizzate da diametri elevati e da ingrossamenti, causati dalla mancata evaporazione completa del solvente.

• Portata

La portata definisce la quantità di soluzione sospinta nell’unità di tempo per il processo di

electrospinning. Se la portata aumenta, il quantitativo di soluzione disponibile nell’unità di

tempo aumenta e dunque aumenta il diametro delle fibre generate. Questo non avviene quando la portata impostata è uguale a quella con cui la soluzione è estratta dall’ago a causa della d.d.p.; in tal caso l’aumento della portata determina l’aumento del numero di cariche e pertanto lo stiramento del flusso è maggiore. Per tale ragione si ottengono fibre con un diametro inferiore. Come accennato prima, la differenza di potenziale e la portata sono due

grandezze strettamente legate: infatti a seconda del voltaggio è necessario modificare il valore della portata per mantenere stabile il cono di Taylor.

Se si lavora con una portata elevata, il volume di soluzione da depositare è maggiore e pertanto è richiesto più tempo per l’evaporazione completa del solvente. Potrebbe essere dunque che ad alte portate il tempo impiegato per raggiungere il collettore sia troppo breve e che di conseguenza il solvente non abbia il tempo necessario per evaporare. Quando le fibre si depositano sul collettore, entrano in contatto con il solvente residuo e da esso vengono sciolte. È importante quindi valutare con attenzione il valore della portata e della d.d.p. da impostare.

• Tipologie di collettore

Il collettore è messo a terra per garantire che la differenza di potenziale generata tra i due elettrodi, l’ago e il collettore, sia costante e stabile. Il materiale di cui è composto il collettore è metallico per evitare che le carichi presenti sulla fibra si accumulino su di esso, facendo diminuire drasticamente la differenza di potenziale e dunque la quantità di fibre depositate. Inoltre l’eventuale accumulo di cariche sul collettore produrrebbe un ostacolo verso la deposizione di nuove fibre.

Tuttavia, è possibile che, quando si deposita una grande quantità di materiale sul collettore, ci sia un accumulo di cariche e che si generino delle forze repulsive che ostacolano un ulteriore deposizione di fibre.

Esistono sia collettori statici che dinamici; quelli rotanti in particolare permettono che le fibre siano maggiormente allineate, nel caso di collettore cilindrico, oppure che si dispongano in maniera uniforme, nel caso di piastra rotante.

• Diametro dell’ago

La dimensione dell’ago influenza il diametro delle fibre prodotte: in particolare se l’ago ha un diametro interno piccolo, le fibre generate hanno una sezione ridotta. Tale fenomeno è dovuto alla tensione superficiale della soluzione sulla punta dell’ago, che aumenta più il diametro dell’ago diminuisce. Pertanto, la forza di Coulomb necessaria a rompere la goccia è maggiore, a parità di voltaggio applicato. Di conseguenza l’accelerazione del getto diminuisce e la fibra ha a disposizione un tempo maggiore per assottigliarsi prima di depositarsi sul collettore. Bisogna fare attenzione però che aghi di diametro troppo piccolo non permettono la fuoriuscita delle soluzioni eccessivamente viscose, in cui è disciolto molto polimero.

• Distanza tra la punta dell’ago e il collettore

Spostando i due elettrodi e quindi variando la distanza tra ago e collettore, cambia la forza del campo elettrico e anche il tempo che la fibra impiega a depositarsi. Quando lo spazio tra gli elettrodi si riduce, il valore del campo elettrico aumenta e analogamente l’accelerazione del getto. Di conseguenza il tempo di percorrenza della distanza ago/collettore diminuisce e perciò il solvente non evapora più completamente; si creano così difetti sulla membrana e fusioni tra le fibre depositate sul collettore. Detto ciò, è chiaro che la distanza influisce notevolmente sulla morfologia delle fibre prodotte.

Se invece la distanza ago/collettore aumenta, le fibre hanno più tempo di essere assottigliate e pertanto si ottengono filamenti con un diametro inferiore. Tuttavia, se il valore della distanza aumenta eccessivamente, il campo elettrico risulta insufficiente e lo stretching delle fibre è minore; dunque, superato un certo volume critico della distanza, non avviene più alcuna deposizione di fibre sul collettore.

• Caratteristiche ambientali

L’interazione tra l’ambiente circostante e la soluzione polimerica può determinare variazioni sulla morfologia delle fibre prodotte. I parametri maggiormente importanti sono: umidità relativa, temperatura e pressione.

Umidità relativa. A causa di un’umidità elevata, lungo le fibre si possono creare dei pori, le

cui dimensioni dipendono dal grado di umidità presente. Data l’evaporazione del solvente, il getto si raffredda e pertanto sulla sua superficie può condensare il vapore acqueo presente nell’aria; i pori sono prodotti dall’evaporazione sia del solvente sia del vapore acqueo. Inoltre l’umidità influisce anche sulla velocità di evaporazione del solvente: se l’umidità è ridotta, il solvente evapora più velocemente. Se tale velocità risulta maggiore della velocità con cui la soluzione fuoriesce dalla punta dell’ago, il processo è interrotto a causa dell’otturazione dell’ago.

Temperatura. L’innalzamento della temperatura rende il polimero maggiormente solubile nel

solvente, riducendo la viscosità della soluzione polimerica; inoltre provoca l’aumento della velocità dell’evaporazione del solvente. Se ad alte temperature la viscosità è minore, le forze coulombiane esercitano sul flusso uno stretching maggiore, riducendo il diametro delle fibre.

Pressione. Una pressione ridotta non favorisce il processo di electrospinning, in quanto la

soluzione polimerica è risucchiata verso l’esterno e dunque si generano forti instabilità nel getto, causando la variazione della portata impostata sulla pompa volumetrica. Se la pressione

diminuisce eccessivamente, sull’estremità dell’ago inizia a bollire la soluzione polimerica e pertanto il processo si blocca, in quanto le cariche vengono dissipate immediatamente.