Produção de Alto Rendimento de Nanofibras de Alta Qualidade via Eletrofiação de Superfície Livre Modificada

Resumo

Baseando-se na eletrofiação por bolhas (BE), desenvolvemos um sistema de eletrofiação de superfície livre modificada (MFSE) que integra bico de ar cônico com reservatório de tubo de cobre, aumentando significativamente o rendimento de nanofibras de alta qualidade. O processo MFSE incorpora dodecilbenzenossulfonato de sódio (SDBS) para gerar bolhas de superfície. Examinamos como tensão aplicada e formação de bolhas influenciam morfologia da fibra e rendimento através de medições experimentais e modelagem teórica. Distribuições de campo elétrico calculadas corresponderam proximamente a observações experimentais, confirmando que tensões mais altas aumentam qualidade e produção de fibras, enquanto presença de bolhas tende a reduzir ambas.

Introdução

Eletrofiação é amplamente considerada técnica direta e poderosa para produzir nanofibras de polímero. Devido à sua alta área superficial, energia superficial e atividade superficial, nanofibras eletrofiadas encontraram aplicações em diversos campos — incluindo tecidos não-tecidos [1], fibras reforçadas [2], sistemas de liberação de fármacos [3], engenharia de tecidos [4], células de combustível [5], compósitos [6], filtração [7], fotônica [8], sensores [9], supercapacitores [10], curativos [11] e mais [12–15].

Eletrofiação tradicional de agulha única, no entanto, sofre de baixo rendimento, tipicamente entregando apenas 0,01–0,1 g h⁻¹ [16]. Consequentemente, houve esforço concertado para aumentar taxas de produção. Avanços notáveis incluem sistemas multi-agulha [17], designs de tubo poroso [18], eletrofiação de superfície livre (FSE) acionada por campos magnéticos e elétricos [19], geradores de rolo rotativo [20], fiadores de fio metálico cônico sem agulha [21], fiadores de cone rotativo grande [22], fiadores de cobre em forma de pirâmide [23], geradores de bolhas induzidos por bomba de gás [24] e fiadores agulha-disco [25]. Simulações numéricas de jatos carregados e estudos de efeitos de campo elétrico [27] e magnético [28] elucidaram ainda mais dinâmica de jatos [26].

Neste trabalho, apresentamos plataforma de eletrofiação de superfície livre modificada (MFSE) que acopla bico de ar cônico com reservatório de tubo de cobre para alcançar fabricação de alto rendimento de nanofibras de qualidade, baseando-se em eletrofiação por bolhas (BE) [24]. O reservatório de cobre e bico geram múltiplos jatos, iniciando processo de eletrofiação. Quantificamos experimentalmente distribuição de diâmetro e rendimento, mostrando que tensão aplicada aumentada melhora tanto qualidade quanto rendimento. Comparado a BE, MFSE tolera tensões mais altas, resultando em fibras mais finas com distribuição de diâmetro mais estreita e rendimento substancialmente maior.

Agentes ativos de superfície são rotineiramente usados para reduzir tensão superficial de soluções poliméricas, facilitando formação e estabilização de bolhas [29]. Nosso trabalho prévio demonstrou que mesmo adição modesta de dodecilbenzenossulfonato de sódio (SDBS) reduz marcadamente tensão superficial, promove geração de bolhas e melhora desempenho mecânico de nanofibras de álcool polivinílico (PVA) eletrofiadas [30]. Consequentemente, incorporamos SDBS na solução de eletrofiação para gerar bolhas na superfície livre. Investigamos impacto de bolhas em morfologia e produção de fibras tanto experimental quanto teoricamente, confirmando que presença de bolhas tende a diminuir qualidade e rendimento.

Métodos

Materiais

PVA (M_w ≈ 1750 ± 50 g mol⁻¹) e SDBS foram adquiridos da Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Xangai, China). Solução aquosa de PVA 7% em peso foi preparada dissolvendo pó de PVA em água deionizada, seguida de adição de 0,3% em peso SDBS. Mistura foi agitada a 90 °C por 2 h até homogeneização. Todos reagentes foram grau analítico e usados sem purificação adicional.

Aparelho MFSE

Configuração MFSE é ilustrada na Fig. 1. Compreende gerador de alta tensão variável (0–150 kV, TRC2020, Dalian Teslaman Technology Co., LTD), bomba de gás (TEION4500co, Eiko, Japão), bico de ar cônico circular reto com tubo de gás, reservatório de tubo de cobre vertical (diâmetro interno = 40 mm, altura = 30 mm), e coletor aterrado posicionado acima do reservatório. Bico tem altura 20 mm, diâmetro basal 40 mm e diâmetro superior 1,5 mm, fabricado de polietileno (PE). Sua ponta alinha flush com topo do reservatório. Terminal positivo do gerador conecta diretamente ao reservatório, definindo tensão de fiação.

Em contraste, aparelho BE emprega reservatório de tubo polimérico com bico polimérico fino e agulha metálica esguia servindo como eletrodo positivo. Esta configuração limita tensão aplicada alcançável. Consequentemente, BE tipicamente produz nanofibras a apenas ~3 g h⁻¹ [24].

Processo MFSE

Seguindo protocolos estabelecidos [23,29] e nosso trabalho prévio [30], operamos sistema MFSE com seguintes parâmetros: PVA 7% em peso, SDBS 0,3% em peso, tensão aplicada variando de 30 a 70 kV, e distância de trabalho de 13 cm entre bico e coletor. Experimentos foram conduzidos a 20 °C e 60% umidade relativa.

Solução de PVA foi vertida no reservatório, elevando superfície líquida acima do bico. Ao abrir gradualmente válvula de gás, um arco forma-se ao redor do bico devido à tensão superficial. Quando tensão aplicada excede limiar, múltiplos jatos iniciam da superfície líquida convexa, como mostrado na Fig. 2.

Adição de SDBS gera bolhas (diâmetro 10–30 mm) na superfície livre. Estas bolhas se rompem em menores, e quando tensão superficial reduzida atinge valor crítico, múltiplos jatos são ejetados das superfícies das bolhas, como mostrado na Fig. 3.

Medições e Caracterizações

Dinâmica de jatos foi registrada com câmera de alta definição (25.000 fps, KEYENCE VW-9000, Japão). Diâmetro e morfologia de fibras foram avaliados via microscopia eletrônica de varredura (MEV; Hitachi S-4800, Japão). Amostras foram secas à temperatura ambiente e metalizadas com ouro (10 min, IB-3, Eiko, Japão). Distribuições de diâmetro foram quantificadas usando ImageJ (National Institute of Mental Health, EUA). Simulações de campo elétrico empregaram Maxwell 2D (ANSOFT Corporation, EUA).

Resultados e Discussão

Efeito da Tensão Aplicada nas Nanofibras de PVA

Imagens de MEV e distribuições de diâmetro para fibras MFSE e BE em tensões variadas são mostradas na Fig. 4. A 30 kV, fibras MFSE exibem diâmetro médio de 148 ± 8,53 nm, enquanto fibras BE média 190 ± 8,26 nm — demonstrando saída MFSE mais fina e homogênea. Distribuição de diâmetro estreita com aumento de tensão no processo MFSE.

Figuras 5 e 6 ilustram como tensão aplicada afeta diâmetro médio e produção em MFSE. Abaixo de 30 kV, jatos são escassos devido a força elétrica insuficiente. A 70 kV, força elétrica acelera subida do jato, ainda a subida rápida reduz estiramento adicional, resultando em tendência de diâmetro não-monotônica: diminuição inicial seguida por leve aumento. Produção, no entanto, sobe continuamente com tensão. Estes achados confirmam papel crucial da tensão no desempenho MFSE.

Como sistema BE tem eletrodo positivo de agulha polimérica, opera em tensão menor, limitando produção a ~3 g h⁻¹ [24].

Efeito do SDBS nas Nanofibras de PVA

Tabela 1 reporta condutividade elétrica aumentada e tensão superficial reduzida de soluções PVA com 0,3% em peso SDBS. Figuras 7 e 8 apresentam imagens MEV e distribuições de diâmetro para fibras fiadas de solução contendo SDBS a 60 kV sobre tempos de fiação variados. Embora diâmetro médio seja maior que PVA puro, distribuição de diâmetro permanece estável ao longo do tempo, e rendimento atinge 12,5 g h⁻¹. Estes resultados indicam que geração de bolhas, enquanto aumenta diâmetro, reduz levemente produção — provavelmente devido a energia perdida em deformação e ruptura de bolhas, que reduz aceleração do jato e assim rendimento.

Testes mecânicos de membranas fabricadas de PVA com e sem SDBS são resumidos na Tabela 2. Tanto resistência à tração quanto alongamento na ruptura melhoram com adição de SDBS, ressaltando papel do surfactante em melhorar desempenho mecânico.

Análise Teórica

Como campo elétrico é principal driver de formação de jato, modelamos distribuição de campo ao redor de superfície livre e bolhas usando Maxwell 2D. Figura 9 exibe campos simulados para distância de trabalho 13 cm e tensão aplicada 60 kV, considerando reservatório de cobre (40 mm × 30 mm), diâmetros de bolha 20 mm e 25 mm, e propriedades da solução (tensão superficial 45 mN m⁻¹ para PVA puro, 33 mN m⁻¹ com SDBS; condutividade 8,8 µS cm⁻¹ e 43 µS cm⁻¹, respectivamente).

Figura 9a revela campo intenso e altamente heterogêneo na superfície livre curva, particularmente perto da borda do reservatório — região onde jatos primeiro emergem. Em contraste, bolhas exibem menor intensidade de campo, explicando por que jatos induzidos por bolhas esticam menos e contribuem para maiores diâmetros de fibra e rendimento reduzido. Previsões teóricas alinham-se bem com observações experimentais.

Conclusões

Introduzimos sistema de eletrofiação de superfície livre modificada que acopla bico de ar cônico com reservatório de tubo de cobre, permitindo fabricação de alto rendimento de nanofibras de alta qualidade por períodos de fiação prolongados. Estudos sistemáticos confirmam que aumento de tensão aplicada melhora tanto qualidade quanto produção de fibras. Comparado a eletrofiação por bolhas, MFSE tolera tensões mais altas, resultando em fibras mais finas, distribuições de diâmetro mais estreitas e rendimento marcadamente maior.

Incorporação de SDBS na solução de PVA gera bolhas de superfície, que, enquanto aumentam levemente diâmetro da fibra, modestamente reduzem produção — provavelmente devido a perda de energia durante formação e ruptura de bolhas. Testes mecânicos mostram que SDBS melhora resistência à tração e alongamento na ruptura das membranas resultantes.

Simulações de campo elétrico usando Maxwell 2D corroboram achados experimentais, demonstrando que maior intensidade de campo na superfície livre impulsiona formação de jato mais efetivamente que em sítios de bolhas.

Abreviações

BE

Eletrofiação por bolhas

Co., Ltd.

Companhia limitada

FSE

Eletrofiação de superfície livre

MFSE

Eletrofiação de superfície livre modificada

PE

Polietileno

PVA

Álcool polivinílico

SDBS

Dodecilbenzenossulfonato de sódio

MEV

Microscopia eletrônica de varredura

% em peso

Fração em peso