Fabricação de alto rendimento de nanofibras de qualidade usando eletrofiação de superfície livre modificada

Resumo

Com base na eletrofiação de bolhas (BE), uma eletrofiação de superfície livre modificada (MFSE) usando um bico de ar em forma de cone combinado com um reservatório de solução feito de tubos de cobre foi apresentada para aumentar a produção de nanofibras de qualidade. No processo MFSE, dodecil benzenos sulfonatos de sódio (SDBS) foram adicionados à solução de eletrofiação para gerar bolhas na superfície de um líquido. Os efeitos da voltagem aplicada e das bolhas geradas na morfologia e produção de nanofibras foram investigados experimental e teoricamente. Os resultados da análise teórica do campo elétrico estavam de acordo com os dados experimentais e mostraram que a qualidade e a produção das nanofibras foram melhoradas com o aumento da tensão aplicada, e as bolhas geradas diminuiriam a qualidade e a produção das nanofibras.

Histórico

A eletrofiação tem sido reconhecida como uma técnica simples e eficiente para a produção de nanofibras poliméricas. Devido à alta área de superfície, alta energia de superfície e alta atividade de superfície et al., Nanofibras eletrofiadas podem ser usadas em uma ampla variedade de aplicações, como tecidos não tecidos [1], fibras reforçadas [2], sistemas de distribuição de drogas [3] , engenharia de tecidos [4], células de combustível [5], compósitos [6], filtração [7], fotônica [8], sensorial [9], supercapacitores [10], curativo para feridas [11] e assim por diante [12, 13,14,15].

A eletrofiação convencional de agulha única inibe a aplicação de nanofibras em aplicações comerciais devido à sua baixa produção, geralmente no nível de 0,01–0,1 g / h [16]. É desejável obter uma produção massiva de nanofibras de qualidade para ampliar as aplicações das nanofibras. Muitos esforços têm se concentrado em melhorar a produção da técnica de eletrofiação. Ding et al. [17] fiar fibras com sucesso usando um sistema de eletrofiação com várias agulhas. Dosunmu et al. [18] desenvolveram uma técnica de eletrofiação equipada com um tubo poroso. Yarin et al. [19] apresentou uma eletrofiação de superfície livre (FSE) para produção em massa de nanofibras com base na combinação de campos magnéticos e elétricos normais atuando em um sistema de duas camadas. Jirsak et al. [20] patenteou um FSE usando um rolo horizontal giratório como gerador de nanofibras. Wang et al. [21] demonstraram uma nova eletrofiação sem agulha usando uma bobina de metal cônica como fieira. Lu et al. [22] relataram uma nova técnica de eletrofiação de alto rendimento com um grande cone giratório de metal como a fieira. Qin et al. [23] apresentou uma configuração FSE usando uma fieira de cobre em forma de pirâmide de um degrau para formar vários jatos. Chen et al. [24] empregou uma bomba de gás para gerar bolhas na superfície de um líquido para produzir vários jatos. Liu et al. [25] propôs uma técnica de eletrofiação usando disco de agulha como fieira para aumentar o rendimento da nanofibra. Além disso, simulações numéricas para nanofluido [26] foram apresentadas para pesquisar a dinâmica de jatos carregados. E os efeitos de vários parâmetros, como campo elétrico [27] e campo magnético [28], no comportamento do nanofluido, foram sistematicamente realizados.

Neste artigo, uma eletrofiação de superfície livre modificada (MFSE) usando um bico de ar em forma de cone combinado com um reservatório de solução feito de tubos de cobre foi apresentada para obter a fabricação de alto rendimento de nanofibras de qualidade com base em eletrofiação de bolha (BE) [24]. O bico combinado com o reservatório de solução feito de tubos de cobre foi usado para produzir vários jatos para iniciar o processo de eletrofiação. A eficácia do MFSE foi estudada experimentalmente medindo a distribuição do diâmetro e o rendimento das nanofibras. Os resultados mostraram que a qualidade e a produção das nanofibras melhoraram com o aumento da voltagem aplicada. Comparado com o BE, o MFSE poderia produzir nanofibras sob uma voltagem aplicada muito mais alta, o que resultaria na diminuição do diâmetro da nanofibra, aumentando a distribuição do diâmetro e melhorando o rendimento da nanofibra.

Os agentes tensoativos são geralmente usados para diminuir as tensões superficiais de soluções poliméricas, que afetam significativamente a geração de bolhas. Como resultado, a formação e estabilização de bolhas são muito dependentes da composição e propriedades físico-químicas dos agentes tensoativos usados [29]. Anteriormente, descobrimos que até mesmo um pouco de dodecil benzeno sulfonato de sódio (SDBS), um agente tensoativo, poderia reduzir significativamente a tensão superficial, facilitar o processo de rotação e melhorar as propriedades mecânicas de nanofibras de álcool polivinílico (PVA) eletrofiado [30 ] Portanto, SDBS foi adicionado à solução de eletrofiação para gerar bolhas na superfície de um líquido neste estudo. O efeito das bolhas na morfologia e produção de nanofibras foi investigado experimental e teoricamente. Os resultados da análise teórica de campo elétrico estiveram de acordo com os dados experimentais e mostraram que as bolhas diminuiriam a qualidade e a produção das nanofibras.

Métodos

Materiais

PVA com 1750 ± 50 ° de polimerização e SDBS foram adquiridos de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Shanghai, China). Soluções aquosas de PVA com a concentração de 7% em peso foram preparadas dissolvendo PVA em pó em água desionizada. E 0,3% em peso de SDBS foi dissolvido nas soluções de PVA. Em seguida, as soluções foram agitadas a 90 ° C por 2 h até que se tornassem homogêneas. Todos os produtos químicos eram de grau analítico e usados sem purificação adicional.

Aparelho MFSE

O esquema do aparelho MFSE foi representado na Fig. 1. O aparelho consistia em um gerador de energia de alta tensão variável (0-150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), uma bomba de gás (TEION4500co, Eiko, Japão ), um bocal de ar em forma de cone circular direito com um tubo de gás, um reservatório de solução vertical feito de tubos de cobre com o diâmetro interno de 40 mm e a altura de 30 mm e um coletor aterrado sobre o reservatório. A altura do bico de ar em forma de cone era de 20 mm; o diâmetro interno de sua base era de 40 mm e o de seu topo era de 1,5 mm. O bico é de polietileno (PE), e sua parte superior deve ficar alinhada com a parte superior do reservatório da solução de cobre. O terminal positivo do gerador de energia foi conectado diretamente ao reservatório de solução. A tensão fornecida pelo gerador de energia foi designada como tensão de giro.

Esquema do aparelho MFSE

No entanto, o reservatório de solução do aparelho BE era feito de tubos de polímero. E um tubo fino de polímero como bocal foi fixado no centro do fundo do reservatório. Uma fina agulha de metal, como eletrodo positivo, passou pelo bico. O bico e a agulha foram inseridos pelo fundo do reservatório e conectados à bomba de gás e ao gerador, respectivamente. O eletrodo de metal levaria a uma tensão aplicada mais baixa. Comparado com o BE, o MFSE poderia produzir nanofibras sob uma voltagem aplicada muito mais alta, o que resultaria na melhoria da taxa de transferência de nanofibras.

Processo MFSE

De acordo com a Ref. [23, 29] e nosso trabalho anterior [30], os parâmetros de eletrofiação foram definidos da seguinte forma:concentração de PVA 7% em peso, concentração de SDBS 0,3% em peso, a tensão aplicada variou de 30 a 70 kv e a distância de trabalho do bico para o coletor aterrado foi de 13 cm. Os experimentos de MFSE foram realizados em temperatura ambiente (20 ° C) e umidade relativa de 60%.

A solução de PVA foi vertida no reservatório, e a superfície do líquido estava mais alta do que o bico. Acendendo lentamente a válvula de gás, a superfície do líquido forma um arco ao redor do bico devido à alta tensão superficial da solução. Depois que um campo eletrônico foi aplicado e a voltagem ultrapassou o limite de voltagem, vários jatos foram iniciados na superfície convexa do líquido, ver Fig. 2.

Fotografia do MFSE sem SDBS. a Fotografia da superfície do líquido e b fotografia do processo de fiação

Várias bolhas, cujos diâmetros variaram de 10 a 30 mm, foram geradas na superfície livre da solução polimérica com a adição de SDBS. Essas bolhas seriam quebradas em muito pequenas em sua superfície. Quando a tensão superficial das pequenas bolhas reduziu ao valor crítico que poderia ser superado pelo campo elétrico aplicado, vários jatos foram ejetados das bolhas para o coletor, ver Fig. 3.

Fotografia do MFSE com adição de SDBS. a Fotografia da superfície do líquido e b fotografia do processo de fiação

Medições e caracterizações

O movimento dos jatos foi observado por uma câmera de alta definição a uma taxa de quadros de 25.000 quadros / s (KEYENCE, VW-9000, Japão). O diâmetro e o arranjo das nanofibras de PVA por eletrofiação foram caracterizados por meio de microscopia eletrônica de varredura (SEM; Hitachi S-4800, Japão). Todas as amostras foram secas à temperatura ambiente e, em seguida, revestidas por pulverização catódica com ouro por um IB-3 (Eiko, Japão) durante 10 min. A morfologia da matriz e a caracterização do diâmetro fibroso foram realizadas no software Image J (National Institute of Mental Health, EUA). As distribuições do campo elétrico foram calculadas pelo Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, EUA).

Resultados e discussão

Efeito da tensão aplicada nas nanofibras de PVA

As morfologias das nanofibras de PVA obtidas por MFSE e BE foram realizadas respectivamente por MEV. Imagens de SEM e a distribuição de diâmetro correspondente de nanofibras com diferentes tensões aplicadas no processo MFSE foram mostradas na Fig. 4a, e as de BE foram indicadas na Fig. 4b. Quando a tensão aplicada foi de 30 kV, o diâmetro médio das nanofibras obtidas por MFSE foi de 148 ± 8,53 nm e o de BE foi de 190 ± 8,26 nm. Pôde-se constatar que as nanofibras de PVA produzidas por MFSE eram mais finas e homogêneas que as de BE. E a distribuição do diâmetro ficou mais homogênea com o aumento da tensão aplicada no processo MFSE.

Imagens SEM de nanofibras de PVA. a MFSE com tensão aplicada diferente, ( a-1 30 kV, a-2 40 kV, a-3 50 kV, a-4 60 kV, a-5 70 kV);. b BE (30 kV). Inserido :uma fotografia do processo de BE. As figuras certas eram a distribuição de diâmetro de acordo

As Figuras 5 e 6 mostram o efeito da voltagem aplicada no diâmetro médio e na produção das nanofibras de PVA preparadas por MFSE. Ficou evidente que quando a tensão aplicada era inferior a 30 kV, poucos jatos eram gerados, pois a força elétrica não era suficiente para superar a tensão superficial. Porém, quando a tensão aplicada fosse de 70 kV, a força elétrica produzida aceleraria rapidamente o movimento ascendente dos jatos. E o movimento ascendente altamente acelerado não esticaria ainda mais o jato em fibras menores. Portanto, com o aumento da tensão aplicada no processo MFSE, o diâmetro médio primeiro diminuiu e depois aumentou, e a produção aumentou. Era óbvio que a voltagem aplicada desempenhava um papel crucial no processo MFSE, que afetava diretamente a produção de nanofibras.

O efeito da tensão aplicada no diâmetro médio

A produção com as diferentes tensões aplicadas usando MFSE

No entanto, o reservatório de solução em que um eletrodo de metal fixado era feito de tubos de polímero na configuração BE. O terminal positivo do gerador de energia foi conectado ao eletrodo de metal que levou a uma tensão aplicada mais baixa. Portanto, a produção de nanofibras preparadas por BE foi de apenas 3 g / h [24].

Efeito do SDBS nas nanofibras de PVA

No processo MFSE, a adição de SDBS à solução de PVA pode diminuir efetivamente a tensão superficial da solução e gerar bolhas na superfície do líquido. A Tabela 1 mostra o aumento da condutividade elétrica e a diminuição da tensão superficial das soluções de PVA com a adição de SDBS. As Figuras 7 e 8 ilustram imagens de SEM e a distribuição de diâmetro de acordo com nanofibras obtidas a partir de solução de PVA com 0,3% em peso de SDBS a uma voltagem aplicada de 60 kV com tempo de rotação. Pôde-se observar que a vantagem do diâmetro das nanofibras produzidas a partir da solução de PVA com 0,3% em peso de SDBS eram maiores do que as nanofibras produzidas a partir da solução pura de PVA. E com o aumento do tempo de giro, o MFSE fez com que a distribuição do diâmetro das nanofibras de PVA tivesse pouca alteração, e a produção das nanofibras de PVA fosse de 12,5 g / h. Os resultados mostraram que as bolhas geradas aumentariam o diâmetro da nanofibra e diminuiriam a produção de nanofibras. Provavelmente foi devido à formação de bolhas, deformação e energia desperdiçada que poderia ser usada para esticar ainda mais o jato em fibras menores. Além disso, a perda de energia pode fazer com que os jatos carregados se movam mais lentamente durante o processo MFSE, e a produção de nanofibras diminui.

Imagens SEM de nanofibras de PVA preparadas por MFSE em diferentes tempos de rotação ( a-1 5 min, a-2 10 min, a-3 15 min, a-4 20 min, a-5 :25 min). As figuras certas eram a distribuição de diâmetro de acordo

O efeito do tempo de rotação no diâmetro médio de nanofibras de PVA preparadas por MFSE

As propriedades mecânicas, como resistência à tração e alongamento na ruptura, das membranas de nanofibras de PVA sem e com SDBS foram mostradas na Tabela 2. Foi visto que tanto a resistência à tração quanto o alongamento na ruptura das membranas de nanofibras aumentaram com a adição de SDBS. Isso significa que a adição de SDBS pode melhorar as propriedades mecânicas das membranas de nanofibra de PVA.

Análise teórica

Como o campo elétrico é a principal força motriz para a geração dos jatos [23], o início do jato é determinado pela intensidade do campo elétrico e as áreas com maior intensidade do campo elétrico geram os jatos com mais facilidade [25]. Para revelar o fenômeno experimental, as distribuições do campo elétrico em torno da superfície livre e das bolhas foram calculadas respectivamente pelo Maxwell 2D.

A Figura 9 mostra os resultados da simulação das distribuições do campo elétrico em torno da superfície livre e das bolhas com uma distância de trabalho de 13 cm e uma tensão aplicada de 60 kV. Para o processo MFSE investigado, as simulações 2D mostradas foram realizadas para os seguintes parâmetros de processo:o reservatório de cobre como pólo positivo era um retângulo com largura de 40 mm e altura de 30 mm, a condutividade elétrica do cobre era 5,8 × 10 ¹¹ us / cm, a distância de trabalho foi de 130 mm, a tensão aplicada foi de 60 kV e os diâmetros das bolhas foram de 20 e 25 mm, as tensões de superfície de 7% em peso de soluções de PVA sem e com SDBS foram de 45 e 33 mN / m, e a condutividade elétrica dessas soluções foi de 8,8 e 43 us / cm, respectivamente.

Simulação das distribuições do campo elétrico a 60 kV (distância de trabalho 13 cm). a em torno da superfície livre. b em torno das bolhas

A Figura 9a explora que o campo elétrico na parte curva da superfície livre era muito heterogêneo e alto, sugerindo que esses locais deveriam ser mais eficientes para a autogeração de jatos. E a borda do reservatório de solução tinha intensidade de campo elétrico muito maior do que a superfície livre devido aos materiais metálicos do reservatório. Conforme mostrado na Fig. 2, vários jatos iniciaram em torno da parte curva da superfície livre. E a maior intensidade de campo elétrico ao redor da borda, em vez da superfície, pode ser a principal razão pela qual os jatos são gerados primeiro a partir da borda do reservatório de solução. No entanto, vários jatos foram gerados a partir das bolhas, como mostrado na Fig. 3. A Fig. 9b revela que as bolhas tinham menor intensidade de campo elétrico do que a parte curva da superfície livre. Uma vez que a força eletrostática era a principal força motriz para acelerar o movimento dos jatos, os jatos viajariam mais rápido sob um campo elétrico mais alto. Portanto, o campo elétrico mais alto na parte curva da superfície livre do que as bolhas pode ser o principal motivo para que as bolhas geradas aumentem o diâmetro da nanofibra e diminuam a produção de nanofibras. Os resultados da análise teórica estão de acordo com os resultados experimentais.

Conclusões

Neste artigo, uma eletrofiação de superfície livre de alto efeito usando um bico de ar em forma de cone combinado com um reservatório de solução feito de tubos de cobre foi desenvolvida com sucesso para obter fabricação de alto rendimento de nanofibras de qualidade por um longo tempo de fiação. Os efeitos da voltagem aplicada na qualidade e produção das nanofibras foram sistematicamente investigados, e os resultados mostraram que a qualidade e a produção das nanofibras foram melhoradas com o aumento da voltagem aplicada. Comparado com o BE, o MFSE poderia produzir nanofibras sob uma voltagem aplicada muito mais alta, o que resultaria na diminuição do diâmetro da nanofibra, aumentando a distribuição do diâmetro e melhorando o rendimento da nanofibra.

Além disso, um agente tensoativo, SDBS, foi adicionado à solução de eletrofiação para gerar bolhas na superfície livre da solução no processo MFSE. O efeito das bolhas na morfologia e produção das nanofibras foi investigado experimentalmente. Os resultados mostraram que com o aumento do tempo de giro, o MFSE fez com que a distribuição do diâmetro das nanofibras de PVA tivesse pouca alteração, e as bolhas geradas diminuiriam a qualidade e a produção das nanofibras. Por fim, as distribuições do campo elétrico em torno da superfície livre e das bolhas foram calculadas respectivamente pelo Maxwell 2D, e os resultados da simulação estavam de acordo com os resultados experimentais.

Abreviações

BE:: Eletrofiação de bolha
Co., Ltd .:: Companhia limitada
FSE:: Eletrofiação de superfície livre
MFSE:: Eletrofiação de superfície livre modificada
PE:: Polietileno
PVA:: Álcool polivinílico
SDBS:: Sulfonato de Dodecilbenzeno de Sódio
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
% em peso:: Fração de peso

Propriedades elétricas de materiais compostos com alinhamento assistido por campo elétrico de cargas de nanocarbono Deposição em duas etapas de ZnO dopado com Al em p-GaN para formar contatos ôhmicos

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias